DE102012017404A1

DE102012017404A1 - Interner Wärmetauscher für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage

Info

Publication number: DE102012017404A1
Application number: DE201210017404
Authority: DE
Inventors: Artem SERYI; Kai-Ove PIETSCH; Lothar SEYBOLD; Sebastian Bellm
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-09-03
Filing date: 2012-09-03
Publication date: 2014-03-27

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage mit zumindest einem Innenrohr (34, 36; 38) und mit einem Außenrohr (32), welches das zumindest eine Innenrohr (34, 36; 38) unter Bildung eines von einem Wärmetauschermedium durchströmbaren Zwischenraums (33) zumindest bereichsweise umschließt, wobei das zumindest eine Innenrohr (34, 36; 38) als Mehrkanalrohr ausgebildet ist und mehrere parallel zueinander verlaufende Strömungskanäle (40; 42) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen 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 (IHX) 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 Bedeutung. In einem bestehenden Fahrzeug-Package, welches kaum Spielraum zur individuellen Adaption oder Veränderung der Außenkontur, bzw. Außengeometrie des Wärmetauschers bietet, ist es verhältnismäßig schwierig, derartige Wärmetauscher hinsichtlich ihrer Wärmetauscherkapazität an vorgegebene Anforderungen individuell, etwa fahrzeugtypenspezifisch anzupassen.
Einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt insoweit die Aufgabe zugrunde, 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 14, schließlich mit einem Kraftfahrzeug gemäß Patentanspruch 15 gelöst, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jeweils Gegenstand abhängiger Patentansprüche sind.
Demgemäß ist ein Wärmetauscher für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage vorgesehen, welcher zumindest ein Innenrohr und ein Außenrohr aufweist. Das Außenrohr umschließt hierbei das zumindest eine Innenrohr unter Bildung eines von einem Wärmetauschermedium durchströmbaren Zwischenraums. Das Innenrohr ist dabei zumindest bereichsweise vom Außenrohr umschlossen. Ferner sind das zumindest eine Innenrohr und das Außenrohr nach dem Gegenstromprinzip von dem innerhalb eines Kältemittelkreislaufs einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage zirkulierenden Wärmetauschermediums durchströmbar.
Es ist hierbei vorgesehen, dass das zumindest eine Innenrohr als Mehrkanal- oder als Mehrkammerrohr ausgebildet ist und mehrere, das heißt zumindest zwei parallel zueinander verlaufende Strömungskanäle aufweist. Die Strömungskanäle des Mehrkanal- oder Mehrkammerrohrs sind dabei mit dem Wärmetauschermedium beaufschlagbar. Im Betrieb des Wärmetauschers ist insoweit vorgesehen, dass etwa ein unter einem vergleichsweise hohen Druck stehendes und eine hohe Temperatur aufweisendes Wärmetauschermedium durch die Strömungskanäle des Mehrkanalrohrs strömen kann, während der zwischen dem zumindest einen Mehrkanalrohr und dem Außenrohr gebildete Zwischenraum in Gegenrichtung von einem vergleichsweise kalten oder entsprechend niedriger temperierten Wärmetauschermedium, welches unter einem geringeren Druck steht, durchströmbar ist.
Durch die Ausgestaltung des zumindest einen Innenrohrs in Form eines Mehrkanalrohrs, kann das Wärmetauschermedium auf eine Vielzahl einzelner Strömungskanäle aufgeteilt werden. Zudem kann durch die Ausgestaltung in Form eines Mehrkanalrohrs die Oberfläche des Innenrohrs im Vergleich zu einem einen einzigen Strömungskanal aufweisenden Innenrohr, welches etwa einen hierzu vergleichbaren Gesamtströmungsquerschnitt aufweist, in vorteilhafter Weise vergrößert werden. Dies kann sich vorteilhaft auf die Wärmetauscherkapazität des Wärmetauschers auswirken, sodass ohne Veränderung der Außengeometrie des Wärmetauschers eine Leistungssteigerung des Wärmetauschers, zumindest aber eine Anpassung seiner Wärmetauscherkapazität an vorgegebene Anforderungen erreicht werden kann.
Der vom Wärmetauschermedium durchströmbare Innenquerschnitt der Strömungskanäle des Mehrkanalrohrs liegt typischerweise im Bereich von 1,0 bis 1,5 mm. Der Innenquerschnitt der Strömungskanäle kann aber auch unterhalb von 1,0 mm liegen. Damit der Wärmetauscher vorgegebene Anforderungen hinsichtlich eines Druckverlusts erfüllt, weist das zumindest eine Mehrkanalrohr eine Vielzahl parallel zueinander verlaufender Strömungskanäle auf. Eine große Anzahl an Strömungskanälen innerhalb des Mehrkanalrohrs bedingt eine vergleichsweise große Querschnittsfläche bzw. Außenoberfläche des Mehrkanalrohrs, sodass der Wärmeübertrag vom Mehrkanalrohr zum durch den Zwischenraum strömenden Wärmetauschermedium entsprechend gesteigert werden kann.
In vorteilhafter Ausgestaltung weist das zumindest eine Innenrohr einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf. Rechteckiger Querschnitt meint hierbei, dass das Innenrohr an seinen Querschnittsrändern nicht zwangsläufig eckig auszubilden ist, sondern dass es im Querschnitt ein unterschiedliches Breiten-zu-Höhen-Verhältnis aufweisen kann. Ein Innenrohr mit einem etwa rechteckigen Querschnitt weist im Vergleich zu einem Rohr mit einem runden oder etwa quadratischen Querschnitt eine größere Außenoberfläche auf, wodurch ein Wärmeaustausch begünstigt werden kann.
Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass der Querschnitt des zumindest einen Innenrohrs ein Breiten-zu-Höhen-Verhältnis von zumindest 2:1, 3:1, 4:1, 5:1, 7:1, 10:1 oder 15:1 aufweist. Das heißt, die Breite des Innenrohrs ist zumindest doppelt so groß wie dessen Höhe. Insoweit kann das als Innenrohr ausgebildete Mehrkanalrohr auch als Flachrohr bezeichnet werden.
Das Breiten-zu-Höhen-Verhältnis des Querschnitts des zumindest einen Innenrohrs kann insbesondere an die vorgegebenen Wärmetauscherkapazitäten angepasst sein. Insbesondere kann durch Variieren des Breiten-zu-Höhen-Verhältnisses des als Mehrkanalrohr ausgebildeten Innenrohrs dessen Wärmetauscherleistung gezielt verändert werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die Strömungskanäle in einer Breitenrichtung (b) des Innenrohrs nebeneinander angeordnet. Hieraus ergibt sich, dass die einzelnen Strömungskanäle, etwa in Breitenrichtung (b) betrachtet, aufeinanderfolgend in einer etwa eindimensionalen linearen Struktur angeordnet sind. Bis auf die beiden, in Breitenrichtung (b) am Rand des Innenrohrs vorgesehenen Strömungskanäle sind sämtliche dazwischenliegenden Strömungskanäle des Mehrkanalrohrs jeweils zwischen zwei gegenüberliegend benachbarten Strömungskanälen angeordnet. Eine derart lineare Anordnung der einzelnen Strömungskanäle kann dem Mehrkanalrohr einen geforderten, annähernd rechteckigen Querschnitt mit einer vergleichsweise großen Rohroberfläche verleihen.
In einer Richtung senkrecht hierzu, etwa in einer Höhenrichtung (a) des Innenrohrs sind die Strömungskanäle den gegenüberliegenden Außenseiten oder Außenkonturen des Innenrohrs unmittelbar zugewandt. Folglich kann jeder der Strömungskanäle des Innenrohrs, zumindest in Höhenrichtung (a) betrachtet, in direktem thermischem Kontakt zur Außenseite des Innenrohrs stehen. Bei einer etwa rechteckigen Querschnittsgeometrie bezeichnet die Höhenrichtung (a) die kurze Außenseite während die Breitenrichtung (b) die im Vergleich hierzu längere Außenseite des Mehrkanalrohrs bezeichnet: Der unmittelbare thermische Kontakt eines jeden Strömungskanals des Innenrohrs zur Außenseite des Innenrohrs begünstigt den Wärmeaustausch eines durch die Strömungskanäle fließenden Wärmetauschermediums mit der Umgebung des Mehrkanalrohrs.
So ist nach einer weiteren Ausgestaltung ferner vorgesehen, dass sämtliche Strömungskanäle eines Innenrohrs, in einer Höhenrichtung (a) des Innenrohrs betrachtet, einen im Wesentlichen identischen Abstand zu einer Außenseite des Innenrohrs aufweisen, bevorzugt zu beiden gegenüberliegenden Außenseiten des Innenrohrs jeweils identische Abstände aufweisen. Hierdurch kann an gegenüberliegenden Außenseiten des Innenrohrs ein gleichmäßiger Wärmeaustausch erfolgen.
Der Abstand der Strömungskanäle zu den Außenseiten des Innenrohrs ist von Vorteil lediglich durch die Wandstärke der Strömungskanäle bedingt und vorgegeben. Die genannten Abstände zur Außenseite bzw. Wandstärken des Mehrkanalrohrs können etwa im Bereich von 0,15 mm bis 0,5 mm liegen. Eine solch vergleichsweise dünnwandige Ausgestaltung des Innenrohrs und seiner hierin verlaufenden Strömungskanäle ermöglicht einen effizienten und zügigen Wärmeaustausch mit dem durch den Zwischenraum strömenden Wärmetauschermedium.
Nach einer weiteren Ausgestaltung können die Strömungskanäle einen eckigen, runden oder ovalen Querschnitt aufweisen.
Von Vorteil ist das Mehrkanalrohr in Form eines extrudierten Metallrohrs, insbesondere als extrudiertes Leichtmetall, etwa als Aluminiumrohr ausgebildet. Im Querschnitt runde Strömungskanäle weisen einen geringeren Strömungswiderstand als eckige oder ovale Strömungskanäle auf. Durch geeignete Wahl eines oder unterschiedlicher Querschnittsprofile für die Strömungskanäle innerhalb des Mehrkanalrohrs können dessen fluidtechnische Strömungseigenschaften sowie ein hieraus resultierender Wärmeaustausch gezielt verändert werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind zumindest zwei strömungstechnisch parallel geschaltete und bevorzugt zueinander parallel verlaufende Innenrohre innerhalb des Außenrohrs angeordnet. Hierbei kann jedes der Innenrohre als Mehrkanalrohr ausgebildet sein. Es ist aber auch denkbar, dass nur ein einziges oder einige wenige unter einer Vielzahl von Innenrohren als Mehrkanalrohr ausgebildet sind. Ebenso ist denkbar, dass die zumindest zwei Innenrohre nicht parallel zueinander verlaufen sondern sich unter einem von der Längsrichtung des Wärmetauschers abweichenden Winkel erstrecken.
Hinsichtlich ihrer konkreten Ausgestaltung können die Mehrkanalrohre, insbesondere was die Kontur, Geometrie und Abmessungen ihrer Strömungskanäle anbelangt, sowohl weitgehend identisch als auch unterschiedlich ausgebildet sein. Die miteinander parallel geschalteten Innenrohre sind jedenfalls derart strömungstechnisch miteinander gekoppelt, dass sich das über einen Zulauf dem Wärmetauscher zugeführte Wärmetauschermedium auf die zumindest zwei Innenrohre verteilt.
Durch Vorsehen von zumindest zwei, bevorzugt von mehreren, jeweils als Mehrkanalrohr ausgebildeten Innenrohren kann der gesamte Innenraum des Außenrohrs unter Bildung durchströmbarer Zwischenräume mit einer Vielzahl von Innenrohren ausgefüllt werden. Die Anzahl der jeweils als Mehrkanalrohr ausgebildeten Innenrohre als auch deren Ausgestaltung kann hierbei einer gezielten Anpassung der Wärmetauscherleistung des Wärmetauschers dienen.
Die Mehrkanalrohre verlaufen im Wesentlichen geradlinig innerhalb des Außenrohrs. Sie verlaufen bevorzugt verwindungs- sowie krümmungsfrei innerhalb des Außenrohrs.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die zumindest zwei Innenrohre in einer im Wesentlichen senkrecht zu den Strömungskanälen verlaufenden Querschnittsebene im Wesentlichen parallel oder unter einem vorgegebenen Winkel zueinander ausgerichtet. Je nach Querschnittsgeometrie der Innenrohre kann es erforderlich werden, dass die Innenrohre nicht sämtlichst parallel zueinander innerhalb des Außenrohrs ausrichtbar oder anordenbar sind. So können einzelne Innenrohre auch etwa unter Bildung einer Stern- oder Dreiecksstruktur in der Querschnittsebene des Wärmetauschers zueinander ausgerichtet sein.
Die Anordnung und Ausrichtung mehrerer innerhalb des Außenrohrs vorzusehender Innenrohre beeinflusst die Strömungscharakteristik des im Zwischenraum zwischen Innenrohr und Außenrohr strömenden Wärmetauschermediums. Durch geeignete Konfiguration, Anordnung und Ausrichtung der Innenrohre können insbesondere solche, einen möglichst großen Wärmeaustausch begünstigende Strömungsverhältnisse innerhalb des Außenrohrs geschaffen werden.
Insbesondere wenn das Außenrohr eine etwa kreisrunde Querschnittsgeometrie aufweist, können die zumindest zwei Innenrohre im Wesentlichen punktsymmetrisch zu einer gedachten Mittelpunktslinie des Außenrohrs angeordnet und/oder dementsprechend zueinander ausgerichtet sein. So können die Innenrohre etwa mit ihren Breitenrichtungen sternförmig radial nach außen ragend ausgerichtet sein. Andere Anordnungen der Innenrohre können zum Beispiel vorsehen, dass sämtliche Innenrohre parallel zueinander ausgerichtet sind. Eine solche Ausgestaltung kann sich als besonders fertigungsrationell und kostengünstig erweisen.
Ferner sind auch gemischte Konfigurationen denkbar, bei denen sich zum Beispiel einzelne Innenrohre nahezu über den gesamten Innenquerschnitt des Außenrohrs erstrecken und dementsprechend nahezu mittig innerhalb des Außenrohrs angeordnet sind. Hierbei können weitere Innenrohre, etwa unter einem vorgegebenen Winkel, annähernd tangential zur Außenrohrbegrenzung ausgerichtet sein.
In einer weiteren Ausgestaltung münden die Strömungskanäle des zumindest einen Innenrohrs einen Ends in einen Verteilerraum und anderen Ends in einen Sammlerraum des Wärmetauschers, wobei sich der Verteilerraum und der Sammlerraum jeweils im Wesentlichen über den gesamten Innenquerschnitt des Außenrohrs erstrecken und in Längsrichtung des Außenrohrs vom durchströmbaren Zwischenraum getrennt sind.
Bei einer Ausgestaltung mit mehreren Innenrohren können hierbei sämtliche Strömungskanäle sämtlicher Innenrohre gleichermaßen in den Sammler- und/oder Verteilerraum münden, sodass sich ein dem Verteilerraum zugeführtes Wärmetauschermedium gleichermaßen auf sämtliche, von den diversen Mehrkanalrohren zur Verfügung gestellte Strömungskanäle verteilen kann. In gleicher Art und Weise kann das durch die Mehrkanalrohre strömende Wärmetauschermedium im Sammlerraum gesammelt oder aufgefangen und einem einzigen Auslass des Wärmetauschers zugeführt werden.
Mittels des Verteiler- und/oder Sammlerraums erübrigt sich eine verrohrte Verzweigung wärmetauscherseitiger Zu- und Abläufe auf die einzelnen Strömungskanäle des zumindest einen Mehrkanalrohrs. Für den Sammlerraum als auch für den Verteilerraum sind insoweit Trennwände mit Durchgangsöffnungen vorgesehen, in welchen die Mehrkanalrohre mit ihren Strömungskanälen abdichtend angeordnet sind.
Es ist hierbei insbesondere vorgesehen, dass die Trennwände den nach dem Gegenstromprinzip vom Wärmetauschermedium durchströmbaren Zwischenraum, in Längsrichtung des Außenrohrs betrachtet, begrenzen. Der Zwischenraum befindet sich insoweit zwischen den den Sammlerraum und den Verteilerraum bildenden Trennwänden.
Ein zur Beaufschlagung des Zwischenraums mit dem Wärmetauschermedium vorgesehener Zulauf durchsetzt nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung den Sammlerraum, während ein für den Zwischenraum vorgesehener Ablauf den Verteilerraum durchsetzt. Zulauf und Ablauf sind hierbei unmittelbar in den Kältemittelkreislauf der Klimaanlage einbindbar. Zulauf und Ablauf münden hierbei natürlich in denjenigen Abschnitten der den Sammlerraum und den Verteilerraum bildenden Trennwände, in welchen sich gerade kein Innenrohr befindet. Der Zulauf und der Ablauf für den Zwischenraum grenzen somit an innenrohrfreie Bereiche der Trennwände an. Hierdurch kann erreicht werden, dass der Zwischenraum in einem innenrohrfreien Bereich mit dem Wärmetauschermedium beaufschlagbar ist. Das Wärmetauschermedium kann sodann das zumindest eine, im Zwischenraum angeordnete Innenrohr gleichmäßig umströmen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind der Zulauf und der Ablauf, welche jeweils mit dem Zwischenraum in Strömungsverbindung stehen, radial versetzt zueinander angeordnet. Eine derartige Anordnung erzwingt quasi, dass ein über den Zulauf in den Zwischenraum eingeleitetes Wärmetauschermedium nicht bloß geradlinig und parallel zu den innerhalb des Zwischenraums vorgesehenen Innenrohren entlang strömt, sondern dass eine, bevorzugt von mehreren Innenrohren gebildete Innenrohrstruktur in Radialrichtung vom Wärmetauschermedium zwangsläufig um- oder durchströmt werden muss. Ein derartiges Umströmen oder Durchströmen kann die Wärmetauscherleistung abermals erhöhen.
Schließlich ist nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass das Außenrohr als Niederdruckleitung und dass das zumindest eine Innenrohr als Hochdruckleitung ausgebildet ist. Dementsprechend sind der Zulauf für den Zwischenraum des Wärmetauschers stromabwärts eines Verdampfers, der Ablauf des Zwischenraums stromabwärts eines Kompressors, ein mit dem zumindest einen Innenrohr in Strömungsverbindung stehender Zulauf stromabwärts eines Kondensators und ein Ablauf für das zumindest eine Innenrohr stromaufwärts einer Expansionseinrichtung im Kältemittelkreislauf einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage anordenbar.
Es gilt hierbei generell, dass die Niederdruckleitungen zur strömungstechnischen Kopplung von Verdampfer und Kompressor, die Hochdruckleitungen hingegen zur strömungstechnischen Kopplung von Kondensator und Expansionseinrichtung des Kältemittelkreislaufs der Klimaanlage ausgelegt sind.
Das zumindest eine Innenrohr wird im Betrieb des Wärmetauschers insoweit überwiegend von einem verdichteten Fluid durchströmt, während das Außenrohr bzw. der von Innenrohr und Außenrohr gebildete Zwischenraum von einem überwiegend gasförmigen Wärmetauschermedium in Gegenrichtung durchströmbar ist. Hierdurch kann eine besonders effiziente thermische Kopplung der in entgegengesetzten Richtungen strömenden Wärmetauschermedien erfolgen.
Nach einem weiteren unabhängigen Aspekt ist schließlich eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage mit einem Kältemittelkreislauf vorgesehen, der zumindest einen Kompressor, einen Kondensator, eine Expansionseinrichtung sowie einen Verdampfer strömungstechnisch zum Zirkulieren eines Wärmetauschermediums miteinander koppelt. Hierbei weist der Kältemittelkreislauf ferner einen zuvor beschriebenen Wärmetauscher auf, dessen Zwischenraum strömungstechnisch zwischen Verdampfer und Kompressor und dessen zumindest ein Innenrohr strömungstechnisch zwischen Kondensator und Expansionseinrichtung des Kältemittelkreislaufs eingebunden ist.
Auf diese Art und Weise kann ein zur Leistungssteigerung der Klimaanlage dienender Wärmeaustausch zwischen der stromabwärts des Verdampfers liegenden Niederdruckseite und der stromaufwärts der Expansionseinrichtung liegenden Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs bereitgestellt werden.
In einem weiteren unabhängigen Aspekt ist schließlich ein Kraftfahrzeug mit einer zuvor beschriebenen Klimaanlage bzw. mit zumindest einem zuvor beschriebenen etwa rohrförmig ausgebildeten Wärmetauscher vorgesehen.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Ziele, Vorteile sowie Anwendungsmöglichkeiten werden in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage mit internem Wärmetauscher,
2 einen Querschnitt durch den internen Wärmetauscher in Längsrichtung,
3 einen Querschnitt entlang A-A durch den Wärmetauscher gemäß 2,
4 eine alternative Ausgestaltung eines Wärmetauschers in Querschnittsdarstellung und
5 eine weitere alternative Ausgestaltung eines Wärmetauschers in Querschnittsdarstellung.
Detaillierte Beschreibung
Die in 1 schematisch dargestellte Kraftfahrzeug-Klimaanlage 20 weist einen Kältemittelkreislauf 22 auf, welcher die einzelnen Klimaanlagenkomponenten Kompressor 18, Kondensator 16, eine Expansionseinrichtung 12 sowie einen Verdampfer 14 in einer an sich bekannten Art und Weise strömungstechnisch miteinander koppelt. Ein interner Wärmetauscher 10 ist hierbei hochdruckseitig stromabwärts des Kondensators 16 und stromaufwärts der Expansionseinrichtung 12 angeordnet. Niederdruckseitig ist der interne Wärmetauscher 10 stromabwärts des Verdampfers 14 sowie stromaufwärts des Kompressors 18 vorgesehen.
Ein vergleichsweise unter hohem Druck und hoher Temperatur stehendes Wärmetauschermedium wird durch das im Wärmetauscher 10 in entgegengesetzter Richtung vom Verdampfer 14 zum Kompressor 18 fließende und unter vergleichsweise niedrigem Druck und niedriger Temperatur stehende Wärmetauschermedium der Expansionseinrichtung 12 vorgelagert unterkühlt. Durch diesen internen Wärmeaustausch im Kältemittelkreislauf 22 kann der Wirkungsgrad der Kraftfahrzeug-Klimaanlage 20 insgesamt verbessert werden.
Der hier vorgesehene interne Wärmetauscher 10 weist gemäß der Darstellung nach 2 ein etwa zylindrisches, demnach rohrförmiges Außenrohr 32 und mehrere Innenrohre 34, 36 auf. Die Innenrohre 34, 36 sind hierbei jeweils als Hochdruckleitung ausgebildet und sind über einen Verteilerraum 50 mit einem hochdruckseitigen Zulauf 28 sowie über einen stromabwärts vorgesehenen Sammlerraum 60 mit einem hochdruckseitigen Auslass 24 strömungstechnisch gekoppelt. Der Zulauf 28 ist stromabwärts des Kondensators 16 und der Ablauf 24 ist stromaufwärts der Expansionseinrichtung 12 im Kältemittelkreislauf 22 anzuordnen.
Für den sich zwischen dem Außenrohr 32 und den Innenrohren 34, 36 ergebenden Zwischenraum 33 sind ebenfalls zwei stirnseitige Anschlüsse in Form eines niederdruckseitigen Zulaufs 26 und eines niederdruckseitigen Ablaufs 30 vorgesehen. Der Zulauf 26 ist hierbei stromabwärts des Verdampfers 14 anzuordnen, während der Ablauf 30 stromaufwärts des Kompressors 18 in den Kältemittelkreislauf 22 einzubinden ist.
Aus dem Querschnitt der 3 wird deutlich, dass die Innenrohre 34, 36 jeweils als Mehrkanalrohr bzw. als Flachrohr mit einer Anzahl von nebeneinander angeordneten Strömungskanälen 40 ausgebildet sind. So sind zwei in 3 etwa horizontal ausgerichtete Innenrohre 34 vorgesehen, die sich nahezu über den gesamten durchströmbaren lichten Querschnitt des Außenrohrs 32 erstrecken. Die beiden Innenrohre 34 sind hierbei parallel zueinander, aber symmetrisch zu einer gedachten Mittelpunktslinie 44 des Außenrohrs 32 angeordnet.
Die weiteren, insgesamt vier Innenrohre 36, die jeweils unter etwa einem 45°-Winkel zu den Innenrohren 34 ausgerichtet sind, befinden sich radial außerhalb der beiden Innenrohre 34.
Die als Mehrkanalrohre ausgebildeten Innenrohre 34, 36 weisen ein Breiten-zu-Höhen-Verhältnis auf, welches deutlich oberhalb von 2:1 oder sogar oberhalb von 4:1 liegt. Die konkrete Ausgestaltung, Kontur und Bemessung der Innenrohre ist an vorgegebene Wärmetauscherleistungen und vorgegebene Druckverluste des Wärmetauschers im Einzelfall konkret anzupassen. Die Strömungskanäle 40 der Innenrohre 34, 36 sind in den Ausführungsbeispielen gemäß der 3 und 5 im Wesentlichen kreisrund ausgebildet.
Während sämtliche Strömungskanäle 40 der Innenrohre 34, 36 in Breitenrichtung (b) des jeweiligen Innenrohrs 34, 36 nebeneinander, quasi eindimensional aufgereiht angeordnet sind, ergeben sich in Höhenrichtung (a) des Innenrohrs betrachtet, vergleichsweise kurze Abstände der Strömungskanäle 40 zu den flachen bzw. annähernd eben ausgebildeten Außenseiten 35 der Innenrohre 34, 36. Hierdurch kann erreicht werden, dass ein Abstand der etwa fluidführenden Strömungskanäle 40 zur in entgegengesetzter Richtung vom Wärmetauschermedium durchströmbaren Zwischenraum 33 lediglich durch die Wandstärke der Strömungskanäle 40 innerhalb des jeweiligen Mehrkanalrohrs 34, 36 limitiert ist.
In der Ausgestaltung eines Wärmetauschers 70 gemäß 4 sind insgesamt sechs gleichartig ausgebildete Innenrohre 38 vorgesehen, welche jeweils eckig ausgebildete Strömungskanäle 42 aufweisen. Natürlich ist eine derartige sternförmige Geometrie und Ausrichtung der Innenrohre 38 auch mit andersartig ausgebildeten Innenrohren, so etwa mit den in den 3 und 5 gezeigten Innenrohren 36 mit im Querschnitt runden Strömungskanälen 40 denkbar.
In der Ausgestaltung eine Wärmetauschers 80 nach 5 sind hingegen die bereits zur 3 beschriebenen Innenrohre 34, 36 vorgesehen. In Abweichung zur Ausgestaltung nach 3 sind hierbei sämtliche Innenrohre 34, 36 jedoch im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet.
Sämtlichen, in den 3 bis 5 dargestellten Ausführungsformen ist jedoch gemein, dass das den Innenrohren 34, 36, 38 zuzuführende Wärmetauschermedium über einen stirnseitig am Wärmetauscher 10 vorgesehenen Sammlerraum 50 auf die einzelnen Innenrohre 34, 36, 38 verteilbar ist. Stromabwärts der Innenrohre 34, 36, 38 ist ferner ein Sammlerraum 60 vorgesehen, in welchem das durch die Innenrohre 34, 36, 38 und ihre Strömungskanäle 40, 42 strömende Wärmetauschermedium gesammelt werden kann. Der Verteilerraum 50 wird hierbei vom hochdruckseitigen Zulauf 28 gespeist, während der Sammlerraum 60 mit dem hochdruckseitigen Ablauf 24 in Strömungsverbindung steht.
Der Verteilerraum 50 ist ferner über eine Trennwand 52 vom Zwischenraum 33 hermetisch getrennt. Selbiges trifft für den Sammlerraum 60 zu, welcher über eine Trennwand 62 ebenfalls vom Zwischenraum 33 getrennt ist. Anderen Ends werden die sich im Wesentlichen über den gesamten Innenquerschnitt des Außenrohrs 32 erstreckenden Verteiler- und Sammlerräume 50, 60 von den außenliegenden Stirnwänden 54, 64 des Wärmetauschers 10 begrenzt.
Um den von Innenrohren 34, 36, 38 und Außenrohr 32 gebildeten Zwischenraum 33 mit einem überwiegend gasförmigen Wärmetauschermedium zu beaufschlagen, durchsetzt der hierfür vorgesehene Zulauf 26 sowohl die äußere Stirnwand 64 als auch die sammlerraumseitige Trennwand 62. Analog hierzu durchsetzt auch ein niederdruckseitiger Auslass 30 die den Verteilerraum 50 begrenzende Trennwand 52 und die dort vorgesehene Stirnwand 54.
Wie in den Querschnitten gemäß der 3 bis 5 angedeutet, sind die niederdruckseitigen Zu- und Abläufe 26, 30 radial versetzt zueinander angeordnet. Der radiale Versatz oder ein entsprechender Versatz in der sich senkrecht zum Verlauf der Strömungskanäle 40, 42 erstreckenden Querschnittsebene erzwingt ein entsprechendes radiales Umströmen der Innenrohre 34, 36, 38, sodass ein effizienter Wärmeaustausch zwischen Niederdruckseite und Hochdruckseite des Wärmetauschers 10 erreicht werden kann.
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: Ablauf
26: Zulauf
28: Zulauf
30: Ablauf
32: Außenrohr
33: Zwischenraum
34: Innenrohr
35: Außenseite
36: Innenrohr
38: Innenrohr
40: Strömungskanal
42: Strömungskanal
44: Mittelpunktslinie
50: Verteilerraum
52: Trennwand
54: Stirnwand
60: Sammlerraum
62: Trennwand
64: Stirnwand
70: Wärmetauscher
80: Wärmetauscher

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 (34, 36; 38) und mit einem Außenrohr (32), welches das zumindest eine Innenrohr (34, 36; 38) unter Bildung eines von einem Wärmetauschermedium durchströmbaren Zwischenraums (33) zumindest bereichsweise umschließt, wobei das zumindest eine Innenrohr (34, 36; 38) als Mehrkanalrohr ausgebildet ist und mehrere parallel zueinander verlaufende Strömungskanäle (40; 42) aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei das zumindest eine Innenrohr (34, 36; 38) einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Querschnitt des zumindest einen Innenrohrs (34, 36; 38) ein Breiten- zu Höhenverhältnis von zumindest 2:1, 3:1, 4:1, 5:1, 7:1, 10:1 oder 15:1 aufweist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strömungskanäle (40, 42) in einer Breitenrichtung (b) des Innenrohrs (34, 36; 38) nebeneinander angeordnet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sämtliche Strömungskanäle (40, 42) eines Innenrohrs (34, 36; 38) in einer Höhenrichtung (a) des Innenrohrs (34, 36; 38) betrachtet einen im Wesentlichen identischen Abstand zu einer Außenseite (35) des Innenrohrs (34, 36; 38) aufweisen.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strömungskanäle (40, 42) einen eckigen, runden oder ovalen Querschnitt aufweisen.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest zwei strömungstechnisch parallel geschaltete Innenrohre (34, 36; 38) innerhalb des Außenrohrs (32) angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 7, wobei die zumindest zwei Innenrohre (34, 36; 38) in einer im Wesentlichen senkrecht zu den Strömungskanälen (40, 42) verlaufenden Querschnittsebene im Wesentlichen parallel oder unter einem vorgegebenen Winkel zueinander ausgerichtet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 oder 8, wobei die zumindest zwei Innenrohre (34, 36; 38) im Wesentlichen punktsymmetrisch zu einer gedachten Mittelpunktslinie (44) des Außenrohrs (32) angeordnet und/oder ausgerichtet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strömungskanäle (40, 42) des zumindest einen Innenrohrs (34, 36; 38) einen Ends in einen Verteilerraum (50) und andern Ends in einen Sammlerraum (60) münden, wobei sich der Verteilerraum (50) und der Sammlerraum (60) jeweils im Wesentlichen über den gesamten Innenquerschnitt des Außenrohrs (32) erstrecken und in Längsrichtung des Außenrohrs (32) vom durchströmbaren Zwischenraum (33) getrennt sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Zulauf (26) für den Zwischenraum (33) den Sammlerraum (60) durchsetzt und ein Ablauf (30) für den Zwischenraum (33) den Verteilerraum (50) durchsetzt.
Wärmetauscher nach Anspruch 11, wobei der Zulauf (26) und der Ablauf (30), welche jeweils mit dem Zwischenraum (33) in Strömungsverbindung stehen, radial versetzt zueinander angeordnet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Außenrohr (32) als Niederdruckleitung und das zumindest eine Innenrohr (34, 36; 38) als Hochdruckleitung ausgebildet ist und wobei ein Zulauf (26) für den Zwischenraum (33) stromabwärts eines Verdampfers (14), ein Ablauf des Zwischenraums (33) stromaufwärts eines Kompressors (18), ein mit dem zumindest einen Innenrohr (34, 36; 38) in Strömungsverbindung stehender Zulauf (28) stromabwärts eines Kondensators (16) und ein Ablauf (24) für das zumindest eine Innenrohr (34, 36, 38) stromaufwärts einer Expansionseinrichtung (18) im Kältemittelkreislauf (12) einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage (20) anordenbar sind.
Kraftfahrzeug-Klimaanlage mit einem Kältemittelkreislauf (22), der zumindest einen Kompressor (18), einen Kondensator (16), eine Expansionseinrichtung (12) sowie einen Verdampfer (14) strömungstechnisch, zum Zirkulieren eines Wärmetauschermediums miteinander koppelt und der ferner einen Wärmetauscher (10; 70; 80) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Kraftfahrzeug mit einer Klimaanlage nach Anspruch 14 oder mit einem Wärmetauscher (10; 70; 80) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13.