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Die
Erfindung betrifft eine integrierte, einen Sammler und einen inneren
Wärmeübertrager umfassende Baueinheit nach dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung
der Baueinheit nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 10.
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Integrierte
Baueinheiten, die einen Sammler und einen inneren Wärmeübertrager
für einen Kältemittelkreislauf umfassen, sind
bekannt, insbesondere bei CO2-Klimaanlagen.
Dabei hat der Sammler, welcher in Strömungsrichtung hinter
einem Verdampfer des Kältemittelkreislaufes angeordnet
ist, die Aufgabe, die flüssige und gasförmige
Phase des Kältemitteldampfes voneinander zu separieren
und darüber hinaus als Kältemittelspeicher zu
fungieren. Der innere Wärmeübertrager, der in
Strömungsrichtung hinter einem Gaskühler des Kältemittelkreislaufes angeordnet
ist, stellt eine thermische Koppelung der Hochdruckseite (Gaskühler)
und der Niederdruckseite (Verdampfer) dar und ermöglicht
somit eine Wärmeübertragung von der warmen zur
kalten Kältemittelseite.
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Für
die integrierte Baueinheit, auch Kombieinheit genannt, sind verschiedene
Bauweisen bekannt, z. B. durch die
DE 10 2006 031 197 A1 ,
wobei der innere Wärmeübertrager durch ein Glatt-
oder auch Rippenrohr (Hochdruckrohr) gebildet wird, welches in einem
Ringspalt zwischen äußerem Gehäusemantel
und innerem Sammelbehälter angeordnet ist.
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Durch
die
DE 10 2006
017 432 A1 wurde ein ähnliches wendelförmiges
Rippenrohr für das unter Hochdruck stehende Kältemittel
bekannt. Bei diesen bekannten Bauarten liegen also nicht das Rohr,
sondern die das Rohr umschließenden Rippen am inneren und äußeren
Zylinder der Baueinheit an.
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Durch
die
DE 102 61 886
A1 wurde eine integrierte Baueinheit für eine
CO
2-Klimaanlage bekannt, wobei ein äußerer
Gehäusezylinder und ein innerer Sammlerzylinder einen Ringspalt
bilden, in welchem eine Rohrwendel mit radialem Abstand zu den Zylinderwänden
angeordnet ist. Der Niederduck-Kältemitteldampf kann somit
zwischen der Rohrwendel und den Zylinderwandungen hindurchströmen.
Für eine vergleichbare Leistung muss die Rohrwendel (Hochdruckrohr)
länger ausgebildet sein, was die Kosten erhöht.
Der Wärmeübergang zwischen Hochdruck- und Niederdruckkältemittel
ist nicht optimal. Darüber hinaus besteht der Nachteil,
dass, insbesondere beim Fahrbetrieb in einem Kraftfahrzeug die Rohrwendel
aufgrund von Schwingungen an die innere oder äußere
Zylinderwand anschlagen kann, was zu unangenehmen Geräuschen
(Klingeln) und zu einem vorzeitigen Verschleiß führt.
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Durch
die
DE 199 08 833
A1 der Anmelderin wurde eine integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit
bekannt, bei welcher ein als Rohrwendel ausgebildetes Hochdruckrohr
in einem Ringspalt zwischen einer Sammelbehälteraußenwand
und einer Sammlergehäuseinnenwand angeordnet ist und sowohl
an der Innen- als auch an der Außenwand fluiddicht anliegt.
Dadurch wird ein wendelförmiger Kanal geschaffen, durch
welchen das Niederdruckkältemittel im Gegenstrom zum Hochdruckkältemittel
in der Rohrwendel strömt. Problematisch bei dieser Bauweise
ist die Einbringung der Rohrwendel in den Ringspalt zwischen beiden
Zylinderwänden. Beim axialen Einschieben der Rohrwendel
in den Ringspalt besteht die Gefahr, dass die Rohrwendel an den
Zylinderwänden ankratzt und dabei Späne gebildet
werden können, was für den Kältemittelkreislauf
sehr schädlich wäre.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine integrierte Baueinheit der eingangs
genannten Art derart zu gestalten, dass eine kompakte, betriebssichere
Bau weise zu niedrigen Kosten und mit einem hohen Wirkungsgrad für
den inneren Wärmeübertrager erzielt wird. Es ist
auch Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung der Baueinheit
bereitzustellen, welches eine einfache, fertigungstechnisch beherrschbare,
kostengünstige Montage der Baueinheit erlaubt.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruches
1 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass die Rohrwendel mit der Innen- und Außenwand, welche
den Ringspalt bilden, eine kraftschlüssige Verbindung bildet. Die
Rohrwendel liegt somit sowohl innen als auch außen kraftschlüssig
an den Zylinderwänden an und bildet mit diesen einen Presssitz.
Damit ist die Rohrwendel gegenüber den beiden Zylindern
von Gehäusemantel und Sammler kraftschlüssig fixiert.
Der Kraftschluss wird durch Radialkräfte bewirkt, welche aus
einer elastischen Zugspannung des Gehäusemantels und einer
Druckspannung der Sammlerwand resultieren. Durch die kraftschlüssige
Anlage der Rohrwendel wird ein definierter wendelförmiger Strömungskanal
zwischen den Windungen der Rohrwendel gebildet, sodass sich ein
guter Wirkungsgrad für den inneren Wärmeübertrager
ergibt. Darüber hinaus werden Klingelgeräusche
und Verschleißerscheinungen sicher vermieden. Zusätzliche
konstruktive Hilfsmittel, beispielsweise zur Fixierung des Sammelbehälters
sind überflüssig. Die Konstruktion wird leichter
und einfacher.
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Nach
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Kraftschluss
zwischen Rohrwendel und den Zylinderwänden durch eine plastische
Verformung der Rohrwendel erreicht, d. h. durch eine Verformung,
welcher außerhalb des elastischen Bereiches des Werkstoffes
der Rohrwendel liegt und keiner Rückverformung unterliegt.
Damit wird ein dauerhafter Kraftschluss, verbunden mit einer Kaltverfestigung
des Rohrmaterials, erreicht.
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Bevorzugt
ist der Sammler aus einem Kunststoffmaterial, insbesondere einem
Polyamid mit der handelsüblichen Bezeichnung PA66 hergestellt.
Damit werden einerseits Kosten eingespart, und andererseits wird
ein zu starker Wärmeeintrag vom Hochdruckrohr bzw. der
Rohrwendel in den Innenraum des Sammlers, wo sich flüssiges,
gespeichertes Kältemittel befindet, verhin dert. Ein unzulässiger
Wärmeeintrag würde zu einem Aufschäumen
des Kältemittels und zu einer unerwünschten Veränderung
des Dampfgehaltes auf der Niederdruckausdruckseite führen.
Alternativ kann der Sammler auch doppelwandig ausgebildet sein,
z. B. mit einem metallischen Zylinder, welcher durch einen inneren
oder äußeren Kunststoffzylinder oder eine sonstige
Isolierschicht thermisch isoliert ist.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann statt des
kreisförmigen Rohrquerschnittes für die Rohrwendel
ein profilierter Rohrquerschnitt verwendet werden, z. B. ein auf
der Außenseite profiliertes extrudiertes Rohr. Das Profil
auf der Außenseite kann rechteckförmig, zahnförmig, wellenförmig
oder dreieckförmig ausgebildet sein. Der damit erzielte
Vorteil besteht darin, dass die Anlagefläche des Hochdruckrohres
am Innenzylinder (dem Sammelbehälter) und damit der Wärmeübergang
reduziert werden. Um diesen Effekt zu steigern, kann das Rohr auch
mit einem asymmetrischen Profil versehen werden, wodurch am Innenzylinder
eine minimale Anlage und am Außenzylinder (Gehäusemantel)
eine vergrößerte Anlagefläche erreicht
wird. Darüber hinaus kann das Außenprofil des
Hochdruckrohres derart ausgebildet sein, dass zwischen den Rohrwindungen
ein konstanter Abstand eingehalten wird.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Rohrwendel
Rohrenden auf, welche durch einen Deckel und/oder einen Boden der
Baueinheit geführt und in den Deckel bzw. den Boden eingewalzt
oder einrolliert sind. Damit wird der Vorteil einer wärmeeintragsfreien
fluiddichten, insbesondere gasdichten Verbindung zwischen Rohrwendel
und dem Gehäuse der Baueinheit erreicht. Darüber
hinaus ergibt sich der Vorteil, dass durch das Einwalzen, d. h.
eine plastische Umformung des Rohrmaterials eine Fixierung der Rohrwendel
erreicht wird. Im Hinblick auf bekannte Löt- und Schweißverbindungen
ist das Einwalzen infolge des fehlenden Wärmeeintrags insbesondere
dann von Vorteil, wenn sich in der Baueinheit oder an der Baueinheit
Kunststoffteile befinden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Öffnungen in
Boden und Deckel Hinterschneidungen, z. B. Ringnuten oder ein Gewinde
oder einen Absatz aufweisen. Dadurch kann das Rohrmaterial beim
Einwalzen oder Einrollieren in die Vertiefungen hineinverdrängt werden,
so dass sich zusätzlich zum Kraftschluss auch ein Formschluss
ergibt. Dadurch kann die Verbindung in axialer Richtung stärker
belastet werden, d. h. die Auszugskraft für das Rohr wird
vergrößert.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind zwischen
dem Boden des Sammlers (dem Zwischenboden) und dem Boden der Baueinheit
Abstandshalter angeordnet, welche als ausgeprägte Noppen
oder als Federelement ausgebildet sein können. Damit wird
eine Durchflussmöglichkeit für den Niederdruck-Kältemitteldampf
unterhalb des Sammelbehälters sichergestellt, sodass das
Kältemittel auf der Niederdruckseite abgesaugt werden kann.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist im Boden
der Baueinheit eine umlaufende Ringnut ausgebildet, in dem die Abstandshalter
eingreifen. Somit wird eine Zentrierung bei gleichzeitiger freier
Drehbarkeit des Sammlers in Relation zum Boden der Baueinheit gewährleistet.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird auch durch die Merkmale des Anspruches
10 gelöst, wobei erfindungsgemäß folgende
Verfahrensschritte vorgesehen sind: zunächst wird die Rohrwendel
mit radialem Spiel in den Ringspalt eingesetzt und anschließend radial
gegen die Innen- und Außenwand aufgeweitet. Damit wird
der Vorteil erzielt, dass beim Einsetzen der Rohrwendel keinerlei
Materialberührung, d. h. keine Spanbildung und kein Kratzen
stattfinden, vielmehr bleiben die zu montierenden Teile auf ihrer Oberfläche
sauber. Durch die Aufweitung wird eine kraftschlüssige
und fluiddichte Verbindung zwischen Rohrwendel und Zylinderwänden
erzielt und ein wendelförmiger Strömungskanal
gebildet.
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Nach
einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt die Aufweitung
mittels eines kompressiblen oder inkompressiblen Druckmediums, welches
in die Rohrwendel eingefüllt und unter Druck gesetzt wird. Die
Rohrwendel wird mit einem Innendruck, dem so genannten Aufweitdruck,
beaufschlagt, welcher zu einer Aufweitung des Rohrquerschnittes
und damit zu einer Anlage an den Zylinderwänden des Ringspaltes
führt. Der Aufweitdruck wird in Abhängigkeit vom
Material (Streckgrenze), von der Geometrie des Rohrquerschnit tes
und der Rohrwandstärke derart gewählt, dass sich
ein hinreichender Kraftschluss bzw. Presssitz ergibt.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung wird der Aufweitdruck in Abhängigkeit
vom Berstdruck gewählt, auf den die Rohrwendel im Hinblick
auf den Betriebsdruck ausgelegt ist. Der Berstdruck beträgt etwa
das 1,1- bis 1,5-fache des Aufweitdruckes. Bevorzugt ist ein möglichst
großes Verhältnis zwischen Berst- und Aufweitdruck,
d. h. ein möglichst niedriger Aufweitdruck. Das erfindungsgemäße
Aufweitverfahren für die Rohrwendel lässt sich
fertigungstechnisch problemlos durchführen, insbesondere,
wenn ein nicht kompressibles Medium wie Wasser oder Öl
als Druckmedium verwendet wird.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Rohrquerschnitt
der Rohrwendel – vor dem Einsetzen in den Ringspalt und
vor dem Aufweiten – in radialer Richtung, d. h. in Ebenen senkrecht
zur Wickelachse der Rohrwendel durch Umformung verkürzt:
es findet ein so genannter Planiervorgang statt, durch welchen der
Rohrquerschnitt abgeplattet, planiert, ovalisiert oder in einen
elliptischen Querschnitt umgeformt wird. Dieser Planiervorgang ergibt
den Vorteil, dass sich das Rohr einerseits leicht, d. h. mit radialem
Spiel in den Ringspalt einsetzen lässt und dass der Rohrquerschnitt
beim Aufweiten in eine vorbestimmte Richtung verformt wird, z. B.
nach außen oder nach innen oder nach beiden Seiten gleich
oder unterschiedlich. Damit wird ein unkontrolliertes Aufweiten
der Rohrwendel vermieden und eine gezielte Anlage der Rohrwendel
am Innen- und Außenzylinder erreicht.
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Nach
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann anstelle
eines Rohres mit Kreisquerschnitt (so genanntes Rundrohr) auch ein
profiliertes, vorzugsweise extrudiertes Rohr für das erfindungsgemäße
Verfahren, d. h. den Aufweitprozess verwendet werden. Damit ergeben
sich die oben bereits genannten Vorteile, u. a. eine geringere Anlagefläche am
Innenzylinder, d. h. der Wand des Sammlers, wodurch der Wärmeeintrag
behindert wird.
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Nach
einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform werden
die Rohrenden der Rohrwendel – vor dem Aufweiten der Rohrwendel – in
den Deckel und/oder den Boden der Baueinheit eingewalzt oder einrolliert.
Damit ergibt sich – wie bereits oben erwähnt – einerseits
eine fluiddichte und feste Verbindung der Rohrenden mit dem Gehäuse
der Baueinheit. Andererseits wird die Rohrwendel vor dem Aufweitprozess
innerhalb des Gehäuses der Baueinheit fixiert und positioniert.
Für den anschließenden Aufweitprozess sind daher
keine weiteren Fixier- oder Positionierungsmaßnahmen erforderlich. Damit
ergibt sich der Vorteil einer einfachen, sicheren Montage und Befestigung
der Rohrwendel in der Baueinheit.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung, weitere Merkmale, insbesondere Bemessungs- und Dimensionierungsangaben
sowie weitere Vorteile ergeben sich aus der Zeichnung und der nachfolgenden
Beschreibung. Es zeigen
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1 eine
erfindungsgemäße integrierte Baueinheit mit Sammler
und innerem Wärmeübertrager,
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2 den
Sammler gemäß 1 als Baugruppe,
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3a einen
Rundrohrquerschnitt für eine Rohrwendel,
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3b einen
elliptischen, planierten Rohrquerschnitt vor dem Aufweiten,
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3c einen
einseitig abgeplatteten planierten Rohrquerschnitt vor dem aufweiten,
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3d einen
ovalisierten, planierten Rohrquerschnitt vor dem Aufweiten,
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4 einen
elliptischen Querschnitt mit einer kleinen Halbachse d und einer
Ringsspaltweite S,
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5 einen
Rundrohrquerschnitt mit dem Durchmesser D und einen planierten elliptischen Rohrquerschnitt
mit kleiner Halbachse d,
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6, 6a ein profiliertes Rohr mit Stegen auf
dem Umfang,
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7 einen
Rundrohrquerschnitt mit einer Wandstärke w und einem planierten
Rohrquerschnitt mit einer kleinen Halbachse d (Planierhöhe),
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8a, 8b, 8c verschiedene
Ausführungsformen zur Isolierung des Sammlers,
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9, 10, 11, 12 verschiedene
Ausführungsformen von profilierten Rohrquerschnitten und
deren Anordnung im Ringspalt,
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13, 14, 15, 16 verschiedene
Ausführungsformen für das Einwalzen von Rohrenden
in einen Deckel,
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17, 18 und 19 verschiedene Ausführungsformen
für Abstandshalter zwischen Behälter- und Gehäuseboden.
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1 zeigt – in
einem Halbschnitt – eine integrierte Baueinheit 1 als
Komponente eines nicht dargestellten Kältemittelkreislaufes
für eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges, wobei als Kältemittel
bevorzugt CO2, auch unter der Bezeichnung
R744 bekannt, verwendet wird. Die integrierte Baueinheit 1 stellt
eine Kombination eines Kältemittelsammlers 2, auch
kurz Sammler 2 oder Sammelbehälter 2 genannt,
und eines inneren Wärmeübertragers 3 dar, welcher
eine Rohrwendel 4 mit einem eintrittsseitigen Rohrende 4a und
einem austrittsseitigen Rohrende 4b umfasst. Die Baueinheit 1 weist
ein Gehäuse 5 auf, welches einen zylindrischen
Gehäusemantel 5a, einen Boden 5b und
einen Deckel 5c umfasst. Innerhalb des Gehäusemantels 5a ist
der Sammler 2 mit einem zylindrischen Behältermantel 2a koaxial
unter Bildung eines Ringspaltes 6 angeordnet. Die Rohrwendel 4 ist
in dem Ringspalt 6 angeordnet und bildet jeweils mit der
Innenwand des Gehäusemantels 5a und der Außenwand
des Behältermantels 2a eine kraftschlüssige
Verbindung, d. h. einen Presssitz, der eine Fixierung der Teile 2, 4, 5a gegeneinander
bewirkt. Durch diese Anordnung entsteht zwischen den Windungen der
Rohrwendel 4 ein wendelförmiger Strömungskanal 7,
begrenzt durch die Außenwandungen der Rohrwendel 4,
die Innenwandung des Gehäusemantels 5a und die
Außenwandung des Behältermantels 2a.
Die Rohrwendel 4 wird auch als Hochdruckrohr bezeichnet.
Im Sammler 2 ist ein etwa U-förmig ausgebildetes
Saugrohr 8 angeordnet, welches einen Rohrbogen 8a mit
einem daran befestigten Ölfilter 9 aufweist, dessen
Funktion aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt ist.
Der Gehäuseboden 5b und der Gehäusedeckel 5c,
die vorzugsweise mit dem Gehäusemantel 5a verschweißt
sind, weisen vier Durchgangsbohrungen 10, 11 für
den Hochdruckeinlass und Hochdruckauslass des Kältemittels
sowie 12, 13 für den Niederdruckeinlass
und Niederdruckauslass des Kältemittels auf. Über
die Durchgangsbohrungen 10, 11, 12, 13 wird
die Baueinheit 1 an den nicht dargestellten Kältemittelkreislauf
angeschlossen, wobei sich der hochdruckeinlass 10 stromabwärts
von einem nicht dargestellten Gaskühler und der Niederdruckeinlass 12 stromabwärts
von einem nicht dargestellten Verdampfer des Kältemittelkreislaufes
bzw. der zugehörigen Klimaanlage befindet.
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Die
Rohrenden 4a, 4b sind teilweise in die Durchgangsbohrungen 10, 11 eingesetzt
und in den Boden 5b sowie in den Deckel 5c eingewalzt
oder einrolliert. Durch dieses an sich bekannte Fügeverfahren
des Einwalzens (mit einem Walz- oder Rollierwerkzeug) wird eine
fluid-, insbesondere gasdichte Verbindung der Rohrenden 4a, 4b gegenüber
Boden 5b und Deckel 5c erreicht. Gleichzeitig
erfolgt eine axiale Fixierung der Rohrwendel 4. In der
Durchgangsbohrung 12 ist im unteren Teil ein Rohrabschnitt 8b eingepresst
oder auch eingewalzt. Wie anhand der folgenden Figur erläutert
wird, kommuniziert der Rohrabschnitt 8b des Niederdruckeinlasses 12 mit
dem Inneren des Behälters 2.
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2 zeigt
den Behälter 2, auch Sammler oder Sammelbehälter
genannt, als einzelne Baugruppe, wobei für gleiche Teile
gleiche Bezugszahlen wir in 1 verwendet
werden. Der Behälter 2 ist vorzugsweise aus Kunststoff
hergestellt, beispielsweise PA66, und weist neben dem zylindrischen
Behältermantel 2a und dem Boden 2b einen
Deckel 2c auf, welcher zwei Öffnungen für
den Durchtritt eines Austrittsendes 8c des Saugrohres 8 und
des Rohrabschnittes 8b aufweist, welcher mit dem Deckel 2c verbunden
ist. Das Saugrohr 8 weist ein Eintrittsende 8d auf,
welches in einen Gasfilter 14 mündet. Ferner ist
im obersten Bereich des Behälters 2, unmittelbar unterhalb
des eintrittsseitigen Rohrabschnittes 8b, ein Flüssigkeitsabscheider 15 angeordnet.
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Die
Funktion einer integrierten Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit
ist grundsätzlich aus dem eingangs genannten Stand der
Technik bekannt, dennoch soll die Arbeitsweise der in den 1 und 2 dargestellten
integrierten Baueinheit 1 im Folgenden kurz beschrieben
werden: Das unter Hochdruck stehende Kältemittel, vorzugsweise
CO2, tritt beim Hochdruckeinlass 10 in
die Baueinheit 1 ein, durchströmt die Rohrwendel 4 (das
Hochdruckrohr) von unten nach oben und tritt über den Hochdruckauslass 11 wieder
aus der Baueinheit 1 aus. Das unter Niederdruck stehende
Kältemittel tritt beim Niederdruckeinlass 12 in
die Baueinheit 1 ein, strömt durch den Rohrabschnitt 8b in
das Innere des Sammelbehälters 2, wo es auf den
Flüssigkeitsabscheider 15 trifft und diesen zunächst
radial nach außen und anschließend in axialer
und tangentialer Richtung umströmt. Der Flüssigkeits abscheider 15 ist
Gegenstand einer zeitgleichen Anmeldung der Anmelderin. Im Inneren
des Behälters 2 wird flüssiges von gasförmigem
Kältemittel getrennt: das flüssige Kältemittel
sammelt sich am Boden 2b, das gasförmige Kältemittel
tritt durch den Gasfilter 14 in das Saugrohr 8 ein,
aus dem es über das Austrittsende 8c wieder austritt.
Außerhalb des Deckels 2c des Behälters 2 strömt
der Niederdruck-Kältemitteldampf radial nach außen
und tritt in den wendelförmigen Strömungskanal 7 zwischen
den Windungen der Rohrwendel 4 ein und durchströmt
den Strömungskanal 7 – von oben nach
unten – im Gegenstrom zu dem Hochdruckkältemittel
in der Rohrwendel 4. Nach dem Austritt aus dem wendelförmigen
Strömungskanal 7 strömt der Niederdruck-Kältemitteldampf
unter dem Boden 2b hindurch, von wo er über den
Niederdruckauslass 13 abgesaugt wird.
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Der
Aufweitvorgang der Rohrwendel 4 soll anhand der 3a bis 3d erläutert
werden.
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3a zeigt
einen kreisförmigen Rohrquerschnitt 16 einer Rohrwendel,
welche in einem durch zwei Zylinderwandungen 18, 19 gebildeten
Ringspalt 17 angeordnet ist. Bei einer Beaufschlagung des kreisförmigen
Rohrquerschnittes 16 mit einem Innendruck pi würde
sich der Rohrquerschnitt (im Idealfall) gleichmäßig
radial aufweiten und dabei auch zur Anlage an den beiden Zylinderwänden 18, 19 kommen. Wegen
toleranzbedingter Abweichungen der Rohrwandstärke kann
es jedoch teilweise zu unkontrollierten Aufweitungen kommen.
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3b zeigt
einen elliptischen Rohrquerschnitt 20, welcher mit Spiel
im Ringspalt 17 angeordnet ist. Der elliptische Rohrquerschnitt 20 ist
durch Umformung, einen so genannten Planiervorgang, aus einem kreisförmigen
Rohrquerschnitt hergestellt. Bei einer Beaufschlagung des elliptischen
Rohrquerschnittes 20 mit einem Innendruck pi,
dem Aufweitdruck, wird sich der Rohrquerschnitt in Richtung der kleinen
Achse vergrößern und in Richtung der großen
Achse verkleinern. Damit wird eine definierte Aufweitrichtung, senkrecht
zu den zylindrischen Wandungen 18, 19, für
die Rohrwendel erreicht. Darüber hinaus ist der Aufweitdruck
für den elliptischen Querschnitt 20 geringer als
für den kreisförmigen Querschnitt 16 (3a).
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3c zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines planierten Rohrquerschnittes 21,
welcher eine abgeplattete, parallel zur äußeren
Zylinderwand 19 verlaufende Seite 21a aufweist.
Wenn der Rohrquerschnitt 21 mit dem Innen- oder Aufweitdruck
pi beaufschlagt wird, wird zunächst
die flache Seite 21a ausgebeult werden, wodurch wiederum
eine in radialer Richtung definierte Aufweitung des Rohrquerschnittes 21 erzielt
wird.
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3d zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel, nämlich einen
ovalen Querschnitt 22, welcher durch Umformung aus einem
kreisförmigen Rohrquerschnitt hergestellt wurde und hier
vor dem Aufweiten mit Spiel im Ringspalt 17 angeordnet
ist. Bei Innendruckbeaufschlagung werden sich auch hier die flachen
Seiten 22a, 22b zunächst ausbeulen, während
die Länge des Ovals verkürzt wird. Somit wird
auch hier eine definierte Anlage an den Zylinderwänden 18, 19 durch
Aufweiten erreicht. Der Umformvorgang bzw. das so genannte Planieren
kann durch ein entsprechend geformtes Walzenpaar durchgeführt
werden, und zwar unmittelbar vor dem Wickeln der Rohrwendel.
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4 zeigt
eine Vermaßung des elliptischen Querschnittes 20 (vgl. 3b)
und des Ringspaltes 17 mit den Zylinderwänden 17, 18.
Die kleine Achse der Ellipse 20 ist mit d und die Spaltweite
des Ringspaltes 17 mit S angegeben. Das Maß d
wird auch als Planierhöhe bezeichnet, d. h. als das Maß,
auf welches der Ausgangsquerschnitt zusammengedrückt wird.
Ein bevorzugtes Verhältnis von Spaltbreite S zu Planierhöhe
d liegt im Bereich von 1,05 bis 1,15.
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5 zeigt
einen kreisförmigen Ausgangsrohrquerschnitt mit dem Durchmesser
D und einen planierten elliptischen Querschnitt mit der kleinen Achse
bzw. der Planierhöhe d. Ein für das Planieren und
den Aufweitvorgang bevorzugtes Verhältnis des Rohrdurchmesser
D zur Planierhöhe d liegt im Bereich von 1,10 bis 1,25.
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6 zeigt
ein profiliertes Rohr 23, welches auf seinem Umfang in
Rohrlängsrichtung verlaufende Stege oder Rippen 23a aufweist.
Das profilierte Rohr 23 kann vorzugsweise durch Extrusion
hergestellt werden.
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In 6a ist als Einzelheit die Wandstärke
w und die Steghöhe s (radiale Erstreckung) der Stege 23a dargestellt.
Ein bevorzugtes Verhältnis von Steghöhe s zur
Wandstärke w liegt im Bereich von 1,30 bis 1,60.
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7 zeigt
die Wandstärke w eines kreisförmigen Rohrquerschnittes
und die Planierhöhe d eines elliptischen Rohrquerschnittes.
Bevorzugte Verhältnisse für die Planierhöhe
d zur Wandstärke w liegen im Bereich von 6,50 bis 10,50.
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Die 8a, 8b, 8c zeigen
verschiedene Ausführungsformen für die Isolation
eines Behältermantels.
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8a zeigt
einen doppelwandigen zylindrischen Behältermantel 24,
der auf seiner Innenseite eine Isolationsschicht 24a aufweist;
die Außenseite wird durch einen metallischen Zylinder,
z. B. ein Aluminiumrohr gebildet.
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8b zeigt
einen doppelwandigen Behältermantel 25, auf dessen
Außenseite eine Isolationsschicht 25a angeordnet
ist. Die Isolationsschichten 24a oder 25a können
auch Innen- oder Außenzylinder aus einem Kunststoffmaterial
sein, welche in den metallischen oder über den metallischen
Zylinder geschoben werden.
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8c zeigt
einen voll isolierten Behältermantel 26, bei welchem
eine Außenschicht 26a und eine Innenschicht 26b als
Isolationsschichten- oder -Zylinder ausgebildet sind. Wie oben bereits
ausgeführt, soll durch die Isolation des Behältermantels
ein Wärmeeintrag vom warmen Hochdruckrohr in den kalten
Kältemittelsammler, welcher auch flüssiges Kältemittel
enthält, weitestgehend unterbunden werden.
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9 zeigt
einen Querschnitt 27 eines profilierten Rohres für
eine Rohrwendel, welche im Ringspalt 17 zwischen einem
inneren Zylinder 18 und einem äußeren
Zylinder 19 angeordnet ist. Das Profil 27 ist
unsymmetrisch ausgebildet und weist einen spitz auf den Innenzylinder 18 zulaufenden
Steg 27a auf, wodurch die Anlagefläche und damit
die Wärmeleitung reduziert werden. Bei der Aufweitung gräbt sich
die Spitze 27a in die Zylinderwand 18 ein und verbessert
so die Abdichtung.
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10 zeigt
eine weitere Querschnittsform 28 für eine Rohrwendel,
wobei der Rohrquerschnitt auf der Seite zum Innenzylinder 18 unberippt
und auf der Seite zum Außenzylinder 19 mit mehreren
Rippen 28a, 28b versehen ist. Dadurch wird die
Wärmeleitung nach innen zur Zylinderwand 18 reduziert
und zum Außenzylinder 19 hin verstärkt.
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11 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel mit zwei im Ringspalt 17 übereinander
angeordneten profilierten Rohrquerschnitten 29, 30,
wobei die Stege oder Rippen 29a, 30a von benachbarten Rohrwindungen
als Abstandshalter dienen und damit einen definierten Abstand der
Rohrwindungen sicherstellen, insbesondere nach dem Aufweitprozess. Dadurch
werden Strömungskanäle mit einem definierten Querschnitt
und dem zufolge mit einem definierten Druckabfall für das
Strömungsmedium (Niederdruck-Kältemitteldampf)
geschaffen.
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12 zeigt
einen profilierten Rohrquerschnitt 31, der eine Kombination
der Querschnitte 27, 28, 29 (9, 10, 11)
darstellt.
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Wie
oben in der Beschreibung zu 1 erwähnt,
sollen die Rohrenden 4a, 4b der Rohrwendel 4 in
den Boden 5b und den Deckel 5c und der Rohrabschnitt 8b in
den Deckel 5c eingewalzt oder einrolliert werden. Einzelheiten
zu diesem Verfahren sind in den 13 bis 16 dargestellt.
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13 zeigt
einen Deckel 32, vergleichbar mit dem Deckel 5c in 1.
Der Deckel 32 weist eine Durchgangsbohrung 33 auf,
in welche ein Rohrende 34 einer nicht dargestellten Rohrwendel
eingesetzt ist. In die Innenwand der Bohrung 33 ist eine
Ringnut 35 (Hinterschnitt) eingearbeitet, und zwar im Bereich des
eingesteckten Rohrendes 34. Das Rohrende 34 wird
durch Einwalzen mit dem Deckel 32 gasdicht verbunden. Hierfür
wird ein nicht darges telltes Rollier- oder Walzwerkzeug in das Rohrende 34 eingeführt
und drückt das Rohrmaterial mittels kreisender Bewegungen
radial nach außen, was durch einen Doppelpfeil P angedeutet
ist. Dabei fließt das Rohrmaterial auch in die Hinterschnittöffnung 35,
was zu einem verbesserten Sitz und Dichtigkeit führt.
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14 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei zwei Hinterschnittöffnungen
in Form von Ringnuten 36, 37 vorgesehen sind.
Das Rohrmaterial des Rohrendes 34 wird somit in beide Hinterschnittöffnungen 36, 37 verdrängt,
sodass sich eine Verbesserung des Formschlusses und auch der Dichtigkeit ergibt.
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15 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel für das Einwalzen
des Rohrendes 34. Die Wandung der Durchgangsbohrung 33 ist
hier mit einem Gewinde 38 versehen. Beim Einwalzen des
Rohrendes 34, angedeutet durch den Doppelpfeil P, wird
das Rohrmaterial in die Gewinderillen verdrängt, wodurch ein
gewindeähnlicher Formschluss erreicht wird. Vorteilhaft
hierbei ist, dass sich das Gewinde 38 relativ einfach in
die Durchgangsbohrung 33 einbringen lässt.
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16 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel für das Einwalzen
des Rohrendes 34, wobei die Durchgangsbohrung 33 einen
Absatz bzw. eine Verengung 33a aufweist, sodass das Rohrende
zusätzlich in einer Richtung fixiert ist.
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Wie
oben in der Beschreibung zur 1 erwähnt,
sollte unter dem Behälterboden 2b eine Abflussmöglichkeit
für den Kältemitteldampf bestehen. Vorzugsweise
ist zwischen dem Behälterboden 2b und dem Gehäuseboden 5b (vgl. 1)
ein Spalt belassen, welcher durch geeignete Abstandshalter gebildet
werden kann. Die 17, 18 und 19 zeigen
Möglichkeiten für die Ausbildung derartiger Abstandshalter.
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17 zeigt
angedeutet eine Ansicht eines Innenbehälters 39,
der dem Behälter 2 in 1 bzw. 2 entspricht.
Der Innenbehälter 39 weist einen Boden 40 auf,
aus welchem Noppen 40a, 40b, 40c nach
außen ausgeprägt sind, die als Abstandshalter fungieren.
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18 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem ein Gehäuseboden 41 angedeutet ist,
welcher dem Boden 5b in 1 entspricht.
Aus dem Boden 41 sind Noppen 41a, 41b, 41c nach
oben ausgeprägt, welche als Abstandshalter zu dem darüber
liegenden, nicht dargestellten Behälterboden dienen.
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19 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem
ein Boden 42 eines Innenbehälters angedeutet ist,
welcher in seinem Zentrum eine runde Aufnahmeöffnung 43 für
ein Federelement 44 aufweist. Das Federelement 44,
welches als Druckfeder ausgebildet sein kann, wirkt hier als Abstandshalter
zu dem nicht dargestellten Boden des Außenzylinders.
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Im
Folgenden wird das erfindungsgemäße Montage- und
Aufweitverfahren zur Fixierung und Positionierung der Rohrwendel 4 erläutert,
wobei Bezug auf die 1 und 2 genommen
wird. Zunächst werden der Gehäusemantel 5a und
der Gehäuseboden 5b miteinander verbunden. Vor
dem Einsetzen der Rohrwendel 4 in den Gehäusemantel 5a wird
der Rohrquerschnitt der Rohrwendel 4 planiert, wie oben
erläutert. Das Ausgangsmaterial für die Herstellung
der Rohrwendel 4 ist ein Rohr mit kreisförmigem
Querschnitt, vorzugsweise aus einem Aluminiumwerkstoff. Die Rohrwendel 4 wird
durch Wickeln hergestellt, wobei das Planieren auf die erforderliche
Planierhöhe unmittelbar vor dem Wickeln erfolgt. Die Rohrenden 4a, 4b behalten
ihren kreisförmigen Querschnitt und werden in axialer Richtung abgebogen.
Die planierte Rohrwendel 4 wird dann in den Gehäusemantel 5a eingesetzt,
wobei das Rohrende 4a in die Durchgangsbohrung 10 eingesteckt wird.
Dann wird der Sammelbehälter 2, (komplettiert wie
in 2 dargestellt) in die Rohrwendel 4 eingesetzt,
wobei hinreichend radiales Spiel vorhanden ist. Alternativ kann
der Sammelbehälter 2 auch vor dem Einsetzen der
Rohrwendel 4 in den Gehäusemantel 5a eingesetzt
werden. Anschließend wird der Deckel 5c auf den
Gehäusemantel 5a aufgesetzt und befestigt, beispielsweise
durch Verschweißen. Beim Aufsetzen des Deckels 5c wird
das obere Rohrende 4b in die Durchgangsbohrung 11 eingesteckt.
Die Rohren den 4a, 4b werden anschließend
in den Boden 5b und den Deckel 5c eingewalzt,
sodass eine gasdichte und feste Verbindung geschaffen wird. Gleichzeitig ist
die Rohrwendel 4 in axialer Richtung (und auch in Umfangsrichtung)
fixiert. Als nächster Verfahrensschritt erfolgt die Druckbeaufschlagung
der Rohrwendel 4 mit einem Druckmedium, welches über
die Durchgangsbohrungen 10 und/oder 11 zugeführt werden
kann. Durch den Aufweitprozess erfolgt eine Verringerung des Innendurchmessers
und eine Vergrößerung des Außendurchmessers
der Rohrwendel 4 mit der Folge, dass sich diese unter Ausbildung
eines Kraftschlusses an den Behältermantel 2a und den
Gehäusemantel 5a anlegt. Die Aufweitung erfolgt
nach den oben angegebenen Kennzahlen, d. h. der Aufweitdruck, welcher
in der Rohrwendel als Innendruck herrscht, bewirkt eine plastische,
d. h. bleibende Verformung, welche einen dauerhaften Presssitz zur
Folge hat. Die Rohrwendel 4 sitzt somit fest in der Baueinheit 1.
Der Fluidkanal 7 ist somit als durchgehender wendelförmiger
Strömungskanal ausgebildet, sodass eine definierte wendelförmige Strömung
gewährleistet ist. Eine Bypassströmung um die
Rohrwindungen herum findet wegen der fluiddichten Anlage der Rohrwendel 4 nicht
statt. Daraus ergibt sich ein hoher und definierter Wirkungsgrad
für den inneren Wärmeübertrager 3,
welcher durch die metallische Rohrwendel 4, den Gehäusemantel 5a und
den isolierten Behältermantel 2a gebildet wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006031197
A1 [0003]
- - DE 102006017432 A1 [0004]
- - DE 10261886 A1 [0005]
- - DE 19908833 A1 [0006]