DE102007015186A1

DE102007015186A1 - Interner Wärmetauscher für eine Klimaanlage

Info

Publication number: DE102007015186A1
Application number: DE102007015186A
Authority: DE
Inventors: Roland Haussmann
Original assignee: Valeo Klimasysteme GmbH
Current assignee: Valeo Klimasysteme GmbH
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2008-10-02
Also published as: EP1975534B1; EP1975534A3; EP1975534A2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen internen Wärmetauscher (20) für eine Klimaanlage, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Außenrohr (22) und einem innerhalb des Außenrohres (22) angeordneten Innenrohr (24), das auf seiner Außenseite und auf seiner Innenseite mit Wärmeleitrippen (30, 32, 34) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitrippen (32, 34) auf der Innenseite des Innenrohres (24) in einem Abstand von der Mittelachse (M) des Innenrohres (24) enden. Die Erfindung betrifft auch eine Klimaanlage mit einem solchen Wärmetauscher (20).

Description

Die Erfindung betrifft einen internen Wärmetauscher für eine Klimaanlage, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Außenrohr und einem innerhalb des Außenrohres angeordneten Innenrohr, das auf seiner Außenseite und auf seiner Innenseite mit Wärmeleitrippen versehen ist. Die Erfindung betrifft auch eine Klimaanlage, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem solchen Wärmetauscher.
Ein interner Wärmetauscher der eingangs genannten Art ist aus der DE 10 2004 003 325 A1 bekannt. Er dient dazu, den Wirkungsgrad der Klimaanlage, bei der er verwendet wird, zu steigern, indem Wärme von dem verwendeten Kältemittel auf der Hochdruckseite auf das Kältemittel auf der Niederdruckseite übertragen wird.
Allerdings ist dieser bekannte interne Wärmetauscher hinsichtlich der Wärmeübertragungsleistung unbefriedigend. Dies ist darauf zurückzuführen, daß er speziell für eine Klimaanlage entwickelt wurde, die als Kältemittel CO₂ verwendet. Aufgrund des hohen Betriebsdrucks bei diesem Kältemittel müssen Wandstärken verwendet werden, die für eine gute Wärmeleitung hinderlich sind. Alternative Lösungen für interne Wärmetauscher von Klimaanlagen, die im Hinblick auf die Wärmeübertragung optimiert sind, zeigen andere Nachteile, beispielsweise hohe Herstellungskosten und unzureichende Prozeßsicherheit bei Wärmetauschern, die aus mehreren miteinander verlöteten Metallblechen bestehen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen kostengünstig und zuverlässig herstellbaren Wärmetauscher zu schaffen, der sich durch eine sehr gute Wärmeübertragung von einem Strömungsweg zum anderen auszeichnet.
Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß bei einem Wärmetauscher der eingangs genannten Art vorgesehen, daß die Wärmeleitrippen auf der Innenseite des Innenrohres in einem Abstand von der Mittelachse des Innenrohres enden. Diese Gestaltung schafft die Voraussetzungen dafür, daß das Innenrohr mit den Wärmeleitrippen in optimaler Weise extrudiert werden kann. Aufgrund des Freiraums im Bereich der Mittelachse des Innenrohres kann ein zur Herstellung des Innenrohres verwendetes Extrusionswerkzeug einen vergleichsweise stabilen Kern aufweisen. Dies ermöglicht eine sehr präzise Herstellung des Innenrohres mit geringen Wandstärken, beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung. Die Wandstärken des Innenrohres betragen vorzugsweise 0,3 bis 0,8 mm, während die Wärmeleitrippen vorzugsweise eine Dicke von 0,15 bis 0,5 mm aufweisen. Es ist zu sehen, daß das Innenrohr insgesamt sehr dünnwandig ist. Dies ermöglicht, dem innerhalb des Innenrohres strömenden Fluid eine große Wärmeübertragungsfläche anzubieten, so daß die Wärmetauscherleistung optimiert ist.
Vorzugsweise ist vorgesehen, daß das Innenrohr auf seiner Innenseite einen ersten und einen zweiten Typ von Wärmeleitrippen aufweist, wobei die Wärmeleitrippen des ersten Typs sich weiter zur Mittelachse des Innenrohres erstrecken als die Wärmeleitrippen des zweiten Typs. Diese Gestaltung ist besonders vorteilhaft im Hinblick auf die zuverlässige Herstellung des Innenrohres. Würden sich alle Wärmeleitrippen im Inneren des Innenrohres gleichmäßig zur Mitte hin erstrecken, würde der Abstand zwischen ihnen zur Mitte hin sehr gering werden. Es wäre dann sehr aufwendig, ein stabiles Extrusionswerkzeug bereitzustellen, mit dem das Innenrohr hergestellt werden kann. Indem einige der Wärmeleitrippen in einem größeren Abstand von der Mittelachse enden als andere, insbesondere sich die Wärmeleitrippen des ersten Typs mit den Wärmeleitrippen des zweiten Typs abwechseln, ergeben sich zur Mitte des Rohres hin sehr viel günstigere Platzverhältnisse.
Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die Wärmeleitrippen auf der Außenseite des Innenrohres auf demselben Radius angeordnet sind wie die Wärmeleitrippen auf der Innenseite. Dies führt zu kurzen Wärmeübertragungswegen zwischen der Innenseite und der Außenseite des Innenrohres und damit zu einer guten Wärmeübertragungsleistung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist auf jeder Seite des Wärmetauschers ein Anschlußblock vorgesehen, der mit einem Hochdruckanschluß und einem Niederdruckanschluß versehen ist, wobei mindestens einer der Anschlüsse zu einer Dämpfungskammer führt, die im Anschlußblock ausgebildet ist. Auf diese Weise kann der ohnehin notwendige Anschlußblock dazu verwendet werden, Pulsationen im Kältemittel auf der Saugseite zu dämpfen, indem Volumen und Geometrie der Dämpfungskammer geeignet angepaßt werden. Wenn sich die Dämpfungskammer des einen Anschlußblocks hinsichtlich Geometrie und Volumen von der Dämpfungskammer des anderen Anschlußblocks unterscheidet, können Pulsationen mit unterschiedlichen Frequenzen geeignet gedämpft werden.
Die Erfindung betrifft auch eine Klimaanlage mit einem Kompressor, einem Kondensator, einem externen Wärmetauscher und einem internen Wärmetauscher, wie vorstehend beschrieben. Hinsichtlich der Vorteile dieser Klimmanlage, insbesondere in Bezug auf den Wirkungsgrad und die Geräuschentwicklung, wird auf die oben dargestellten Vorteile verwiesen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Ausführungsform beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. In diesen zeigen:
1 schematisch eine Klimaanlage mit einem erfindungsgemäßen internen Wärmetauscher;
2 einen Schnitt durch den internen Wärmetauscher; und
3 in einer Schnittansicht ein Ende des internen Wärmetauschers.
In 1 ist schematisch eine Klimaanlage gezeigt, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, die als wesentliche Bauteile einen extern gesteuerten Kompressor 10, einen Kondensator 12, einen Sammler 14, eine Expansionsvorrichtung 16 und einen externen Wärmetauscher 18 aufweist. Zusätzlich ist ein interner Wärmetauscher 20 vorgesehen, durch den das vom Kompressor 10 umgewälzte Kältemittel strömt. Als Kältemittel wird vorzugsweise R134a oder ein ähnliches Kältemittel verwendet, nicht jedoch CO₂. Der interne Wärmetauscher 20 ist so angeordnet, daß er in einer Richtung vom Niederdruck-Kältemittel und der anderen Richtung von Hochdruck-Kältemittel durchströmt wird.
In den 2 und 3 ist der interne Wärmetauscher 20 im Detail dargestellt. Wie in 2 zu sehen ist, weist der interne Wärmetauscher ein Außenrohr 22 auf, welches eine glatte Innen- und Außenfläche aufweist und eine Wandstärke im Bereich von 0,5 bis 2,0 mm hat. Vorzugsweise lieg die Wandstärke im Bereich von 0,8 bis 1,2 mm. Das Außenrohr ist vorzugsweise gezogen.
Koaxial innerhalb des Außenrohres 22 ist ein Innenrohr 24 angeordnet, so daß zwischen dem Außenrohr 22 und dem Innenrohr 24 ein erster Strömungsweg 26 und innerhalb des Innenrohres 24 ein zweiter Strömungsweg 28 abgegrenzt sind. Das Innenrohr 24 ist auf seiner Außenseite mit insgesamt 16 Wärmeleitrippen 30 versehen, die sich in radialer Richtung vom Innenrohr 24 bis unmittelbar zur Innenfläche des Außenrohres 22 erstrecken. Auf diese Weise ist das Innenrohr im Außenrohr mechanisch gehalten und kann im Berstdruck mit entsprechend geringer dimensionierten Wandstärken auskommen.
Auf seiner Innenseite ist das Innenrohr 24 ebenfalls mit insgesamt 16 Wärmeleitrippen 32, 34 versehen, die sich ebenfalls radial erstrecken und jeweils auf demselben Radius angeordnet sind wie die Wärmeleitrippen 30 auf der Außenseite des Innenrohres 24. Die Wärmeleitrippen auf der Innenseite des Innenrohres 24 sind unterschiedlich ausgeführt; sie bestehen aus Wärmeleitrippen 32 eines ersten Typs und Wärmeleitrippen 34 eines zweiten Typs. Die Wärmeleitrippen 32 erstrecken sich dabei weiter zur Mittelachse des Innenrohres 24 hin als die Wärmeleitrippen 34. Die Wärmeleitrippen 32, 34 sind dabei abwechselnd angeordnet. Das Innenrohr hat eine Wandstärke im Bereich von 0,2 bis 1,5 mm, insbesondere im Bereich von 0,3 bis 0,8 mm. Die Wärmeleitrippen 30, 32, 34 haben eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 0,8 mm, insbesondere im Bereich von 0,15 bis 0,5 mm.
Das Innenrohr 24 mit den Wärmeleitrippen 30, 32, 34 wird vorzugsweise durch Extrudieren hergestellt. Besonders vorteilhaft dabei ist, daß die Wärmeleitrippen 32 des ersten Typs im Abstand von der Mittelachse M des Innenrohres 24 enden, so daß ein Extrusionswerkzeug mit einem festen mittigen Kern verwendet werden kann. Dies ermöglicht, das Innenrohr 24 mit den Wärmeleitrippen, trotz der sehr geringen Wandstärken, mit hoher Präzision herzustellen.
In 3 ist ein Anschlußblock 36 zu sehen, der an einem axialen Ende des aus Außenrohr 22 und Innenrohr 24 gebildeten Wärmetauschers angeordnet ist und dazu dient, diesen an den Kältemittelkreislauf anzuschließen. Der Anschlußblock weist dabei einen Niederdruckanschluß 38 auf, der mit dem zweiten Strömungsweg 28 in Inneren des Innenrohres 24 in Verbindung steht, und einen Hochdruckanschluß 40, der mit dem ersten Strömungsweg 26 zwischen Außenrohr 22 und Innenrohr 24 in Verbindung steht. Zwischen dem Niederdruckanschluß 38 und dem Innenrohr 24 ist eine Dämpfungskammer 42 im Anschlußblock 36 ausgebildet, die auf der Saugseite des Kompressors als Dämpfer dient, der Druckpulsationen auf der Saugseite und die damit zusammenhängenden Geräusche dämpft. Die Dämpfungskammer 42 ist dabei hinsichtlich Volumen und Geometrie an die zu dämpfenden Frequenzen angepaßt. Eine entsprechende Dämpfungskammer ist auch im zweiten, hier nicht dargestellten Anschlußblock 36 vorgesehen. Volumen und Geometrie der dort vorgesehenen Dämpfungskammer können sich von Geometrie und Volumen der Dämpfungskammer 42 im Anschlußblock 36 unterscheiden, um Druckpulsationen in einem anderen Dämpfungsbereich dämpfen zu können. Auf diese Weise kann beispielsweise ein gezielte Dämpfung im Bereich der Eigenfrequenz des externen Wärmetauschers einerseits und im Bereich der Eigenfrequenz des internen Wärmetauschers andererseits bewirkt werden. Auch die Kammer zwischen dem Hochdruckanschluß 40 und dem Eingang zum ersten Strömungsweg 26 könnte hinsichtlich Volumen und Geometrie so ausgestaltet werden, daß sie als Dämpfungskammer wirkt.
Der beschriebene Wärmetauscher hat die folgenden Vorteile: Durch die im ersten Strömungsweg 26 angeordneten Wärmeleitrippen 30 und die im zweiten Strömungsweg 28 angeordneten Wärmeleitrippen 32, 34 kann der hydraulische Durchmesser der beiden Strömungswege auf der Hochdruckseite und der Niederdruckseite verringert werden. Ein geringer hydraulischer Durchmesser gewährleistet eine gute Wärmeübertragung. Gleichzeitig kann ein großer Strömungsdurchmesser im zweiten Strömungsweg 28 aufrechterhalten werden, der für einen geringen Druckverlust auf der Saugseite sorgt. Dies ist wichtig, da Druckverluste auf der Saugseite sich besonders stark auf den Gesamtwirkungsgrad der Klimaanlage auswirken. Die Geometrie der Wärmeleitrippen 32 ermöglicht, ein Extrusionswerkzeug mit einem starren einstückigen und dadurch sehr stabilen Innenkern zu verwenden, so daß die Wärmeleitrippen trotz einer sehr geringen Wandstärke mit hoher Genauigkeit gefertigt werden können. Aufgrund der Verwendung von Wärmeleitrippen auf der Innenseite und der Außenseite des Innenrohres ergibt sich ein interner Wärmetauscher, der bei geringem Volumen und geringem Gewicht eine große Wärmeübertragungsfläche aufweist. Dabei können die Wärmeleitrippen allein im Hinblick auf die Wärmeübertragung ausgelegt werden, da sie zur mechanischen Stabilität nicht beitragen. Damit das Innenrohr 24 mit einer möglichst geringen Wandstärke ausgeführt werden kann, ist vorgesehen, daß der Hochdruck-Strömungsweg außerhalb des Innenrohres liegt. Schließlich ist es durch die geeignete Gestaltung der Anschlußblöcke sehr einfach und ohne wesentlichen zusätzlichen Bauraum möglich, Dämpfungskammern zu integrieren.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004003325 A1 [0002]

Claims

Interner Wärmetauscher (20) für eine Klimaanlage, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Außenrohr (22) und einem innerhalb des Außenrohres (22) angeordneten Innenrohr (24), das auf seiner Außenseite und auf seiner Innenseite mit Wärmeleitrippen (30, 32, 34) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitrippen (32, 34) auf der Innenseite des Innenrohres in einem Abstand von der Mittelachse (M) des Innenrohres (24) enden.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (24) auf seiner Innenseite einen ersten und einen zweiten Typ von Wärmeleitrippen (32, 34) aufweist, wobei die Wärmeleitrippen (32) des ersten Typs sich weiter zur Mittelachse (M) des Innenrohres (24) erstrecken als die Wärmeleitrippen (34) des zweiten Typs.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitrippen (32) des ersten Typs sich mit den Wärmeleitrippen (34) des zweiten Typs abwechseln.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitrippen (30) auf der Außenseite des Innenrohres (24) auf demselben Radius angeordnet sind wie die Wärmeleitrippen (32, 34) auf der Innenseite.
Wärmetauscher nach einem Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitrippen (30) auf der Außenseite des Innenrohres (24) identisch sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (24) eine Wandstärke im Bereich von 0,2 bis 1,5 mm hat, insbesondere im Bereich von 0,3 bis 0,8 mm.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Außenrohr (22) eine Wandstärke im Bereich von 0,5 bis 2,0 mm hat, insbesondere im Bereich von 0,8 bis 1,2 mm.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitrippen (30, 32, 34) eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 0,8 mm haben, insbesondere im Bereich von 0,15 bis 0,5 mm.
Wärmetauscher insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Seite ein Anschlußblock (36) vorgesehen ist, der mit einem Hochdruckanschluß (40) und einem Niederdruckanschluß (38) versehen ist, wobei mindestens einer der Anschlüsse zu einer Dämpfungskammer (42) führt, die im Anschlußblock (36) ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (24) mit den Wärmeleitrippen (30, 32, 34) extrudiert ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (24) aus einer Aluminiumlegierung besteht.
Klimaanlage mit einem Kompressor (10), einem Kondensator (12), einem externen Wärmetauscher (18), einem sich von CO₂ unterscheidenden Kältemittel, insbesondere R134a, und einem internen Wärmetauscher (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Klimaanlage nach Anspruch 12 mit einem internen Wärmetauscher (20) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungskammer (42) saugseitig des Kompressors (10) angeordnet ist.
Klimaanlage nach Anspruch 12 mit einem internen Wärmetauscher (20) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschlußblock eine Dämpfungskammer (42) auf der Eintritts- und der Austrittsseite des internen Wärmetauschers ausgebildet ist, wobei die beiden Dämpfungskammern unterschiedliche Formen und/oder Innenvolumina haben, so daß zwei unterschiedliche Eigenfrequenzen (Verdichterpulsationsgeräusch) optimal gedämpft werden können.