DE102012010521A1

DE102012010521A1 - Wärmetauscher für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage

Info

Publication number: DE102012010521A1
Application number: DE201210010521
Authority: DE
Inventors: Kai-Ove PIETSCH; Lothar SEYBOLD; Artem SERYI
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2013-11-28

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage mit zumindest einem Innenrohr (30; 70, 72) und einem Gehäuse (40; 42; 44; 62), welches das Innenrohr (30; 70, 72) zur Bildung eines von einem Wärmetauschermedium (24) durchströmbaren Zwischenraums (41; 61) zumindest bereichsweise umschließt und wobei zumindest ein in sich helixartig gewendeltes und einen Außenumfang (39) des Innenrohrs (30; 70, 72) zumindest bereichsweise umschließendes Wärmetauscherelement (32; 52) mit dem Innenrohr (30; 70, 72) thermisch gekoppelt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen internen Wärmetauscher für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage.
Zur Leistungs- und Effizienzsteigerung von Kraftfahrzeug-Klimaanlagen sind klimaanlagen-interne Wärmetauscher, sogenannte Internal Heat Exchanger (IHX) bekannt, die einen zwischen Verdampfer und Kompressor verlaufenden Abschnitt des Kältemittelkreislaufs mit einem zwischen Kondensator und Expansionsventil verlaufenden Abschnitt des Kältemittelkreislaufs thermisch 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 bzw. eines Wäremtauschermediums Verwendung finden.
Bei Anwendungen im Bereich einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage ist zu beachten, dass typische Rohrdurchmesser als auch Rohrlängen, mithin die Außenabmessungen solcher Rohre in Rohr-Wärmetauscher aufgrund bestehender Bauraumanforderungen fest vorgegeben sind. Andererseits besteht der Bedarf, gerade bei einem bereits bestehenden Fahrzeugpackage, einen für die jeweilige Klimaanlage optimalen Wärmeaustausch bei vorgegebenen Außenabmessungen des Wärmetauschers zu verwirklichen.
So ist beispielsweise aus der EP 2 148 161 A2 ein interner Wärmetauscher für eine Klimaanlage bekannt, welcher ein zylindrisches Gehäuse aufweist. Hierbei ist ein in sich helixartig gewundenes Innenrohr koaxial zum zylindrischen Gehäuse angeordnet, welches zwei Rohrenden aufweist, die in entgegengesetzter Richtung das zylindrische Gehäuse über Endkappen verlassen.
Eine Ausführungsform der Erfindung liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen hinsichtlich seiner Wärmeaustauschkapazität verbesserten Klimaanlagen-Wärmetauscher bereitzustellen, der ein nur geringes Maß an Bauraum erfordert und welcher an vorgegebene Einbauverhältnisse im Kraftfahrzeug möglichst flexibel anpassbar ist.
Der Wärmetauscher soll zudem kostengünstig herstellbar und einfach zu montieren sein. Er soll sich ferner durch ein möglichst geringes Gewicht auszeichnen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen
Diese Aufgabenstellung wird mit einem Wärmetauscher gemäß Patentanspruch 1, ferner mit einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage nach Patentanspruch 14 sowie mit einem Kraftfahrzeug gemäß Patentanspruch 15 gelöst, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jeweils Gegenstand abhängiger Patentansprüche sind.
Der demgemäß für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage vorgesehene und entsprechend ausgebildete Wärmetauscher weist zumindest ein Innenrohr und ein Gehäuse auf, wobei das Gehäuse das Innenrohr zur Bildung eines von einem Wärmetauschermedium durchströmbaren Zwischenraums zumindest bereichsweise umschließt. Während der von Innenrohr und Gehäuse gebildete Zwischenraum in einer vorgegebenen Richtung, insbesondere in Längsrichtung des Innenrohrs bzw. in Längsrichtung des Gehäuses vom Wärmetauschermedium durchströmbar ist, kann das Innenrohr in entgegengesetzter Richtung vom Wärmetauschermedium durchströmt werden. Der Wärmetauscher ist somit zur Verwirklichung eines Gegenstromprinzips ausgelegt, er kann aber auch als Gleichstromwärmetauscher konfiguriert und eingesetzt werden.
Im Zwischenraum zwischen Gehäuse und Innenrohr ist ferner zumindest ein in sich helixartig gewendeltes und einen Außenumfang des Innenrohrs zumindest bereichsweise umschließendes Wärmetauscherelement vorgesehen, welches mit dem Innenrohr, insbesondere mit dessen Außenumfang thermisch gekoppelt ist. Die spiralartig gewendelte Struktur des Wärmetauscherelements ermöglicht es, eine vergleichsweise große Oberfläche des Wärmetauscherelements in einem vergleichsweise geringen Volumen unterzubringen. Zudem kann die helixartig gewendelte Struktur des Wärmetauscherelements nahezu vollständig vom Wärmetauschermedium umströmt werden, wodurch ein besonders guter und effizienter Wärmeaustausch zwischen dem im Zwischenraum strömenden Wärmetauschermedium und dem Innenrohr, insbesondere mit seinem zumindest einem Wärmetauscherelement, mithin mit dem durch das Innenrohr strömenden Wärmetauschermedium erfolgen kann.
Mit Hilfe des zumindest einen Wärmetauscherelements kann die Wärmeaustauschkapazität des Wärmetauschers gegenüber konventionellen Wärmetauscherkonzepten gesteigert werden. Durch Verwendung zumindest eines helixartig gewendelten Wärmetauscherelements wird es ferner möglicht, die Größe und den für den Wärmetauscher benötigten Bauraum im Kraftfahrzeug bei gleichbleibender oder sogar gesteigerter Wärmeaustauschkapazität in vorteilhafter Weise zu verringern.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist das zumindest eine Wärmetauscherelement einen gewendelten bzw. helixartig ausgestalteten Draht, vorzugsweise einen Metalldraht auf, welcher unmittelbar am Innenrohr angeordnet ist. Der gewendelte Draht erstreckt sich hierbei naturgemäß nur entlang desjenigen Abschnittes des Innenrohrs, welcher vom Gehäuse in Umfangsrichtung (w) umschlossen ist. Der gewendelte Draht kann insbesondere mehrere, eine Helixstruktur bildende Schleifen oder Windungen aufweisen, wobei sich aufeinander folgende Windungen oder Schleifen in Umfangsrichtung, bzw. tangential um das Innenrohr herum erstrecken.
Mit ihren jeweils dem Innenrohr zugewandten Innenseiten sind die einzelnen Schleifen oder Windungen des gewendelten Drahts mit dem Innenrohr in thermischem Kontakt. Der gewendelte Draht kann hierbei mittels Kleben, Löten, Schweißen, ferner durch einen Presssitz oder unter Verwendung eines sich in Längsrichtung durch die Helix des Draht erstreckenden Bindedrahts am Innenrohr befestigt sein. Insbesondere ist denkbar, dass das Innenrohr mit dem zumindest einen Wärmetauscherelement eine vormontierte bzw. vorkonfigurierte Wärmetauschereinheit bildet, welche zur Bildung des Wärmetauschers lediglich in einem vom Wärmetauschermedium durchströmbaren Gehäuse anzuordnen ist.
Nach einer weiteren Ausgestaltung sind ferner mehrere Wärmetauscherelemente am Innenrohr vorgesehen, welche in Längs- bzw. in Axialrichtung (z) des Innenrohrs (30) voneinander beabstandet angeordnet sind und welche jeweils eine geschlossene, ringförmige Struktur aufweisen. Die einzelnen, jeweils eine ringförmig gebogene sowie gewendelte Helix aufweisenden Wärmetauscherelemente erstrecken sich hierbei bevorzugt jeweils in einer Ebene transversal zur Längsrichtung (z) des Innenrohrs. Abweichend ist hiervon ist natürlich auch denkbar, dass sich die Ebene der in sich geschlossenen ringförmigen Wärmetauscherelemente unter einem vorgegebenen Winkel geneigt zur Transversalebene des Innenrohrs erstrecken.
Durch Variation eines axialen Abstands „a” der einzelnen am Innenrohr vorgesehenen Wärmetauscherelemente kann die Wärmeaustauschkapazität des Klimaanlagen-Wärmetauschers in vorteilhafter Weise an vorgegebene Anforderungen angepasst, insbesondere gesteigert werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist alternativ vorgesehen, dass sich das zumindest eine Wärmetauscherelement spiralartig um den Außenumfang des Innenrohrs windet. Insoweit beschreibt das in sich helixartig gewendelte Wärmetauscherelement eine Schraubenlinie um den Außenumfang des Innenrohrs. Eine derartige Ausgestaltung kann sich insbesondere in fertigungstechnischer Hinsicht als vorteilhaft erweisen, wenn das zum Beispiel als Metalldraht ausgebildete und helixartig gewendelte Wärmetauscherelement im Zuge eines formgebenden Biege- und Umformprozesses unmittelbar um das Innenrohr gewickelt und daran befestigt ist.
Auch bei einer sich helixartig um den Außenumfang des Innenrohrs windenden Ausgestaltung des in sich bereits helixartig ausgebildeten Wärmetauscherelements kann durch Variation der Steigung „s” der das Innenrohr umschließenden Helix die Gesamtlänge des zum Wärmetauscherelements gebogenen Drahts zur gezielten Veränderung, insbesondere zur Steigerung der Wärmeaustauschkapazität des Wärmtauschers verändert werden.
Unabhängig davon, ob das Wärmetauscherelement eine geschlossene ringförmige oder eine sich helixartig um den Außenumfang des Innenrohrs windende Formgebung aufweist, kann die Wärmeaustauschkapazität des Wärmetauschers ferner durch eine Variation der radialen Erstreckung des Wärmetauscherelements, durch variierende Dicke des das jeweilige Wärmetauscherelement bildenden Metalldrahts sowie durch den Rohrinnenrohrdurchmesser und/oder durch die Wandstärke des Innenrohrs jeweils gezielt verändert werden.
Neben gezielten Variationen der Innenrohrgeometrie und/oder der Geometrie des zumindest einen Wärmetauscherelements ist ferner nach einer weiteren Ausgestaltung denkbar, dass das Gehäuse des Wärmetauschers eine rohrförmige Formgebung aufweist und dementsprechend als Außenrohr ausgebildet ist. Es kann hierbei einen kreisrunden, einen ovalen oder elliptischen sowie gegebenenfalls auch einen mit Ecken oder geradlinigen Abschnitten versehenen Querschnitt aufweisen. Insbesondere bei einem kreisrunden Querschnitt des Außenrohrs kann bei Vorliegen eines einzigen Innenrohrs eine koaxiale bzw. radial zentrierte Anordnung sowie ein paralleler Verlauf von Innenrohr und Außenrohr vorgesehen werden.
Bei einer ovalen oder bei einer von einer kreisrunden Form abweichenden Querschnittsgeometrie des Gehäuses kann auch das Innenrohr bzw. die mit ihrem daran angeordneten Wärmetauscherelement ausgebildete Wärmetauschereinheit eine hiermit korrespondierende Querschnittsgeometrie, etwa eine ovale Querschnittsgeometrie aufweisen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung kann ferner vorgesehen werden, dass ein an einem axialen Ende des Gehäuses vorgesehener Zulauf für das in den Zwischenraum einströmende Wärmetauschermedium radial versetzt zu einem am gegenüberliegenden Ende des Gehäuses angeordneten Ablauf angeordnet ist. Durch eine derart radial versetzte Anordnung von Zulauf und Ablauf kann erreicht werden, dass das in den Zwischenraum eingeleitete Wärmetauschermedium den Zwischenraum nicht nur in Axialrichtung, sondern auch in Radialrichtung durchströmt. Hierbei kann ferner eine zentrische Anordnung des zumindest einen Innenrohrs in Bezug auf das Gehäuse vorgesehen sein.
Nach einer Weiterbildung können innerhalb des Gehäuses auch mehrere Innenrohre angeordnet sein, welche jeweils zumindest mit einem Wärmetauscherelement thermisch gekoppelt sind. Von Vorteil sind innerhalb des Gehäuses mehrere Wärmetauschereinheiten angeordnet, welche jeweils ein Innenrohr und zumindest ein hiermit thermisch gekoppeltes Wärmetauscherelement, wie zuvor beschrieben, aufweisen. Die Anordnung mehrerer, bevorzugt im Inneren des Gehäuses verzweigender und/oder zusammengeführter Innenrohre bedingt eine entsprechende Größenanpassung der Querschnitte der Wärmetauschereinheiten.
Ist lediglich eine einzige Wärmetauschereinheit innerhalb des Gehäuses vorgesehen, so kann deren Außendurchmesser, das heißt der vom Wärmetauscherelement gebildete Außenquerschnitt nahezu den gesamten Querschnitt des zwischen Innenrohr und Gehäuse gebildeten Zwischenraums einnehmen. Von Vorteil verbleibt zwischen den radial außen liegenden Bereichen des helixartig gewendelten Wärmetauscherelements und der Innenseite des Gehäuses, respektive des Außenrohrs, ein vorgegebenes Spaltmaß, welches vom Wärmetauschermedium durchströmbar ist.
Versuche haben gezeigt, dass ein größerer Radius, bzw. eine hiermit einhergehende größere Radialerstreckung einzelner Windungen oder Schleifen des Wärmetauscherelements zwar grundsätzlich zur Steigerung der Wärmeaustauschleistung beitragen kann. Der Grad des Wärmeaustauschs erreicht jedoch ab einer gewissen Größe der Windungen oder Schleifen nahezu eine Sättigung. Eine weitere Zunahme der radialen Ausdehnung trägt dann nur noch in einem weitaus geringerem Maße zur Erhöhung der Wärmeaustauschkapazität bei.
Von daher erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Wärmetauschermedium auf mehrere Innenrohre innerhalb des Gehäuses aufgeteilt ist, welche jeweils mit Wärmetauscherelementen versehen sind, deren Windungs- oder Wendeldurchmesser eine vorgegebene Maximalgröße nicht überschreiten. Insoweit erweist es sich als vorteilhaft, anstelle einer einzigen Wärmetauschereinheit mehrere, vorzugsweise im Querschnitt gleichmäßig verteilt angeordnete Wärmetauschereinheiten innerhalb des Gehäuses vorzusehen, deren Innen- bzw. Außendurchmesser im Vergleich zu einer alternativen Ausgestaltung mit nur einer Wärmetauschereinheit kleiner ausgebildet sind.
Unabhängig hiervon kann bei Ausgestaltungen mit mehreren Innenrohren die geometrische Mitte der Innenrohre, bzw. deren Schwerpunkt in etwa koaxial oder zentrisch zur Querschnittsgeometrie des Gehäuses bzw. des Außenrohrs angeordnet sein.
Nach einer Weiterbildung eines mehrere Wärmetauschereinheiten aufweisenden Wärmetauschers sind die Wärmetauchereinheiten im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet. Sie erstrecken sich vorzugsweise auch parallel zur Längsrichtung des Gehäuses, welches vorzugsweise eine zylindrische Grundgeometrie mit kreisrundem oder ovalem Querschnitt aufweisen kann.
Bei einer Ausgestaltung des Klimaanlagen-Wärmetauschers mit mehreren Innenrohren bzw. mit mehreren Wärmetauschereinheiten kann bei einer Weiterbildung ferner vorgesehen werden, dass die Innenrohre innerhalb des Gehäuses über eine Verteilerkammer und/oder über eine Sammelkammer mit einem Zulauf und/oder mit einem Ablauf des Gehäuses in Strömungsverbindung stehen. Der Zulauf kann insbesondere einen das Wärmetauschermedium zuführenden Anschluss zur Beaufschlagung der Innenrohre mit dem Wärmetauschermedium bereitstellen.
Insoweit kann das Gehäuse einlassseitig eine Verteilerkammer aufweisen, die strömungstechnisch mit dem Zulauf gekoppelt ist. Mit der Verteilerkammer können mehrere Innenrohre bzw. mehrere Wärmetauschereinheiten in Strömungsverbindung stehen, sodass die durchströmbaren Innenquerschnitte der Innenrohre von dem der Verteilerkammer zugeführten Wärmetauschermedium gespeist werden können. Letztlich können so durch Bereitstellen einer Verteilerkammer, die Innenrohre gleichermaßen mit dem zugeführten Wärmetauschermedium beaufschlagt werden. Auf diese Art und Weise können ferner identische oder zumindest vergleichbare Drücke und/oder Volumenströme in den von der Verteilerkammer abgehenden Innenrohren erzielt werden.
Analog zur Verteilerkammer kann andern Ends der Innenrohre eine entsprechende Sammelkammer ausgebildet sein, von welcher ein Auslass des Gehäuses abgeht. Über die Sammelkammern können die etwa parallel innerhalb des Gehäuses verlaufenden Innenrohre strömungstechnisch zusammengeführt werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung kann hierbei ferner vorgesehen werden, dass die Verteilerkammer und/oder die Sammelkammer von zumindest einer sich über den gesamten Innenquerschnitt des Gehäuses erstreckenden Trennwand gebildet oder abgetrennt ist bzw. sind. Verteilerkammer und/oder Sammelkammer können insbesondere dem Innenraum des Gehäuses zugewandt, von der Trennwand begrenzt sein. Die Trennwand kann hierbei von den in die Sammelkammer respektive in die Verteilerkammer mündenden Innenrohren durchsetzt sein.
Andern Ends, das heißt nach außen hin können die Verteilerkammer und die Sammelkammer von einer Stirnfläche oder von einer entsprechenden Stirnwand des Gehäuses begrenzt sein, von welcher zum Beispiel der Ablauf oder Zulauf des Wärmetauschers ausgehen kann.
Die Trennwand, insbesondere mehrere an gegenüberliegenden Wänden der Innenrohre bzw. der Wärmetauschereinheiten vorgesehene Trennwände, ermöglichen ferner eine Anordnung und Befestigung der Innenrohre innerhalb des Gehäuses. So können sich die die jeweiligen Trennwände durchsetzenden Innenrohre über die zumindest eine Trennwand auch z. B. in Radialrichtung (r) an der Innenseite des Gehäuses abstützen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung sind ein weiterer Zulauf und ein weiterer Ablauf vorgesehen, die der Beaufschlagung des Zwischenraums des Wärmetauschers dienen und welche dementsprechend mit dem zwischen den Innenrohren und dem Gehäuse ausgebildeten Zwischenraum in Strömungsverbindung stehen. Ein Zulauf und/oder ein Ablauf für den Zwischenraum durchsetzt hierbei die Verteilerkammer und/oder die Sammelkammer. Bei einer Umsetzung eines Gegenstromprinzips ist insbesondere vorgesehen, dass ein für den Zwischenraum vorgesehener Zulauf die Sammelkammer und dass ein für den Zwischenraum vorgesehener Ablauf die Verteilerkammer für die Innenrohre durchsetzt.
Sammel- und/oder Verteilerkammer können druckstabil bzw. druckfest ausgebildet, um das unter entsprechendem Druck stehende und zugeführte Wärmetauschermedium möglichst ohne Druckverlust in die angrenzenden Innenrohre zu leiten.
Nach einer weiteren Ausgestaltung kann ferner vorgesehen werden, dass auch der für den Zwischenraum des Wärmetauschers vorgesehene Zulauf zunächst in eine Verteilerkammer mündet, die über eine perforierte oder mit entsprechenden Durchgangsöffnungen versehene Verteilerwand mit dem Zwischenraum in Strömungsverbindung steht. Die Verteilerwand kann hierbei insbesondere für ein überwiegend gasförmig einströmendes Wärmetauschermedium eine Art Drosselfunktion bereitstellen und eine radiale Verteilung des Zustroms des Wärmetauschermediums bewirken.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der zwischen dem Gehäuse und dem zumindest einen Innenrohr gebildete Zwischenraum niederdruckseitig in einen Kältemittelkreislauf einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage einbindbar. Dementsprechend ist ferner vorgesehen, einen Innenraum des Innenrohrs hochdruckseitig in den Kältemittelkreislauf einzubinden. Das Innenrohr ist folglich von einem vergleichsweise hochtemperierten und unter Hochdruck stehenden, etwa überwiegend flüssigen Wärmetauschermedium durchströmbar, während der Zwischenraum von einem vergleichsweise kalten unter geringerem Druck stehenden und etwa überwiegend gasförmig vorliegenden Wärmetauschermedium durchströmbar ist.
Es ist insoweit insbesondere vorgesehen, dass ein Zulauf für den Zwischenraum des Wärmetauschers stromabwärts eines Verdampfers und ein entsprechender Ablauf stromaufwärts eines Kompressors im Kältemittelkreislauf einbindbar ist, während ein mit dem Innenrohr in Strömungsverbindung stehender Zulauf stromabwärts eines Kondensators und ein mit dem zumindest einem Innenrohr in Strömungsverbindung stehender Ablauf stromaufwärts einer Expansionseinrichtung des Kältemittelkreislaufs vorgesehen ist.
In einem weiteren nebengeordneten Aspekt ist ferner eine Kraftfahrzeugklimaanlage vorgesehen, welche einen Kältemittelkreislauf aufweist, der zumindest einen Kompressor, einen Kondensator, eine Expansionseinrichtung sowie einen Verdampfer strömungstechnisch miteinander koppelt und welcher zumindest einen zuvor beschriebenen Wärmetauscher aufweist.
Schließlich ist ferner nach einem weiteren unabhängigen Aspekt ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Kraftfahrzeug-Klimaanlage bzw. mit einem zuvor beschriebenen Klimaanlage-Wärmetauscher vorgesehen.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Ziele, Merkmale, sowie vorteilhafte Ausgestaltungen und Anwendungsmöglichkeiten werden in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage,
2 eine in Längsrichtung geschnittene schematische Darstellung eines für die Klimaanlage vorgesehenen internen Wärmetauschers,
3 einen Querschnitt durch den Wärmetauscher gemäß 2,
4 einen Querschnitt durch eine alternative Ausgestaltung eines Wärmtauschers,
5 eine weitere Querschnittsdarstellung einer weiteren Wärmetauscherausgestaltung,
6 eine Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausgestaltung des Wärmetauschers,
7 eine isolierte Darstellung einer Wärmetauschereinheit im Querschnitt,
8 eine isolierte Darstellung der Wärmetauschereinheit gemäß 7 in Seitenansicht,
9 eine Seitenansicht eines sich spiralartig um ein Innenrohr windenden Wärmetauscherelements und
10 eine in Längsrichtung geschnittene Darstellung eines mehrere Wärmetauschereinheiten aufweisenden Wärmetauschers.
Die in 1 schematisch dargestellte Kraftfahrzeug-Klimaanlage 20 weist einen Kältemittelkreislauf 22 auf, welcher die einzelnen Klimaanlagenkomponenten, nämlich Kompressor 18, Kondensator 16, Wärmetauscher 10, Expansionsventil 12 sowie den Verdampfer 14 in einer an sich bekannten Art und Weise strömungstechnisch miteinander koppelt. Der Wärmetauscher 10 ist hochdruckseitig stromabwärts des Kondensators 16 und stromaufwärts der Expansionseinrichtung 12 angeordnet. Niederdruckseitig ist der Wärmetauscher 10 stromabwärts des Verdampfers 14 sowie stromaufwärts des Kompressors 18 vorgesehen.
Ein Hochtemperatur- und unter vergleichsweise hohem Druck stehendes Wärmetauschermedium 24, bzw. ein Kältemittel, wird durch das im Wärmetauscher 10 in entgegengesetzter Richtung strömende Niederdruck- und Niedertemperatur-Wärmetauschermedium 24 der Expansionseinrichtung 12 vorgelagert unterkühlt. Durch diesen internen Wärmeaustausch im Kältemittelkreislauf 22 kann der Wirkungsgrad der Kraftfahrzeug-Klimaanlage 20 verbessert werden.
Der in einem Längsquerschnitt in 2 schematisch dargestellte Klimaanlagen-interne Wärmetauscher 10 weist ein etwa als Außenrohr ausgebildetes Gehäuse 40 auf, welches in Längs- bzw. Axialrichtung (z) von einem Innenrohr 30 zentrisch durchsetzt ist. In dem Bereich, in welchem das Innenrohr 30 vom Gehäuse 40 umschlossen ist, entsteht ein von einem Wärmetauschermedium 24 durchströmbarer Zwischenraum 41.
Am Außenumfang 39 des sich innerhalb des Gehäuses 40 befindenden Innenrohrs 30 sind mehrere in Längsrichtung (z) voneinander beabstandete Wärmetauscherelemente 32 angeordnet, welche sich in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung (z) des Innenrohrs 30 erstrecken. Die einzelnen Wärmetauscherelemente 32 weisen hierbei jeweils einen helixartig gewendelten Draht auf, der mit dem Außenumfang 39 des Innenrohrs 30 in thermischem Kontakt steht.
Die einzelnen Windungen 34 oder Schleifen des Wärmetauscherelements 32 sind mit ihrer dem Innenrohr 30 zugewandten Seite in unmittelbarem Kontakt mit dem Innenrohr 30, sodass mittels der Wärmetauscherelemente 32 die vom Wärmetauschermedium 24 an das Innenrohr 30 übertragbare thermische Energie an das in Gegenrichtung durch den Zwischenraum 41 strömende Wärmetauschermedium 24 abgegeben werden kann.
Die Richtung des Wärmeübertrags ist grundsätzlich beliebig und hängt lediglich vom Temperaturunterschied zwischen dem im Zwischenraum 41 und im Innenrohr 30 strömenden Wärmetauschermedium 24 ab.
Wie in 2 dargestellt, durchsetzt das Innenrohr 30 die an den Längsenden des Gehäuses 40 ausgebildeten Stirnwände 46. Die jeweilige Stirnwand 46 weist zudem einen in 2 links dargestellten Ablauf 38 sowie einen in 2 rechts dargestellten Zulauf 36 für das in den Zwischenraum 41 einströmende Wärmetauschermedium 24, insbesondere für ein unter niedrigem Druck stehendes und überwiegend gasförmig vorliegendes Wärmetauschermedium 24 auf.
Der in 2 dargestellte Wärmetauscher 10 ist insbesondere im Gegenstrommodus betreibbar. Während das den Zwischenraum 41 beaufschlagende Wärmetauschermedium 24 über den Zulauf 36 in 2 von rechts nach links zum Ablauf 38 strömt ist das Innenrohr 30 in entgegengesetzter Richtung vom Wärmetauschermedium 24 durchströmbar. Es weist insoweit einen vom linken Endabschnitt des Gehäuses 40 hervorstehende Zulauf 35 sowie eine vom rechten Ende des Gehäuses 40 hervorstehenden Ablauf 37 auf.
Der Querschnitt gemäß 3 und die hiermit korrespondierende Darstellung gemäß 7 zeigt einen Querschnitt durch den Wärmetauscher 10 bzw. durch eine vom Innenrohr 30 und vom zumindest einen Wärmetauscherelement 32 gebildete Wärmetauschereinheit 33. Hier ist deutlich zu erkennen, dass die einzelnen, in Umfangsrichtung (w) aneinander gereihten und einstückig miteinander verbundenen Windungen 34 jeweils mit ihrer radial innen liegenden Seite mit der Außenseite bzw. mit dem Außenumfang des Innenrohrs 30 unmittelbar verbunden sind.
Der zweifache Außendurchmesser der Windungen 34 addiert mit dem Außendurchmesser des Innenrohrs 30, ergibt somit einen Außendurchmesser D, der in 7 isoliert dargestellten Wärmetauschereinheit 33. Durch Variation des Durchmessers der einzelnen Windungen 34 bzw. der Schleifengröße des gewundenen und gewendelten Drahts als auch durch Variation eines Innendurchmessers d des Innenrohrs 30 sind unterschiedlichste Ausgestaltungen des Wärmetauschers, wie in den 3 bis 6 gezeigt, denkbar.
Die Erstreckung der einzelnen Windungen 34 des Wärmetauscherelements 32 in Radialrichtung (r) ist von Vorteil derart gewählt, dass zwischen dem in Radialrichtung (r) außen liegenden freien Ende der Windungen 34 und der Innenseite des Gehäuses 40 ein Freiraum oder Ringspalt verbleibt, der vom Wärmetauschermedium 24 durchströmbar ist.
Die Ausgestaltung gemäß 3 mit nur einer Wärmetauschereinheit 33 weist Wärmetauscherelemente 32 mit Windungen 34 auf, die sich in Radialrichtung vergleichsweise lang erstrecken. Der Durchmesser bzw. die radiale Erstreckung der einzelnen Windungen 34 des Wärmetauscherelements 32 ist in 3 dergestalt, dass der sich hieraus ergebende Querschnitt der von Innenrohr 30 und Wärmetauscherelement 32 gebildeten Wärmetauschereinheit 33 den Innenquerschnitt des Gehäuses 40 überwiegend ausfüllt.
Anstelle einer einzigen Wärmetauschereinheit 33 können gemäß der in 4 gezeigten Ausgestaltung auch mehrere, bevorzugt parallel zueinander verlaufende Wärmetauschereinheiten 33' vorgesehen werden, die in etwa gleichmäßig voneinander beabstandet innerhalb des Gehäuses 40 angeordnet sind. Im Unterschied zur Ausgestaltung gemäß 3 weisen die Windungen 34' der Wärmetauschereinheiten 33' als auch der Innendurchmesser des Innenrohrs 30' kleinere Abmessungen auf. Versuche haben gezeigt, dass die Verwendung von mehreren, jeweils mit Wärmetauscherelementen 32' bestückten Innenrohren 30' ein erhöhtes Maß an Wärmeaustausch im Vergleich zu einer in 3 gezeigten Ausgestaltung bereitstellen kann, welche lediglich ein Innenrohr 30 mit in Radialrichtung sich vergleichsweise groß oder lang erstreckenden Wärmetauscherelementen 32 aufweist.
Entsprechend der Anpassung und der Anordnung der innerhalb des Gehäuses 40 vorzusehenden Innenrohre 30 bzw. Wärmetauschereinheiten 33 kann auch die Geometrie und der Querschnitt des Gehäuses 40 von einer kreisrunden Geometrie abweichen.
In der Ausgestaltung gemäß 5 ist insoweit eine ovale Querschnittsgeometrie eines Gehäuses 42 vorgesehen, wobei zwei in etwa identisch ausgebildete Wärmetauschereinheiten 33' entlang der längeren Halbachse des ovalen Querschnitts des Gehäuses 42 voneinander beabstandet sind.
In ähnlicher Art und Weise zeigt 6 eine weitere denkbare Ausgestaltung eines Gehäuses 44, welches seitliche Wangen aufweist, die im Wesentlichen eben und im Querschnitt zumindest bereichsweise geradlinig ausgebildet sind.
Insoweit ist die Ausgestaltung und Konfiguration des Wärmetauschers 10 nicht auf eine koaxiale Anordnung eines oder mehrere Innenrohre 30 bezüglich des Gehäuses 40 beschränkt. So können nahezu beliebige Gehäusegeometrien und Querschnitte vorgesehen werden, die sich als strömungstechnisch und hinsichtlich ihres Platzbedarfs als günstig erweisen.
In 8 ist eine Wärmetauschereinheit 33 mit einem Innenrohr 30 und mehreren daran angeordneten Wärmetauscherelementen 32 isoliert in einer Seitenansicht gezeigt. Die einzelnen in sich helixartig gewendelten Wärmetauscherelemente 32 weisen hierbei eine ringartige Struktur auf und liegen jeweils in einer senkrecht zur Längserstreckung des Innenrohrs 30 ausgerichteten Ebene. Die in 8 gezeigten Wärmetauscherelemente 32 können äquidistant, etwa in einem axialen Abstand a zueinander angeordnet sein.
Durch Variation des axialen Abstands a können unterschiedlich viele Wärmetauscherelemente 32 entlang des Innenrohrs 30 innerhalb des Gehäuses 40 angeordnet werden, sodass eine hiermit einhergehende Wärmeaustauschkapazität des Wärmetauschers 10 individuell angepasst werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung, welche in 9 gezeigt ist, kann anstelle mehrerer ringartig ausgebildeter Wärmetauscherelemente 32 ein einziges sich helixartig um das Innenrohr 30 windendes Wärmetauscherelement 52 vorgesehen werden. Dieses bildet zusammen mit dem Innenrohr 30 eine weitere Wärmetauschereinheit 53. Eine Steigung s des sich helixartig um das Innenrohr 30 windenden Wärmetauscherelements 52 kann hier, vergleichbar dem axialen Abstand a zur Variation der Wärmeaustauschkapazität des Wärmetauschers 10 beliebig angepasst werden.
Das Wärmetauscherelement 52 weist ansonsten einen dem Wärmetauscherelement 32 vergleichbaren internen Aufbau auf. Es weist insbesondere einen helixartig gewendelten Draht auf, dessen einzelne Windungen 54 mit dem Außenumfang 39 des Innenrohrs 30 in thermischem Kontakt stehen. Es bildet ferner zusammen mit dem Innenrohr 30 eine Wärmetauschereinheit 53.
Es ist hierbei anzumerken dass bei sämtlichen in den Figuren gezeigten Ausgestaltungen das ringartige Wärmetauscherelement 32 durch ein sich helixartig um das Innenrohr 30 windendes Wärmetauscherelement 52 ersetzt werden kann, und umgekehrt.
In 10 ist schließlich eine Ausgestaltung eines Wärmetauschers 60 gezeigt, welcher ein ebenfalls als Außenrohr ausgebildetes Gehäuse 62 aufweist. Das Gehäuse 62 weist einen Zulauf 65 auf, über welchen das den Innenrohren 70, 72 zuzuführende Wärmetauschermedium 24 zunächst einer Verteilerkammer 78 zuführbar ist. Die Verteilerkammer 78 erstreckt sich hierbei in etwa über den gesamten Innenquerschnitt des Gehäuses 62 und mündet in die sich hieran in Längsrichtung (z) erstreckenden Innenrohre 70, 72.
Der Verteilerkammer 78 ist hierbei ferner durch eine sich über den gesamten Innenquerschnitten des Gehäuses 62 erstreckende Trennwand 74 vom Zwischenraum 61 getrennt, welcher von dem in Gegenrichtung strömenden, vorzugsweise gasförmig vorliegenden Wärmetauschermedium 24 durchströmbar ist. Innerhalb des Zwischenraums 61 weisen die Innenrohre 70, 72 jeweils ein zuvor zu 9 beschriebenes Wärmetauscherelement 52 auf. Das Wärmetauscherrohr 70 bildet hierbei mit dem Wärmetauscherelement 52 eine Wärmetauschereinheit 71, während das Innenrohr 72 zusammen mit einem weiteren Wärmetauscherelement 52 eine weitere Wärmetauschereinheit 73 bildet.
Die Innenrohre 70, 72 münden in eine Sammelkammer 80, welche in einem dem Zulauf 65 abgewandten, in 10 rechts dargestellten Endabschnitt des Gehäuses 62 vorgesehen ist. Die Sammelkammer 80 mündet ferner in einem Ablauf 67, welcher insbesondere stromaufwärts der Expansionseinrichtung 12 im Wärmetauscherkreislauf 22 gemäß 1 einbindbar ist. Der gegenüberliegende Zulauf 65 ist hingegen stromabwärts des Kondensators 16 vorgesehen.
Die Verteilerkammer 78 ist in Längsrichtung (z) einerseits von einer Stirnwand 64 des Gehäuses 62 und gegenüberliegend, dem durchströmbaren Zwischenraum 61 zugewandt, mittels einer Trennwand 74 vom Zwischenraum 61 getrennt. In ähnlicher Art und Weise ist auch die Sammelkammer 80 einerseits von einer Stirnwand 64 und andererseits von einer Trennwand 76 vom durchströmbaren Zwischenraum 61 getrennt. Die jeweiligen Trennwände 74, 76 sind hierbei von den gegenüberliegenden Enden der Innenrohre 70, 72 durchsetzt.
Der in 10 gezeigte Wärmetauscher 60 weist ferner einen Zulauf 66 auf, welcher sowohl die rechts gezeigte Stirnwand 64 als auch die Trennwand 76 durchsetzt. Jener Zulauf 66 ist insbesondere stromabwärts eines Verdampfers 14 in den Kältemittelkreislauf 22 einer Klimaanlage 20 einbindbar. Der Zulauf 66 mündet in einer durch die Trennwand 76 von der Sammelkammer 80 getrennten Verteilerkammer 82, über welche das überwiegend gasförmig zugeführte Wärmetauschermedium 24 radial verteilt und über mehrere Durchgangsöffnungen 86 in einer andern Ends der Verteilerkammer 82 vorgesehenen Verteilerwand 84 in den Zwischenraum 61 strömen kann.
Die Verteilerwand 84 stellt insoweit eine Drosselfunktion bereit und bewirkt eine radiale Verteilung des zugeführten Wärmetauschermediums 24. Das von rechts nach links durch den Wärmetauscher 60 strömende Wärmetauschermedium 24 umströmt die beiden Innenrohre 70, 72 sowie die hiermit in thermischem Kontakt stehenden Wärmetauscherelemente 52. Auslassseitig ist ein Ablauf 68 vorgesehen, welcher die linke Stirnwand 64 als auch die Trennwand 74 durchsetzt.
Über den Ablauf 68 kann das durch den Zwischenraum 61 strömende Wärmetauschermedium aus dem Wärmetauscher 60 herausströmen. Der Ablauf 68 ist hierbei insbesondere stromaufwärts eines Kompressors 18 einer Klimaanlage 20 vorzusehen und ist dementsprechend mit einer Eingangsseite des Kompressors 18 koppelbar.
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

10: Wärmetauscher
12: Expansionseinrichtung
14: Verdampfer
16: Kondensator
18: Kompressor
20: Klimaanlage
22: Kältemittelkreislauf
24: Wärmetauschermedium
30: Innenrohr
32: Wärmetauscherelement
33: Wärmetauschereinheit
34: Windung
35: Zulauf
36: Zulauf
37: Ablauf
38: Ablauf
39: Außenumfang
40: Gehäuse
41: Zwischenraum
42: Gehäuse
44: Gehäuse
46: Stirnwand
52: Wärmetauscherelement
53: Wärmetauschereinheit
54: Windung
60: Wärmetauscher
61: Zwischenraum
62: Gehäuse
64: Stirnwand
65: Zulauf
66: Zulauf
67: Ablauf
68: Ablauf
70: Innenrohr
71: Wärmetauschereinheit
72: Innenrohr
73: Wärmetauschereinheit
74: Trennwand
76: Trennwand
78: Verteilerkammer
80: Sammelkammer
82: Verteilerkammer
84: Verteilerwand
86: Durchgangsöffnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2148161 A2 [0004]

Claims

Wärmetauscher für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage mit zumindest einem Innenrohr (30; 70, 72) und einem Gehäuse (40; 42; 44; 62), welches das Innenrohr (30; 70, 72) zur Bildung eines von einem Wärmetauschermedium (24) durchströmbaren Zwischenraums (41; 61) zumindest bereichsweise umschließt und wobei zumindest ein in sich helixartig gewendeltes und einen Außenumfang (39) des Innenrohrs (30; 70, 72) zumindest bereichsweise umschließendes Wärmetauscherelement (32; 52) mit dem Innenrohr (30; 70, 72) thermisch gekoppelt ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei das Wärmetauscherelement (24; 52) einen gewendelten Draht aufweist, welcher am Innenrohr (30; 70, 72) angeordnet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehrere Wärmetauscherelemente (32) vorgesehen sind, welche in Längsrichtung (z) des Innenrohrs (30) voneinander beabstandet angeordnet sind und eine geschlossene, ringförmige Struktur aufweisen.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich das zumindest eine Wärmetauscherelement (52) helixartig um den Außenumfang (39) des Innenrohrs (30; 70, 72) windet.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (40; 42; 44; 62) als Außenrohr ausgebildet ist und einen kreisrunden, ovalen oder elliptischen Querschnitt aufweist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein an einem axialen Ende des Gehäuses (40) vorgesehener Zulauf (36) radial versetzt zu einem am gegenüberliegenden Ende des Gehäuses (40) angrenzenden Ablauf (38) angeordnet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei innerhalb des Gehäuses (40; 42; 44; 62) mehrere Wärmetauschereinheiten (33', 71, 73) angeordnet sind, welche jeweils ein Innenrohr (30; 70, 72) und zumindest ein hiermit thermisch gekoppeltes Wärmetauscherelement (32; 52) aufweisen.
Wärmetauscher nach Anspruch 7, wobei die Wärmetauschereinheiten (33'; 71, 73) parallel zueinander ausgerichtet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 oder 8, wobei die Wärmetauschereinheiten (33', 71, 73) parallel zur Längsrichtung (z) des Gehäuses (40; 42; 44; 62) und/oder parallel zur Längsrichtung (z) des Innenrohrs (30; 70, 72) angeordnet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, wobei die Innenrohre (70, 72) innerhalb des Gehäuses (62) über eine Verteilerkammer (78) und/oder über eine Sammelkammer (80) mit einem Zulauf (65) und/oder mit einem Ablauf (67) des Gehäuses (62) in Strömungsverbindung stehen.
Wärmetauscher nach Anspruch 10, wobei die Verteilerkammer (78) und/oder die Sammelkammer (80) von zumindest einer sich über den gesamten Innenquerschnitt des Gehäuses (62) erstreckenden Trennwand (74, 76) begrenzt sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 oder 11, wobei ein Zulauf (66) und/oder ein Ablauf (68) zur Beaufschlagung des Zwischenraums (61) mit dem Wärmetauschermedium (24) die Verteilerkammer (78) und/oder die Sammelkammer (80) durchsetzt.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Zwischenraum (41; 61) niederdruckseitig in einen Kältemittelkreislauf (22) einer Kraftfahrzeugklimaanlage (20) einbindbar ist und/oder wobei ein Innenraum (31) des Innenrohrs (30; 70; 72) hochdruckseitig in einen Kältemittelkreislauf (22) einer Kraftfahrzeugklimaanlage (20) einbindbar ist.
Kraftfahrzeug-Klimaanlage mit einem Kältemittelkreislauf (22), der zumindest einen Kompressor (18), einen Kondensator (16), eine Expansionseinrichtung (12) sowie einen Verdampfer (14) strömungstechnisch miteinander koppelt und der zumindest einen Wärmetauscher (10; 60) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Kraftfahrzeug mit einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage nach Patentanspruch 14 oder mit einem Wärmetauscher (10; 60) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13.