DE102011118761A1

DE102011118761A1 - Interner Wärmetauscher für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage

Info

Publication number: DE102011118761A1
Application number: DE102011118761A
Authority: DE
Inventors: Lothar SEYBOLD; Artem SERYI
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2013-05-23
Also published as: US20130139541A1; CN103123230A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage mit zumindest einem Innenrohr (32; 42; 52; 62; 72; 82) und mit einem Außenrohr (30), welches das zumindest eine Innenrohr (32; 42; 52; 62; 72; 82) unter Bildung eines von einem Wärmetauschermedium durchströmbaren Zwischenraums (38) zumindest bereichsweise umschließt, wobei das Innenrohr (32; 42; 52; 62; 72; 82) zumindest bereichsweise zwei gewunden ausgebildete und ineinander geschachtelt angeordnete Rohrabschnitte (35, 36; 45, 46; 55, 56; 65, 67; 75, 77; 85, 86) aufweist.

Description

Beschrieben wird ein Wärmetauscher für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage, welcher insbesondere als interner Wärmetauscher zur Effizienzsteigerung der Klimaanlage ausgebildet ist.
Zur Leistungs- und Effizienzsteigerung von Kraftfahrzeug-Klimaanlagen sind klimaanlagen-interne Wärmetauscher, sogenannte Internal Heat Exchanger (1HX) bekannt, die einen zwischen Verdampfer und Kompressor verlaufenden Abschnitt des Kältemittelkreislaufs thermisch mit einem zwischen Kondensator und Expansionsventil verlaufenden Abschnitt des Kältemittelkreislaufs koppeln. Auf diese Art und Weise kann das vom Verdampfer zum Kompressor strömende, relativ kalte Kältemittel zur (Vor-)Kühlung oder Unterkühlung des der Expansionseinrichtung auf der Hochdruckseite des Kältemittel-Kreislaufs zugeführten und vergleichsweise warmen Kältemittels Verwendung finden.
So beschreibt beispielsweise die DE 10 2005 052 972 A1 ein doppelwandiges Wärmetauscherrohr mit einem Außenrohr und einem Innenrohr, die einen Kanal zwischen sich definieren. Hierbei strömt das Hochdruck-Kältemittel durch den Kanal und das Niederdruck-Kältemittel strömt durch das Innenrohr.
Zur Optimierung der Funktionsweise derartiger Wärmetauscher im Kältemittelkreislauf sind die geometrischen Abmessungen und Formen der Rohre von überwiegender Bedeutung. In einem bestehenden Fahrzeug-Package, welches kaum Spielraum zur individuellen Adaption oder Veränderung der Außenkontur, bzw. Außengeametrie des Wärmetauschers bietet, ist es verhältnismäßig schwierig, derartige Wärmetauscher hinsichtlich ihrer Wärmetauscherkapazität an vorgegebene Anforderungen individuell, etwa fahrzeugtypenspezifisch anzupassen.
Bei einer Ausführungsform wird angestrebt, einen verbesserten Wärmetauscher für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage bereitzustellen, der unter vorgegebenen Außenabmessungen eine vergleichsweise hohe Wärmeaustauschkapazität bereitstellt, und welcher hinsichtlich seiner Wärmeübertragungsleistung möglichst ohne Veränderung seiner Außengeometrie an unterschiedliche Leistungsanforderungen anpassbar ist. Der Wärmetauscher soll ferner zur Substitution bestehender Wärmetauscherkonfigurationen und insbesondere an vorgegebene bzw. bereits bestehende Anschlüsse von Kraftfahrzeug-Klimaanlagen anpassbar sein.
Diese Aufgabe wird mit einem Wärmetauscher gemäß Patentanspruch 1 sowie mit einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage nach Patentanspruch 13, schließlich mit einem Kraftfahrzeug gemäß Patentanspruch 14 gelöst, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jeweils Gegenstand abhängiger Patentansprüche sind.
Der demgemäß vorgesehene Wärmetauscher weist zumindest ein Innenrohr und ein Außenrohr auf, wobei das zumindest eine Innenrohr unter Bildung eines von einem Wärmetauschermedium durchströmbaren Zwischenraums zumindest bereichsweise vom Außenrohr umschlossen ist. Das Innenrohr weist ferner zumindest zwei wenigstens bereichsweise gewunden oder gewendelt ausgebildete sowie ineinander geschachtelt angeordnete Rohrabschnitte auf.
Die Rohrabschnitte können spiralartig oder helixartig, inbesondere schraubenförmig ausgebildet sein und können in einem solchen Fall auch als Spiralrohrabschnitte bezeichnet werden.
Die Rohrabschnitte erstrecken sich bei einer geometrisch einfachen Bauform auf einer gedachten Mantelfläche eines oder mehrerer Zylinder, die bevorzugt im Wesentlichen parallel zum Außenrohr ausgerichtet sind. Die beiden Rohrabschnitte müssen aber nicht zwingend einer Mantelfläche eines gedachten Zylinders folgen, sondern können auch unregelmäßig von einer helixartigen Form abweichende Konturen, etwa ovale oder elliptische geformte sowie ineinander geschachtelte angeordnete Bereiche aufweisen. Insoweit umfasst der hier verwendete Begriff eines gewundenen oder gewendelten Rohrabschnittes auch beliebig geformte Rohrabschnitte, die von einer geometrischen Spiral- oder Helixform bereichsweise abweichen.
Der von Innenrohr und Außenrohr gebildete Zwischenraum sowie das Innenrohr und seine Rohrabschnitte sind hierbei von einem Wärmetauschermedium durchströmbar, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der Zwischenraum zwischen Innenrohr und Außenrohr entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des durch das Innenrohr strömenden Wärmetauschermediums durchströmbar ist. Bei dem Wärmetauschermedium, auch Kältemittel genannt, kann es sich um 2, 3, 3, 3-Tetrafluorpropen bzw. HFO-1234yf oder um Tetrafluorethan bzw. R134a handeln.
Die zumindest bereichsweise gewundene, gebogene, gewendelte, spiralförmige oder helixartige Ausgestaltung zweier Rohrabschnitte ermöglicht es, die Gesamtlänge sowie die Oberfläche des innerhalb des Außenrohrs liegenden Innenrohrs insgesamt zu vergrößern bzw. variabel an unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich einer Wärmetauscherleistung anzupassen. Je nach Windungs- oder Wicklungsdichte der Rohrabschnitte, kann die vom Wärmetauschermedium durchströmbare Rohrlänge der Rohrabschnitte sowie des Innenrohrs variabel verändert werden, wobei die Windungs- oder Wicklungsdichte eine Maß für die Anzahl aufeinanderfolgender Windungen des Rohrabschnitts in Axialrichtung angibt.
Wird zum Beispiel eine vergleichsweise hohe Wärmetauscherleistung gefordert, kann zumindest einer der beiden Rohrabschnitte hinsichtlich seiner durchströmbaren Rohrlänge verlängert, in geometrischer Hinsicht aber in Axialrichtung gestaucht werden, sodass sich insgesamt ein kürzerer axialer Abstand einzelner Windungen und somit eine erhöhte Windungsdichte ergibt. Die Rohrabschnitte sind von Vorteil vollständig vom durch den Zwischenraum zwischen Innenrohr und Außenrohr strömenden Wärmetauschermedium umströmbar.
Durch Vorsehen zumindest zweier ineinander geschachtelt angeordneter Rohrabschnitte kann zur weiteren Steigerung einer Wärmeaustauschleistung oder -kapazität auch ein radial zwischen den Rohrabschnitten liegende Bereich vom durch den Zwischenraum strömenden Wärmetauschermedium umströmt bzw. durchströmt werden. Je nach Ausgestaltung der ineinander geschachtelt angeordneten Rohrabschnitte kann die Wärmetauscherleistung des Wärmetauschers um bis zu 20% und darüber hinaus variiert werden.
Nach einer Ausgestaltung weisen die Rohrabschnitte, insbesondere ein erster und ein zweiter Rohrabschnitt unterschiedliche Krümmungsradien oder Helixdurchmesser auf. Ferner können die Rohrabschnitte unterschiedlichen Krümmungsradius oder Helixdurchmessers konzentrisch zueinander angeordnet sein. So kann zum Beispiel ein erster Rohrabschnitt, in Radialrichtung betrachtet, vollständig innerhalb eines zweiten Rohrabschnitts verlaufen. Bei gleicher oder ähnlicher Wicklungsdichte von erstem und zweitem Rohrabschnitt ergibt sich aufgrund der unterschiedlichen Helixdurchmesser für den radial außenliegenden Rohrabschnitt eine insgesamt etwas erweiterte Rohrlänge.
Sofern beide Rohrabschnitte in etwa gleiche Rohrlängen aufweisen sollen, kann zum Beispiel der innenliegende Rohrabschnitt gegenüber dem Äußeren eine höhere axiale Wicklungsdichte und somit auch eine erhöhte Anzahl von Wicklungen oder Windungen aufweisen.
Indem insbesondere der äußere Rohrabschnitt eine geringere Wicklungs- oder Windungsdichte als der innere Rohrabschnitt aufweist, kann das das Innenrohr umströmende Wärmetauschermedium relativ ungehindert auch in Radialrichtung zum innenliegenden Rohrabschnitt hin und von diesem weg strömen.
Die beiden Rohrabschnitte können zueinander konzentrisch angeordnet und ausgerichtet sein, sodass die Helix- oder Spiralachsen von erstem und zweitem Rohrabschnitt im Wesentlichen überdeckend zueinander zu liegen kommen. Darüber hinaus können die Längsachsen der Rohrabschnitte auch mit einer Längsachse des Außenrohrs zusammenfallen, sodass sich insgesamt ein radialsymmetrischer Aufbau von Außenrohr und Innenrohr bzw. von Außenrohr und den Rohrabschnitten des Innenrohrs ergibt.
Nach einer weiteren Ausgestaltung stehen die Rohrabschnitte, innerhalb des Außenrohrs liegend, in unmittelbarer Fluidverbindung miteinander. Von Vorteil verzweigen oder münden die Rohrabschnitte innerhalb des Außenrohrs, sodass der Wärmetauscher für das Innenrohr lediglich einen Zulauf, respektive einen Ablauf aufweist. Eine derartige Ausgestaltung ist insbesondere für die Anbindung an bestehende Klimaanlagenkomponenten und für die Integration des Wärmetauschers in ein bestehendes Klimaanlagendesign von Bedeutung. Ferner kann hierdurch die Endmontage des Wärmetauschers im Klimaanlagenkreislauf trotz einer intern recht komplexen Rohranordnung vergleichsweise einfach und kostengünstig gehalten werden.
Von Vorteil ist hierbei insbesondere vorgesehen, dass das Innenrohr stromabwärts eines das Außenrohr durchsetzenden Zulaufs in die zumindest zwei Rohrabschnitte verzweigt. Die Verzweigung der Rohrabschnitte liegt hierbei innerhalb des Außenrohrs.
In ähnlicher Art und Weise münden die beiden auseinandergeführten Rohrabschnitte des Innenrohrs stromaufwärts eines das Außenrohr durchsetzenden Ablaufs des Innenrohrs in einer Zusammenführung. Jene Zusammenführung bzw. Mündung der beiden Rohrabschnitte liegt auch hier vollständig innerhalb des Außenrohrs. Insoweit sind trotz mehrerer, innerhalb des Außenrohrs verlaufender Rohrabschnitte lediglich zwei Rohrdurchführungen vorzusehen, an welchen das Innenrohr mit einem einzigen Zulauf sowie mit nur einem einzigen Ablauf die Wandung des Außenrohrs durchsetzt.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist zumindest ein Rohrabschnitt, in Axialrichtung betrachtet, einen sich verändernden Helixdurchmesser auf. So kann insbesondere vorgesehen sein, dass sich der äußere, etwa der zweite Rohrabschnitt, zulauf- oder ablaufseitig von einem vergleichsweise geringen Helixdurchmesser ablauf- oder zulaufseitig bevorzugt kontinuierlich zu einen vergrößerten Helixdurchmesser erweitert. In Axialrichtung betrachtet kann der sich radial erweiternde Rohrabschnitt eine in etwa konische Außengeometrie aufweisen. Ein derartiger konischer Verlauf kann je nach Wicklungs- oder Windungsdichte des betreffenden Rohrabschnitts die Strömungsverhältnisse innerhalb des Außenrohrs gezielt verändern und beeinflussen.
So können insbesondere zwischen dem radial erweiterten äußeren Rohrabschnitt und dem Innenrohr einzelne strömungstechnisch verjüngte Passagen oder Abschnitte bereitgestellt werden, die zum Beispiel eine lokale Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Wärmetauschermediums bedingen. Ferner kann die sich in Axialrichtung variierende Formgebung des zumindest einen Rohrabschnitts eine gezielte Verwirbelung des den Zwischenraum durchströmenden Wärmetauschermediums bewirken oder dies begünstigen.
Ein sich erweiternder oder verjüngender Helixdurchmesser zumindest eines Rohrabschnitts kann sowohl für den außenliegenden, als auch für den innenliegenden Rohrabschnitt vorgesehen werden. Der jeweils andere Rohrabschnitt kann hierbei, bezogen auf die Axialrichtung, einen konstanten oder ebenfalls in Axialrichtung variierenden Helixdurchmesser aufweisen. Auch kann die Wicklungs- und Windungsdichte der einzelnen Rohrabschnitte, je nach geforderten Strömungsverhältnissen und einer geforderten Wärmeaustauschleistung des Wärmetauschers, in Axialrichtung konstant bleiben, oder variieren.
Wenn ein zunächst innerer Rohrabschnitt einen sich in Axialrichtung verändernden Helixdurchmesser aufweist, kann insbesondere auch vorgesehen werden, dass der innere Rohrabschnitt den ihn mantelförmig umgebenden äußeren Rohrabschnitt in Radialrichtung quasi durchsetzt.
Hierbei kann nach einer Weiterbildung ferner vorgesehen werden, dass sich der Helixdurchmesser eines Rohrabschnitts in Axialrichtung vergrößert, während sich der Helixdurchmesser des anderen Rohrabschnitts in Axialrichtung verringert. Die Rohrabschnitte weisen dabei, bezogen auf die Axialrichtung, eine quasi entgegengesetzte oder gegenläufige Geometrie auf. Während sich zum Beispiel ein Rohrabschnitt nahe des Zulaufs des Innenrohrs von einem minimalen Helixdurchmesser zum Ablauf hin auf einen maximalen Spiralrohrdurchmesser vergrößert, kann für den anderen Rohrabschnitt geradezu eine entgegengesetzte Konfiguration vorgesehen werden. Dieser kann zum Beispiel zulaufseitig seinen maximalen Helixdurchmesser und ablaufseitig seinen minimalen Helixdurchmesser aufweisen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung geht der erste Rohrabschnitt über einen Krümmungsabschnitt in den zweiten Rohrabschnitt über, welcher zum ersten Rohrabschnitt gegenläufig angeordnet sein kann. Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass sich der erste Rohrabschnitt über nahezu die gesamte Axialerstreckung des Außenrohrs erstreckt und über den Krümmungsabschnitt in einen entgegengesetzt ausgerichteten zweiten Rohrabschnitt übergeht. Eine derartige Anordnung ermöglicht zum Beispiel den Zulauf und Ablauf für das Innenrohr an ein und derselben Seite des Außenrohrs bzw. des Wärmetauschers vorzusehen.
Sind Zulauf und Ablauf des Innenrohrs hingegen an diametral gegenüberliegenden Endabschnitten des Außenrohrs vorzusehen, kann das Innenrohr nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung einen weiteren, im Wesentlichen geradlinig ausgebildeten Rohrabschnitt aufweisen. Dieser bevorzugt, aber nicht notwendigerweise geradlinig ausgebildete Rohrabschnitt verbindet entweder den Zu- oder Ablauf des Innenrohrs mit dem ersten und/oder mit dem zweiten Rohrabschnitt. Alternativ kann der im Wesentlichen geradlinig ausgebildete Rohrabschnitt den ersten und den zweiten Rohrabschnitt miteinander strömungstechnisch verbinden. Die Endabschnitte des geradlinigen Rohrabschnitts gehen hierbei bevorzugt in jeweilige Krümmungsabschnitte über, die ihrerseits, bevorzugt verzweigungsfrei, in erste und zweite Rohrabschnitte übergehen.
Der im Wesentlichen geradlinig ausgebildete Rohrabschnitt kann hierbei entweder vollständig innerhalb der ineinander geschachtelt angeordneten Rohrabschnitte verlaufen oder sich radial außerhalb beider Rohrabschnitte erstrecken.
Je nachdem, ob der geradlinige Rohrabschnitt strömungstechnisch zwischen den beiden Rohrabschnitten oder unmittelbar angrenzend an nur einem Endabschnitt eines Rohrabschnitts vorgesehen ist, ergeben sich gleichgerichtete oder entgegengesetzte Strömungsverhältnisse in den einzelnen, geschachtelt ineinander angeordneten Rohrabschnitten, wodurch die Wärmeaustauschleistung des Wärmetauschers an vorgegebene Anforderungen angepasst werden kann.
Nach einer weiteren Ausgestaltung kann ferner vorgesehene werden, dass ein Zulauf und ein Ablauf des Innenrohrs das Außenrohr an ein und derselben Seite, oder ein und derselben endseitigen Stirnfläche des Außenrohres durchsetzen. Eine derartige Anordnung begünstigt eine platzsparende Anordnung des Wärmetauschers und kann Optimierung der Bauraumaufteilung des Fahrzeuges beitragen. Des Weiteren kann bei dieser Ausgestaltung eine dem Zulauf und Ablauf abgewandte Stirnfläche des Außenrohres weitgehend durchsetzungsfrei ausgebildet werden, sodass eine Durchführung von Zulauf und Ablauf des Innenrohres durch das Außenrohr lediglich an einer Stirnseite des Außenrohres bereitzustellen ist.
Bei dieser Ausgestaltung kann sich ferner eine verzweigungsfreie Ausgestaltung des Innenrohres als vorteilhaft erweisen. Dies insbesondere wenn Ablauf und Zulauf mit jeweils entgegengesetzt ausgerichteten Rohrabschnitten in Strömungsverbindung stehen, die im Bereich der dem Zulauf, bzw. Ablauf abgewandten Seite des Außenrohres über einen Krümmungsabschnitt ineinander übergehen.
In weiterer Ausgestaltung ist das Außenrohr als Niederdruckleitung ausgebildet und das Innenrohr bzw. seine Rohrabschnitte sind als Hochdruckleitungen vorgesehen. Folglich wird das Innenrohr überwiegend von einem verdichteten Fluid durchströmt, während das Außenrohr bzw. der zwischen Außenrohr und den Wärmetauscherrohren gebildete Zwischenraum von einem überwiegend gasförmigen Wärmetauschermedium durchströmt wird.
In Abwandlung hiervon kann ferner vorgesehen werden, das Außenrohr als Hochdruckleitung und das Innenrohr als Niederdruckleitung auszubilden und dementsprechend mit den Komponenten des Kältemittelkreislaufs strömungstechnisch zu verbinden.
Eine Querschnittsgeometrie des Innenrohres bzw. seiner Rohrabschnitte kann eine den Anforderungen entsprechende beliebige Kontur aufweisen. Das Innenrohr kann vollständig oder abschnittsweise als Rundrohr, als Vier- oder Mehrkantrohr ausgebildet sein sowie einen ovalen oder elliptischen Querschnitt aufweisen.
Es ist für den eine weitgehend rohrförmige und zylindrische Außenkontur aufweisenden Wärmetauscher ferner vorgesehen, dass gegenüberliegende Endabschnitte des Außenrohrs stromabwärts eines Verdampfers und stromaufwärts eines Kompressors im Kältemittelkreislauf einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage anordenbar sind. Dementsprechend ist für die gegenüberliegenden Endabschnitte des Innenrohrs eine Anordnung stromaufwärts einer Expansionseinrichtung und stromabwärts eines Kondensators im Kältemittelkreislauf der Klimaanlage vorgesehen.
Hierbei gilt generell, dass die Niederdruckleitung(en) zur strömungstechnischen Kopplung von Verdampfer und Kompressor, die Hochdruckleitungen) zur strömungstechnischen Kopplung von Kondensator und Expansionseinrichtung des Kältemittelkreislaufs der Klimaanlage ausgelegt ist (sind).
In einem weiteren unabhängigen Aspekt betrifft die Erfindung ferner eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage, die einen Kältemittelkreislauf mit zumindest einem Kompressor, einem Kondensator, einer Expansionseinrichtung sowie einem Verdampfer aufweist, die seriell mittels entsprechender Leitungen des Kältemittelkreislaufs miteinander in Fluidverbindung stehen und strömungstechnisch, zum Zirkulieren des Kältemittels, miteinander gekoppelt sind.
Der Kältemittelkreislauf weist hierbei ferner einen zuvor beschriebenen, bevorzugt rohrförmig ausgebildeten Wärmetauscher auf, der einen Wärmeaustausch zwischen der stromabwärts des Verdampfers liegenden Niederdruckseite und stromaufwärts der Expansionseinrichtung liegenden Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs bewirkt.
In einem weiteren unabhängigen Aspekt betrifft die Erfindung ferner ein Kraftfahrzeug, welches eine derart konfigurierte Klimaanlage bzw. wenigstens einen zuvor beschriebenen Wärmetauscher aufweist.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Ziele, Merkmale sowie vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage mit internem Wärmetauscher,
2 einen Querschnitt durch einen internen Wärmetauscher nach einer ersten Ausführungsform,
3 einen weiteren Querschnitt durch einen internen Wärmetauscher nach einer zweiten Ausführungsform,
4 einen Querschnitt durch einen Wärmetauscher nach einer dritten Ausführungsform,
5 einen Querschnitt durch einen Wärmetauscher nach einer vierten Ausführungsform,
6 einen Querschnitt durch einen internen Wärmetauscher nach einer fünften Ausgestaltung und
7 einen Querschnitt durch eine Ausgestaltung des Wärmetauschers mit auf ein und derselben Seite des Außenrohrs vorgesehenem Zulauf und Ablauf für das Innenrohr.
Detaillierte Beschreibung
Die in 1 schematisch dargestellte Kraftfahrzeug-Klimaanlage 1 weist einen Kältemittelkreislauf 12 auf, welcher die einzelnen Klimaanlagenkomponenten Kompressor 14, Kondensator 16, internen Wärmetauscher 10, Expansionseinrichtung 18, bspw. ein Expansionsventil, sowie ein Verdampfer 20 in einer an sich bekannten Art und Weise strömungstechnisch miteinander koppelt.
Der interne Wärmetauscher 10 ist hochdruckseitig stromabwärts des Kondensators 16 und stromaufwärts der Expansionseinrichtung 18 angeordnet. Niederdruckseitig ist der interne Wärmetauscher 10 stromabwärts des Verdampfers 20 sowie stromaufwärts des Kompressors 14 vorgesehen. Der Doppelpfeil in 1 zeigt insofern die Strömungsrichtung des Wärmetauschermediums bzw. Kältemittels an, das R134a bzw. HFO-1234yf sein kann.
Das Hochtemperatur- und unter vergleichsweise hohem Druck stehende Wärmetauschermedium wird durch das im Wärmetauscher 10 in entgegengesetzte Richtung strömende Niederdruck- und Niedertemperatur-Wärmetauschermedium der Expansionseinrichtung 18 vorgelagert unterkühlt. Durch diesen internen Wärmeaustausch im Kältemittelkreislauf 12 kann der Wirkungsgrad der Kraftfahrzeug-Klimaanlage 1 verbessert werden.
Der zum Beispiel in 2 gezeigte interne Wärmetauscher 10 einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage 1 weist ein Außenrohr 30 und ein Innenrohr 32 auf. Das Innenrohr ist als Hochdruckleitung ausgebildet und weist einen Zulauf 22 sowie einen Ablauf 24 auf, wobei der Zulauf stromabwärts des Kondensators 16 und der Ablauf 24 stromaufwärts der Expansionseinrichtung 18 vorzusehen ist. Das Außenrohr 30 weist ebenfalls einen Zulauf 26 sowie an einem in Axialrichtung gegenüberliegenden Ende einen Ablauf 28 auf. Der Zulauf 26 ist hierbei stromabwärts des Verdampfers 20 und der Ablauf 28 ist stromaufwärts des Kompressors 14 in den Kältemittelkreislauf 12 eingebunden. Die Pfeile bei den Abläufen 24, 28 bzw. den Zuläufen 26, 28 geben erneut die Strömungsrichtung des Wärmetauschermediums an.
Das Außenrohr 30 ist somit der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs 12 zugeordnet, während das Innenrohr 32 von einem unter hohem Druck stehenden Wärmetauschermedium in entgegengesetzter Richtung durchströmbar ist.
Das Innenrohr 32 verzweigt in der Ausgestaltung gemäß 2 in zwei ineinander geschachtelt oder verschachtelt angeordnete Rohrabschnitte 35, 36, welche jeweils eine Anzahl einzelner Windungen 35', 35' aufweisen. Die Verzweigung 33 in die Rohrabschnitte 35, 36 erfolgt hierbei nahe des Zulaufs 22, während stromaufwärts des Ablaufs 24 eine Zusammenführung 34 der beiden helixartig gewendelten Rohrabschnitte 35, 36 vorgesehen ist. Die Rohrabschnitte 35, 36 erstrecken sich somit jeweils zwischen der Verzweigung 33 und der Zusammenführung 34. Beide Rohrabschnitte 35, 36, welche in etwa konzentrisch zueinander ausgerichtet und angeordnet sind, werden vom Zulauf 22 gespeist und münden beide im Ablauf 24 des Innenrohrs 32.
Ein erster Rohrabschnitt 36 weist hierbei, in Axialrichtung 78 betrachtet, einen konstanten Helixdurchmesser in Radialrichtung auf, sodass sich für den inneren Rohrabschnitt 36 eine insgesamt zylinderartige Mantelfläche ergibt. Ähnlich verhält es sich mit dem zweiten, äußeren Rohrabschnitt 35, welcher insgesamt einen größeren Helixdurchmesser 37 als der erste Rohrabschnitt 36 aufweist. Auch der zweite Rohrabschnitt 35 weist eine in etwa zylindrische gedachte Mantelfläche auf.
Der Helixdurchmesser 37 des äußeren Rohrabschnitts des Innenrohrs kann, und dies gilt für alle gezeigten Ausführungsformen, zwischen 80% und 98% des Innendurchmessers des Außenrohrs betragen, bevorzugt zwischen 90% und 95%. Der darin geschachtelte (innere) Rohrabschnitt des Innenrohrs kann einen Durchmesser aufweisen, der zwischen 40% und 60% des Innendurchmessers des Außenrohrs liegt.
In der Konfiguration gemäß 2 liegt der erste Rohrabschnitt 36 in Radialrichtung vollständig innerhalb des zweiten Rohrabschnitts 35. Die Wicklungs- oder Windungsdichte von erstem und zweitem Rohrabschnitt 36, 35 kann über die gesamte Axialerstreckung des Innenrohrs 32 im Wesentlichen konstant sein, aber auch lokal einzelne Veränderungen aufweisen.
Zu sämtlichen in den 2 bis 6 dargestellten Ausgestaltungen ist ferner anzumerken, dass die Rohrabschnitte 35, 36 deutlich mehr Windungen 35', 36' oder Wicklungen aufweisen können, als dies in den Figuren dargestellt ist. Der vom Wärmetauschermedium durchströmbare Durchmesser der Rohrabschnitte 35, 36 liegt bevorzugt im Bereich einiger Millimeter. So kann der durchströmbare Innendurchmesser etwa zwischen 2 und 8 mm, bevorzugt zwischen 4 und 6 mm betragen. Ein lichter Abstand 39 zwischen zwei in Axialrichtung 78 benachbarten Windungen der Rohrabschnitte 35, 36 kann ebenfalls im Millimeterbereich, insbesondere zwischen 1 und 6 mm liegen, bevorzugt weniger als 4 mm betragen.
Aufgrund der Verzweigung 33 und Zusammenführung 34 der Rohrabschnitte 35, 36 werden diese in gleicher Richtung, in 1 etwa von links nach rechts, vom beaufschlagen Wärmetauschermedium durchströmt, während das in Gegenrichtung über den Zulauf 26 dem Zwischenraum 38 zugeführte Wärmetauschermedium, in 1 quasi von rechts nach links, durch das Außenrohr 30 zum Ablauf 28 strömt.
Die nachfolgend beschriebenen und in den 3 bis 7 dargestellten Ausführungsbeispiele unterscheiden sich im Wesentlichen nur hinsichtlich der jeweiligen Ausgestaltung ihres Innenrohres, während das Außenrohr 30 sowie die daran vorgesehenen Anschlüsse, etwa Zulauf 22, 26 und Ablauf 24, 28 unverändert bleiben.
So weist der Wärmetauscher 40 gemäß 3 ein Innenrohr 42 auf, welches stromabwärts eines Zulaufs 22 eine Verzweigung 43 hat, die den Strom zugeführten Wärmetauschermediums ebenfalls in zwei Rohrabschnitte 45, 46 aufteilt. Während der innere Rohrabschnitt 46 über seine gesamte Erstreckung in Axialrichtung 78 einen unveränderten Helixdurchmesser aufweist, unterliegt der äußere Rohrabschnitt 45 einer fortlaufenden Verjüngung seines Helixdurchmessers in Axialrichtung 78. So weist der Rohrabschnitt 45 unmittelbar angrenzend an die Verzweigung 43 einen Helixdurchmesser auf, der nahezu dem lichten Innendurchmesser des Außenrohrs 30 entspricht. Weitere Windungen 45' sowie weiter stromabwärts liegende Windungen 45'' hingegen einen im Vergleich hierzu geringeren Helixdurchmesser auf, sodass der Rohrabschnitt 45 im Bereich der Zusammenführung 44 letztlich einen dem anderen Rohrabschnitt 46 vergleichbaren Helixdurchmesser aufweist.
Eine gedachte Mantelfläche, welche die Außenradien der Windungen 45' 45'' des Rohrabschnitts 45 tangiert, weist im Querschnitt gemäß 3 eine, bezogen auf die Axialrichtung 78 konisch verjüngende Formgebung auf. Die konische Form bewirkt, dass das Innenrohr 42 auch als Turbolator wirkt, sodass der Wärmeübertrag besser ausfüllt bzw. die übertragene Wärmemenge größer ist. Gleiches gilt sinngemäß für die nachfolgend beschriebene Ausführungsform der 4, bei der sogar beide Rohrabschnitte 55, 56 als Turbolatoren wirken.
Bei der Ausführungsformen gemäß 4 weist das im Vergleich zur 3 abgewandelte Innenrohr 52 eine Verzweigung 53 und eine Zusammenführung 54 auf und verzweigt dementsprechend in zwei ineinander geschachtelt angeordnete Rohrabschnitte 55, 56. Während der Rohrabschnitt 55 im Wesentlichen dem Rohrabschnitt 45 des in 3 gezeigten Ausführungsbeispiels entspricht, weist der zulaufseitig radial innenliegend angeordnete Rohrabschnitt 56 eine, bezogen auf die Axialrichtung 78 diametral entgegengesetzte Außenkontur auf.
Die stromabwärts der Verzweigung 53 liegenden Windungen 56', 56'' weises mit zunehmendem Abstand von der Verzweigung 53 einen größer werdenden Helixdurchmesser auf. Insoweit weist der erste Rohrabschnitt 56 in Axialrichtung 78, bezogen auf die Strömungsrichtung des Wärmetauschermediums eine sich konisch verbreiternde Mantelfläche auf, während der andere Rohrabschnitt 55 eine dementsprechend konisch verjüngende Mantelfläche aufweist. Die Rohrabschnitte 55, 56 durchsetzen sich hierbei gegenseitig, sodass zulaufseitig der erste Rohrabschnitt 56 innerhalb des zweiten Rohrabschnitts 55 liegt, sich aber ablaufseitig eine umgekehrte Konstellation ergibt, bei welcher der erste Rohrabschnitt 56 radial außerhalb des zweiten Rohrabschnitts 55 zu liegen kommt.
Das in 5 gezeigte Ausführungsbeispiel zeigt ein weiteres Innenrohr 62, welches verzweigungsfrei ausgebildet ist und bei welchem einzelne ineinander geschachtelt angeordnete Rohrabschnitte 65, 67, in Strömungsrichtung betrachtet, hintereinander angeordnet sind. Ferner weist das Innenrohr 62 einen weiteren, im Wesentlichen geradlinigen Abschnitt 63 auf, welcher sowohl innerhalb eines ersten Rohrabschnitts 65, als auch innerhalb eines zweiten Rohrabschnitts 67 liegt. Der geradlinige Rohrabschnitt 63 schließt sich unmittelbar an einen Zulauf 22 an und mündet nahe des gegenüberliegenden Ablaufs 24 in einem Krümmungsabschnitt 64, welcher wiederum in dem in Axialrichtung 78 entgegengesetzt ausgerichteten ersten Rohrabschnitt 65 mündet.
Der erste Rohrabschnitt 65 umwickelt den geradlinigen Rohrabschnitt 63 nahezu vollständig und geht andern Ends, das heißt nahe dem Zulauf 22 über einen weiteren Krümmungsabschnitt 66 in den zweiten, außenliegenden Rohrabschnitt 67 über. Dieser umschließt sowohl den geradlinigen Rohrabschnitt 63 als auch den innenliegenden ersten Rohrabschnitt 63 in Umfangsrichtung und mündet schließlich im Auslass 24. Da die beiden Rohrabschnitte 65, 67 unmittelbar über einen Krümmungsabschnitt 66 miteinander in Strömungsverbindung stehen, ergibt es sich im Betrieb des Wärmetauschers 60, dass das Wärmetauschermedium die beiden ineinander geschachtelt angeordneten Rohrabschnitte 65, 67 in entgegengesetzter Richtung durchströmt.
Eine weitere Ausgestaltung sequenziell ineinander mündender Rohrabschnitte 75, 77, zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß 6. Das dort vorgesehene Innenrohr 72 weist ebenfalls zwei vollständig ineinander geschachtelt angeordnete Rohrabschnitte 75, 77 auf, welche aber im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 5 nicht unmittelbar über einen einzigen Krümmungsabschnitt 66, sondern über zwei an gegenüberliegenden axialen Endabschnitten vorgesehene Krümmungsabschnitte 74, 76 mittels eines dazwischenliegenden geradlinigen Rohrabschnitts 73 strömungstechnisch miteinander gekoppelt sind.
Bei einer derartigen Anordnung sind beide Rohrabschnitte 75, 77, bezogen auf die Axialrichtung 78 in gleicher Richtung vom beaufschlagten Wärmetauschermedium durchströmbar. Ferner ist hierbei vorgesehen, dass der Zulauf 22 unmittelbar in den radial außenliegenden Rohrabschnitt 77 mündet und der betreffende Rohrabschnitt 77 am gegenüberliegenden Ende des Wärmetauschers 70, nahe dem Ablauf 24 Ober einen Krümmungsabschnitt 74 in einen im Wesentlichen geradlinigen Rohrabschnitt 73 übergeht, über welchen der Rohrabschnitt auf die linke Seite des in 6 gezeigten Wärmetauschers 70 zurückströmen kann.
Dort wird das Wärmetauschermedium über einen weiteren Krümmungsabschnitt 76 dem innenliegenden Rohrabschnitt 75 zugeführt, sodass im Endeffekt beide Rohrabschnitte 77, 75 strömungstechnisch sequenziell miteinander verbunden, aber geometrisch ineinanderliegend ausgestaltet sind. Ferner erstreckt sich der in 6 gezeigte geradlinige Rohrabschnitt 73 vollständig außerhalb der beiden Rohrabschnitte 75, 77. Es wäre aber auch denkbar, ähnlich wie in 5, den die beiden Rohrabschnitte 75, 77 miteinander verbindenden geradlinigen Rohrabschnitt 73 auch innerhalb des inneren Rohrabschnitts 75 zu führen.
Wie beschrieben, ist das Innenrohr 32, 42, 52 in den 2, 3 und 4 geteilt, indem es eine Verzweigung 33, 43, 53 und eine Zusammenführung 34, 44, 54 aufweist. In den Ausführungsformen der 5 und 6 hingegen ist das Innenrohr 62, 72 ungeteilt. Ein geteiltes Innenrohr bedingt im Vergleich zum ungeteilten Innenrohr einen besseren Wärmeübertrag (da das Wärmeübertragungsmedium in Innenrohr- und Außenrohr in entgegengesetzte Richtungen fließen) und einen niedrigeren Druckverlust. Ein ungeteiltes Innenrohr bringt jedoch im Vergleich zur geteilten Bauform eine einfachere Herstellung mit sich, weil keine stoffschlüssige Verbindung an den Verzweigungen 33, 43, 53 sowie den Zusammenführungen 34, 44, 54 erforderlich ist und insofern prinzipbedingt keine Leckagen an diesen Stellen auftreten können. Bei einem ungeteilten Innenrohrfließt weiterhin zumindest die Hälfte des das Innenrohr durchströmenden Wärmeübertragungsmediums entgegengesetzt zum Wärmeübertragungsmedium zwischen Innen- und Außenrohr, sodass sich eine durchschnittlich guter Wärmeübertrag ergibt.
Der in 7 gezeigte Wärmetauscher 80 zeigt eine weitere Variante des Innenrohrs 82, welches ähnlich wie die in 2 gezeigte Ausgestaltung zwei ineinander geschachtelt angeordnete Rohrabschnitte 85, 86 konstanten Helixdurchmessers aufweist. Die Rohrabschnitte 85, 86 sind hier verzweigungsfrei ausgebildet und gehen nahe dem in 7 links gezeigten Endabschnitt des Außenrohrs 30 über einen Krümmungsabschnitt 84 ineinander über. Der Zulauf 22 als auch der Ablauf 24 des Innenrohrs 82 durchsetzen das Außenrohr 30 hierbei an ein und derselben, in 7 rechts liegenden Stirnfläche 87 des Außenrohrs 30, sodass Zu- und Ablauf 22, 24, nahe beieinanderliegend mit dem Wärmetauscher 80 koppelbar sind.
Bei dem in 7 gezeigten Wärmetauscher 80 gestaltet sich die Herstellung einfacher und tendenziell fehlerfreier, weil insgesamt weniger Biegeoperationen für das Innenrohr 82 erforderlich sind. Auch entfallen stoffschlüssige Verbindungen wie Lotungen, da es hier keine Verzweigung bzw. Zusammenführung wie bei den Wärmetauschern der 2, 3 und 4 gibt. Da hier das Innenrohr keinen zusätzlichen geradlinigen Rohrabschnitt besitzt wie bei den 5 und 6 mit den Rohrabschnitten 63 und 73, fällt bei dieser Bauform der Druckabfall zwischen Außenrohr 30 und Innenrohr 82 geringer aus.
Die insbesondere in den 2 bis 7 gezeigten unterschiedlichen Ausgestaltungen diverser Innenrohre 32, 42, 52, 62, 72, 82 für einen internen Wärmetauscher 10, 40, 50, 60, 70, 80 einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage 1 zeige lediglich exemplarisch und vereinzelt die unterschiedlichen Konfigurationen, die für zumindest zwei geschachtelt ineinander angeordnete Rohrabschnitte eines Innenrohrs denkbar sind.
Sämtliche der hier gezeigten Ausführungsformen als auch lediglich in Worten beschriebene Abwandlungen hiervon können eine individuelle Anpassung der Wärmeaustauschleistung der jeweiligen Wärmetauscher 10, 40, 50, 60, 70, 80 unter Beibehaltung vorgegebener Außenabmessungen individuell an unterschiedliche Bedürfnisse unterschiedlich konfigurierter Klimaanlagen 1 anpassen zu können.
Die dargestellten Ausführungsformen zeigen lediglich mögliche Ausgestaltung der Erfindung zu welcher weitere zahlreiche Varianten denkbar und im Rahmen der Erfindung sind. Die exemplarisch gezeigten Ausführungsbeispiele sind in keiner Weise hinsichtlich des Umfangs, der Anwendbarkeit oder der Konfigurationsmöglichkeiten der Erfindung als einschränkend auszulegen. Die vorliegende Beschreibung zeigt dem Fachmann lediglich eine mögliche Implementierung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels auf. So können an der Funktion und Anordnung von beschriebenen Elementen vielfältigste Modifikationen vorgenommen werden, ohne hierbei den durch die nachfolgenden Patentansprüche definierten Schutzbereich oder dessen Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeugklimaanlage
10: Wärmetauscher
12: Kältemittelkreislauf
14: Kompressor
16: Kondensator
18: Expansionseinrichtung
20: Verdampfer
22: Zulauf
24: Ablauf
26: Zulauf
28: Ablauf
30: Außenrohr
32: Innenrohr
33: Verzweigung
34: Zusammenführung
35: Rohrabschnitt
35': Windung
36: Rohrabschnitt
36: Windung
37: Helixdurchmesser
38: Zwischenraum
39: Lichter Abstand
40: Wärmetauscher
42: Innenrohr
43: Verzweigung
44: Zusammenführung
45: Rohrabschnitt
45', 45'': Windung
46: Rohrabschnitt
50: Wärmetauscher
52: Innenrohr
53: Verzweigung
54: Zusammenführung
55: Rohrabschnitt
55', 55'': Windung
56: Rohrabschnitt
56, 56'': Windung
60: Wärmetauscher
62: Innenrohr
63: Geradliniger Rohrabschnitt
64: Krümmungsabschnitt
65: Rohrabschnitt
66: Krümmungsabschnitt
67: Rohrabschnitt
70: Wärmetauscher
72: Innenrohr
73: Geradliniger Abschnitt
74: Krümmungsabschnitt
75: Rohrabschnitt
76: Krümmungsabschnitt
77: Rohrabschnitt
78: Axialrichtung
80: Wärmetauscher
82: Innenrohr
84: Krümmungsabschnitt
85: Rohrabschnitt
86: Rohrabschnitt
87: Stirnfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005052972 A1 [0003]

Claims

Wärmetauscher für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage mit zumindest einem Innenrohr (32; 42; 52; 62; 72; 82) und mit einem Außenrohr (30), welches das zumindest eine Innenrohr (32; 42; 52; 62; 72; 82) unter Bildung eines von einem Wärmetauschermedium durchströmbaren Zwischenraums (38) zumindest bereichsweise umschließt, wobei das Innenrohr (32; 42; 52; 62; 72; 82) zumindest zwei wenigstens bereichsweise gewunden ausgebildete und ineinander geschachtelt angeordnete Rohrabschnitte (35, 36; 45, 46; 55, 56; 65, 67; 75, 77; 85, 86) aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Rohrabschnitte (35, 36; 45, 46; 55, 56; 65, 67; 75, 77; 85, 86) helix- oder spiralartig ausgebildet und insbesondere konzentrisch zueinander angeordnet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rohrabschnitte (35, 36; 45, 46; 55, 56; 65, 67; 75, 77; 85, 86) innerhalb des Außenrohres (30) liegend, unmittelbar in Fluidverbindung miteinander stehen.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Innenrohr (32; 42; 52) stromabwärts eines das Außenrohr (30) durchsetzenden Zulaufs (22) in die zumindest zwei Rohrabschnitte (35, 36; 45, 46; 55, 56) verzweigt.
Wärmetauscher nach Anspruch 4, wobei die zumindest zwei Rohrabschnitte (35, 36; 45, 46; 55, 56) des Innenrohrs (32; 42; 52) stromaufwärts eines das Außenrohr (30) durchsetzenden Ablaufs (24) in einer Zusammenführung (34; 44; 54) münden.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, wobei zumindest ein Rohrabschnitt (45; 55, 56) in Axialrichtung (78) betrachtet, einen sich verändernden Helixdurchmesser (37) aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 6, wobei sich der Helixdurchmesser (37) eines Rohrabschnitts (56) in Axialrichtung (78) vergrößert und sich der Helixdurchmesser (37) des anderen Rohrabschnitts (55) in Axialrichtung (78) verringert.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erster Rohrabschnitt (65; 75; 85) über einen Krümmungsabschnitt (66; 74, 76; 84) in einen zweiten Rohrabschnitt (67; 77; 86) übergeht.
Wärmetauscher nach Anspruch 8, wobei das Innenrohr (62; 72) einen geradlinigen Rohrabschnitt (63; 73) aufweist, welcher den Zu- oder Ablauf (22, 24) mit dem ersten und/oder mit dem zweiten Rohrabschnitt (65, 67) verbindet, oder welcher den ersten und den zweiten Rohrabschnitt (75, 77) miteinander verbindet.
Wärmetauscher nach Anspruch 9, wobei der geradlinige Rohrabschnitt (63; 73) innerhalb beider Rohrabschnitte (65, 67) oder außerhalb beider Rohrabschnitt (75, 77) verläuft.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Zulauf (22) und ein Ablauf (24) des Innenrohrs (82) das Außenrohr (30) an ein und derselben Stirnfläche (87) des Außenrohres (30) durchsetzen.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Außenrohr (30) als Niederdruckleitung und das Innenrohr (32; 42; 52; 62; 72; 82) als Hochdruckleitung ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Zulauf (26) und ein gegenüberliegend angeordneter Ablauf (28) des Außenrohrs (30) stromabwärts eines Verdampfers (20) und stromaufwärts eines Kompressors (28) und wobei ein Zulauf (22) und ein gegenüberliegender Ablauf (24) des Innenrohrs (32; 42; 52; 62; 72; 82) stromaufwärts eine Expansionseinrichtung (18) und stromabwärts eines Kondensators (16) im Kältemittelkreislauf (12) einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage (1) anordenbar sind.
Kraftfahrzeug-Klimaanlage mit einem Kältemittelkreislauf (12), der zumindest einen Kompressor (14), einen Kondensator (16), eine Expansionseinrichtung (18) sowie einen Verdampfer (20) strömungstechnisch, zum Zirkulieren eines Wärmetauschermediums miteinander koppelt und der ferner einen Wärmetauscher (10, 40; 50; 60; 70; 80) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Kraftfahrzeug mit einer Klimaanlage nach Anspruch 14 oder mit einem Wärmetauscher (10; 40; 50; 60; 70; 80) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13.