DE102013007590A1

DE102013007590A1 - Interner Wärmetauscher für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage

Info

Publication number: DE102013007590A1
Application number: DE201310007590
Authority: DE
Inventors: Artem SERYI; Lothar SEYBOLD
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2013-05-02
Filing date: 2013-05-02
Publication date: 2014-11-06
Also published as: US20140326438A1; CN104132564A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für eine Kraftfahrzeugklimaanlage, mit einem Innenrohr (34) und mit einem Außenrohr (32), welches das Innenrohr (34) unter Bildung eines von einem Wärmetauschermedium durchströmbaren Zwischenraums (36) zumindest abschnittsweise in Rohrlängsrichtung (z) umschließt und wobei der Zwischenraum (36) zumindest abschnittsweise mittels sich zwischen dem Innenrohr (34) und dem Außenrohr (32) radial erstreckender Stege (42) in mehrere Strömungskanäle (37) unterteilt ist, welche in Rohrlängsrichtung (z) in einen durch eine radiale Verjüngung des Innenrohrs (32) gebildeten Verteiler- oder Sammlerraum (40) münden.

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 mit einem zwischen Kondensator und Expansionsventil verlaufenden Abschnitt des Kältemittelkreislaufs thermisch koppeln. Auf diese Art und Weise kann das vom Verdampfer zum Kompressor strömende vergleichsweise kalte Kältemittel zur (Vor-)Kühlung oder Unterkühlung des der Expansionseinrichtung auf der Hochdruckseite des Kältemittel-Kreislaufs zugeführten und vergleichsweise warmen Kältemittels Verwendung finden.
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.
Klimaanlagen-interne Wärmetauscher können ferner als Koaxialrohr-Wärmetauscher ausgebildet sein. Hierbei ist zumindest ein Innenrohr in Umfangsrichtung vollständig von einem Außenrohr umschlossen. Im Innenraum des Innenrohrs und im Zwischenraum zwischen Innen- und Außenrohr kann alsdann ein Austausch thermischer Energie zwischen dem jeweils in entgegengesetzter Strömungsrichtung fließenden Wärmetauschermedien stattfinden. Zum Anschließen von Koaxialrohr-Wärmetauschern in den Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage ist es erforderlich, das Innenrohr durch das Außenrohr hindurchzuführen bzw. einen entsprechenden Anschluss für das das Innenrohr umgebende Außenrohr bereitzustellen.
So beschreibt beispielsweise die EP 1 101 638 A1 eine Rohranordnung mit zumindest einem Verbinder. Der Verbinder weist hierbei eine zylindrische Form mit einer Kavität sowie einen ersten Durchgang durch ein erstes longitudinales Ende auf. Das Innenrohr erstreckt sich hierbei durch den ersten Durchgang und durch die Kavität. Der Verbinder enthält ferner eine radial erweiterte Öffnung an einem Ende der Kavität, um ein Außenrohr aufzunehmen. Das Außenrohr ist hierbei über einen Presssitz mit dem Verbinder verbunden.
Die Bereitstellung eines separaten Verbinders erhöht zum einen die Bauteilanzahl für einen klimaanlagen-internen Wärmetauscher. Zum anderen gestaltet sich der Herstellungs- und Montageprozess für derartige Verbindungslösungen vergleichsweise aufwendig. Da die Rohre im späteren Betrieb des Wärmetauschers mit einem unter Druck stehenden Wärmetauschermedium beaufschlagt werden ist eine fluiddichte, druckstabile sowie dauerhafte Verbindung der einzelnen Komponenten zu gewährleisten.
Einer Ausführung der vorliegenden Erfindung liegt insoweit die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten internen Wärmetauscher für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage bereitzustellen, welcher besonders effizient, kostengünstig und einfach herstellbar ist. Der Wärmetauscher soll sich ferner durch eine Bauteilreduzierung sowie durch eine mögliche Gewichtsminimierung und eine hohe Lebensdauer sowie durch eine gute thermische Belastbarkeit auszeichnen.
Diese Aufgabe wird mit einem Wärmetauscher gemäß Patentanspruch 1, mit einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage nach Patentanspruch 10, einem Kraftfahrzeug nach Patentanspruch 11 sowie mit einem Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers nach Patentanspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind hierbei jeweils Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
Demgemäß ist ein Wärmetauscher für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage vorgesehen. Der Wärmetauscher weist dabei ein Innenrohr und ein Außenrohr auf, wobei das Außenrohr das Innenrohr unter Bildung eines von einem Wärmetauschermedium durchströmbaren Zwischenraums zumindest abschnittsweise in Rohrlängsrichtung (z) umschließt. Jener in etwa ringförmig zwischen Innenrohr und Außenrohr ausgebildete Zwischenraum ist zumindest abschnittsweise mittels sich zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr radial erstreckender Stege in mehrere Strömungskanäle unterteilt. Die Strömungskanäle münden dabei in Rohrlängsrichtung in einen, durch eine radiale Verjüngung des Innenrohrs gebildeten, Verteiler- oder Sammlerraum des Wärmetauschers.
Typischerweise sind zumindest drei in Rohrumfangsrichtung etwa äquidistant voneinander beabstandete Stege vorgesehen, die den Zwischenraum zwischen Innenrohr und Außenrohr in dementsprechend viele, typischerweise in zumindest drei parallel in Rohrlängsrichtung zueinander verlaufende Strömungskanäle unterteilen, die vom Wärmetauschermedium in Rohrlängsrichtung durchströmbar sind. Innenrohr und Außenrohr sind insbesondere koaxial zueinander angeordnet, wobei der Mittelpunkt des Innenrohrs mit dem Mittelpunkt des Außenrohrs zusammenfällt.
Innenrohr und Außenrohr sind typischerweise zylindrisch, das heißt im Querschnitt kreisrund ausgebildet, sodass der zwischen Innenrohr und Außenrohr gebildete Zwischenraum, in Umfangsrichtung betrachtet, eine konstante radiale Erstreckung aufweist. Über die den Zwischenraum in mehrere Strömungskanäle unterteilenden Stege können sich Innenrohr und Außenrohr aneinander abstützen. Die Stege stellen insoweit auch eine wechselseitige radiale Fixierung von Innenrohr und Außenrohr bereit.
Da die typischerweise parallel zueinander verlaufenden Strömungskanäle des Zwischenraums durch die radialen Stege voneinander getrennt sind, ist für die Zufuhr und Abfuhr des Wärmetauschermediums zu und von den einzelnen Strömungskanälen zumindest ein Verteiler- oder Sammlerraum vorgesehen, welcher jeweils mit sämtlichen in Rohrlängsrichtung hieran angrenzenden Strömungskanälen des Zwischenraums in Strömungsverbindung steht. Vorliegend ist der Verteiler- oder Sammlerraum eine radiale Verjüngung des Innenrohrs, sodass sich im Bereich der radialen Verjüngung ein etwa ringförmiger Freiraum zwischen der radial verjüngten Außenfläche des Innenrohrs und der Innenfläche des Außenrohrs ergibt.
Die radiale Verjüngung des Innenrohrs kommt hierbei beabstandet zu den an der Innenseite des Außenrohrs vorgesehenen Stegen zu liegen, sodass über den sich etwa ringförmig um den Außenumfang des Innenrohrs erstreckenden Verteiler- oder Sammlerraums eine Strömungsverbindung sämtlicher hieran in Rohrlängsrichtung erstreckender Strömungskanäle ergeben kann.
Typischerweise weist das Innenrohr zwei in Rohrlängsrichtung voneinander beabstandete radiale Verjüngungen auf, von denen eine als Verteilerraum und die andere als Sammlerraum für das zugeführte Wärmetauschermedium fungiert. Die insoweit am oder im Innenrohr ausgebildete radiale Verjüngung ermöglicht ein Umströmen des Innenrohrs in Umfangsrichtung und somit ein Verteilen des dem Verteilerraum zugeführten Wärmetauschermediums auf die angrenzenden Strömungskanäle des Zwischenraums. Der dementsprechend ausgebildete und etwa andern Ends des Innenrohrs vorgesehene Sammlerraum kann durch seine Strömungs- oder Fluidverbindung zu sämtlichen Strömungskanälen eine Sammlerfunktion bereitstellen, sodass das über sämtliche Strömungskanäle strömende Wärmetauschermedium im Sammlerraum gesammelt und von dort sozusagen gebündelt durch das Gehäuse des Wärmetauschers in den Kältemittelkreislauf der Kraftfahrzeug-Klimaanlage überführt werden kann.
Dadurch dass der Verteiler- oder Sammlerraum durch eine radiale Verjüngung des Innenrohrs gebildet wird, sind bislang vorgesehene, mit dem Innen- und/oder Außenrohr zu verbindende Endkappen für derartige Wärmetauscher nicht mehr erforderlich. Der in das Innenrohr integrierte Verteiler- oder Sammlerraum ermöglicht insoweit eine Bauteile- und Komponentenreduzierung des Wärmetauschers. Dieser kann insoweit unter Material- und Gewichtseinsparung sowie besonders fertigungsrationell hergestellt werden. Insbesondere kann durch den Verzicht einer Endkappe eine dementsprechende Verbindungsstelle zwischen Endkappe und Innen- bzw. Außenrohr entfallen. Durch den Wegfall solcher Verbindungsstellen kann ferner ein besonders robuster und wenig störanfälliger Wärmetauscher bereitgestellt werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der Verteiler- oder Sammlerraum durch eine in Umfangsrichtung (u) verlaufende ringförmige Vertiefung in der Außenfläche des Innenrohrs gebildet. Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass die radiale Verjüngung des Innenrohrs in Umfangsrichtung geschlossen ausgebildet ist und demgemäß die Außenfläche des Innenrohrs vollständig umschließt. Auf diese Art und Weise können nicht nur sämtliche in Axial- oder in Rohrlängsrichtung hieran angrenzenden Strömungskanäle mit der ringförmigen Vertiefung in Strömungsverbindung gebracht werden, sondern die den Außenumfang des Innenrohrs vollständig umschließende ringförmige Vertiefung erweist sich ferner auch für die Zufuhr und Abfuhr des zu verteilenden oder zu sammelnden Wärmetauschermediums in strömungstechnischer Hinsicht als vorteilhaft.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die ringförmige Vertiefung einen eben ausgebildeten Bodenabschnitt auf, welcher über zumindest einen schräg zur Rohrlängsrichtung verlaufenden Abschnitt in die Außenfläche eines in Rohrlängsrichtung hieran angrenzenden Leitungsabschnitts des Innenrohrs übergeht. Der Leitungsabschnitt des Innenrohrs ist dadurch gekennzeichnet, dass er sich über die im Zwischenraum vorgesehenen Stege an der Innenwandung des Außenrohrs abstützt und insoweit eine radiale Begrenzung für die im Zwischenraum vorgesehenen Strömungskanäle bildet. Der Leitungsabschnitt des Innenrohrs geht im Bereich des Verteiler- oder Sammlerraums in die ringförmige Vertiefung über. Der sich schräg zwischen der ringförmigen Vertiefung und dem demgegenüber radial verbreiterten Leitungsabschnitt erstreckende Rampenabschnitt erweist sich in strömungstechnischer Hinsicht für das Verteilen oder Sammeln des Wärmetauschermediums als vorteilhaft.
Es kann hierbei ferner vorgesehen sein, dass die ringförmige Vertiefung an in Rohrlängsrichtung gegenüberliegenden Endabschnitten jeweils bezogen auf die Rohrlängsrichtung symmetrisch zueinander ausgebildete Rampenabschnitte aufweist.
Nach einer Weiterbildung ist das Außenrohr angrenzend an den Verteiler- oder Sammlerraum von einem Zulauf oder Ablauf des Wärmetauschers radial durchsetzt. Der Zu- oder Ablauf steht dabei mit dem Verteiler- oder Sammlerraum in Strömungsverbindung.
Bei Ausgestaltung eines Verteilerraums ist der radial hieran angrenzende Außenrohrabschnitt von einem Zulauf durchsetzt, während bei Ausgestaltung eines Sammlerraums ein Ablauf dementsprechend am Außenrohr vorgesehen ist. Bezogen auf die Längs- oder Axialerstreckung der ringförmigen Vertiefung kann der Zulauf oder Ablauf in etwa mittig zum Verteiler- oder Sammlerraum angeordnet sein. Es ist aber auch denkbar und für das Verteilen oder Sammeln des Wärmetauschermediums durchaus vorteilhaft, wenn der Zu- oder Ablauf, bezogen auf die vorgesehene Strömungsrichtung, zumindest geringfügig stromaufwärts der geometrischen axialen Mitte des Verteiler- oder Sammlerraums angeordnet ist. Auf diese Art und Weise kann nahezu die gesamte Längs- oder Axialerstreckung des Verteiler- oder Sammlerraums für ein möglichst homogenes und gleichmäßiges Verteilen des Wärmetauschermediums auf die einzelnen Strömungskanäle oder für ein Sammeln von den einzelnen Strömungskanälen ausgenutzt werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung sind die strömungskanalbildenden Stege an der Innenseite des Außenrohrs angeordnet. Im Bereich des Verteiler- oder Sammlerraums können sie sich in Rohrlängsrichtung über den Verteiler- oder Sammlerraum hinweg erstrecken. Eine derartige Ausgestaltung ist insbesondere bei einer einstöckigen Ausbildung von Stegen und Außenrohr von Vorteil, da zur Bildung des Verteiler- oder Sammlerraums ein zum Beispiel mit Stegen versehenes extrudiertes Außenrohr ohne nennenswerte Nachbearbeitung direkt als Wärmetauscheraußenrohr Verwendung finden kann.
Nach einer weiteren Ausgestaltung beträgt die Tiefe der radialen Verjüngung bzw. die Radialerstreckung der ringförmigen Vertiefung gegenüber der Außenfläche des Leitungsabschnitts in etwa 10% bis 25% des Querschnittsradius des Innenrohrs. So kann der Durchmesser des Bodenabschnitts der ringförmigen Vertiefung ebenfalls in etwa um 10% bis 25% kleiner als der Außendurchmesser des Innenrohrs ausgebildet sein. Bei typischen Wärmetauschergeometrien kann die ringförmige Vertiefung etwa eine radiale Tiefe von 1,0 mm bis 1,5 mm betragen, sodass durch die ringförmige Vertiefung insgesamt eine Durchmesserreduktion des Innenrohrs von 2 mm bis 3 mm gebildet werden kann.
Die radiale Erstreckung der Stege ist typischerweise geringer als die Radialerstreckung bzw. die radiale Tiefe der Verjüngung des Innenrohrs. Die radiale Tiefe der ringförmigen Vertiefung kann insbesondere das Ein- bis Fünffache der Radialerstreckung der Stege betragen. Typische radiale Steghöhen liegen etwa im Bereich von 0,2 mm bis 1 mm, vorzugsweise zwischen 0,4 mm bis 0,8 mm oder aber auch zwischen 0,2 mm bis 0,4 mm.
Nach einer weiteren Ausgestaltung steht das Innenrohr von zumindest einem axialen Endabschnitt des Außenrohrs in Rohrlängsrichtung hervor. Dabei ist der Endabschnitt des Außenrohrs mit einem Außenwandungsabschnitt des Innenrohrs verbunden. Typischerweise steht der axiale Endabschnitt des Innenrohrs um ein vorgegebenes Maß vom axialen Endabschnitt des Außenrohrs hervor, wobei die Stirnfläche des Außenrohrs mit einem Außenwandungsabschnitt des Innenrohrs verbunden sein kann. Es ist aber auch denkbar, dass die Innenseite des Außenrohrs mit dem unmittelbar zur Anlage hieran gelangenden Außenwandungsabschnitt des Innenrohrs verbunden ist.
Das Außenrohr ist mit seinem Endabschnitt insbesondere in Umfangsrichtung vollständig mit dem Innenrohr verbunden, sodass der Zwischenraum mit der Verbindung von Innenrohr und Außenrohr endet. Es kann hierbei insbesondere vorgesehen sein, dass beide gegenüberliegende axiale Endabschnitte des Außenrohrs vom Innenrohr axial durchsetzt sind und dass die jeweiligen axialen Endabschnitte des Außenrohrs mit der Außenwandung des Innenrohrs verbunden sind. Auf diese Art und Weise kann eine Hindurchführung des Innenrohrs durch das Außenrohr gebildet werden, sodass das Vorsehen gesonderter Endkappen für den Wärmetauscher in vorteilhafter Weise entfallen kann.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der Endabschnitt des Außenrohrs stoffschlüssig und/oder reibschlüssig mit dem Innenrohr verbunden. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Außenrohr mit dem Innenrohr durch Löten oder Schweißen verbunden ist. Ergänzend oder alternativ hierzu kann aber auch ein zumindest bereichsweises Verformen des Außenrohrs, insbesondere ein radial nach innen gerichtetes Verkrimpen des Außenrohrs vorgesehen sein, wodurch das Außenrohr reibschlüssig mit dem Innenrohr verbunden werden kann. Flankierend zu einer derartigen reibschlüssigen Verbindung und insbesondere aus Gründen einer ausreichenden Dichtigkeit kann das axiale Ende des Außenrohrs mit dem Außenwandungsabschnitt des Innenrohrs umlaufend verlötet oder verschweißt sein.
Insbesondere bei einer verkrimpten bzw. reibschlüssigen Verbindung von Außenrohr und Innenrohr kann nach einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen werden, dass der axiale Endabschnitt des Außenrohrs gegenüber einem angrenzenden Leitungsabschnitt des Außenrohrs radial verjüngt ausgebildet ist. Das Innenrohr durchsetzt den radial verjüngten Endabschnitt des Außenrohrs typischerweise fluid- und/oder gasdicht.
Die radiale Verjüngung kann insbesondere nach einem Einführen des Innenrohrs in das Außenrohr erfolgen. Das Außenrohr kann insoweit nach einem bestimmungsgemäßen Einführen des Innenrohrs radial nach innen gerichtet verpresst werden, wodurch bereits eine hinreichende mechanische Fixierung von Innenrohr und Außenrohr bereitgestellt werden kann.
Nach einer weiteren Ausgestaltung sind das Außenrohr als Hochdruckleitung und das Innenrohr als Niederdruckleitung ausgebildet. Ein Zulauf für den Zwischenraum ist hierbei stromabwärts eines Kondensators, ein Ablauf des Zwischenraums ist stromaufwärts einer Expansionseinrichtung, ein Zulauf für das Innenrohr ist stromabwärts eines Verdampfers und ein Ablauf des Innenrohrs ist stromaufwärts eines Kompressors im Kältemittelkreislauf einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage anordenbar.
Während Ablauf und Zulauf für das Innenrohr unmittelbar mit entsprechenden Komponenten der Kraftfahrzeug-Klimaanlage fluidführend verbindbar sind, sind der Ablauf sowie der Zulauf für den Zwischenraum des Wärmetauschers jeweils im Bereich des Verteiler- oder Sammlerraums vorgesehen. Zulauf und Ablauf können hierbei das Außenrohr in Höhe des Verteiler- oder Sammlerabschnitts etwa in Radialrichtung durchsetzen, bzw. an das Außenrohr angrenzen. Ablauf und Zulauf für den Verteiler- oder Sammlerraum können hierbei als Anschlussstutzen an den radial aufgeweiteten Verteiler- oder Sammlerabschnitt des Außenrohrs angeschlossen und fluiddicht hiermit verbunden sein.
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 und dementsprechend mit den genannten Komponenten der Klimaanlage fluidführend verbindbar sind.
Das Innenrohr des Wärmetauschers wird im Betrieb des Wärmetauschers bzw. im Betrieb der Klimaanlage überwiegend von einem gasförmigen Wärmetauschermedium durchströmt, während das Außenrohr bzw. der von Innenrohr und Außenrohr gebildete und von Stegen in einzelne Strömungskanäle unterteilte Zwischenraum von einem überwiegend verdichteten Fluid durchströmbar ist.
Das Innenrohr und der Zwischenraum zwischen Innen- und Außenrohr sind hierbei bevorzugt nach dem Gegenstromprinzip durchströmbar, welches eine gegenüber dem Gleichstromprinzip verbesserten Wärmeaustausch ermöglicht.
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 Kondensator und Expansionseinrichtung und dessen Innenrohr strömungstechnisch zwischen Verdampfer und Kompressor des Kältemittelkreislaufs eingebunden ist.
Auf diese Art und Weise kann ein zur Leistungs- und Effizienzsteigerung 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 koaxial und rohrförmig ausgebildeten Wärmetauscher vorgesehen.
Des Weiteren ist ein Verfahren zur Herstellung eines zuvor beschriebenen Wärmetauschers vorgesehen. Das Verfahren umfasst hierbei die Schritte:

– Bereitstellen eines mit radial nach innen ragenden Stegen versehenen Außenrohrs,
– Bereitstellen und bereichsweises radiales Verjüngen eines Innenrohrs zur Bildung eines Verteiler- oder Sammlerraums,
– Einführen des Innenrohrs in das Außenrohr und
– Verbinden von Innenrohr und Außenrohr.

Es ist hierbei insbesondere vorgesehen, dass das Außenrohr im Bereich der radialen Verjüngung des Innenrohrs mit einem als Auslass oder als Einlass ausgebildeten Anschlussstutzen versehen ist, welcher das Außenrohr radial durchsetzt und über welchen das Wärmetauschermedium in den von Außenrohr und Innenrohr gebildeten Zwischenraum hineingeführt oder aus diesem abgeleitet werden kann.
Indem der Verteiler- oder Sammlerraum durch radiales Verjüngen, etwa durch dementsprechendes Verformen oder Verprägen des Innenrohrs gebildet wird, können die insbesondere an der Innenseite des Außenrohrs vorgesehenen und radial nach innen ragenden Stege in Rohrlängsrichtung über jenen Verteiler- oder Sammlerraum hinweg verlaufen. Ein spanabhebendes Entfernen oder ein Umformen der Stege ist durch die radiale Verjüngung des Innenrohrs nicht zwingend erforderlich und kann in vorteilhafterweise entfallen.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist dabei ferner vorgesehen, dass das Innenrohr von einem axialen Endabschnitt des Außenrohrs in Rohrlängsrichtung hervorsteht. Der Endabschnitt des Außenrohrs wird alsdann mit einem Außenwandungsabschnitt des Innenrohrs stoffschlüssig und/oder reibschlüssig verbunden. Für ein stoffschlüssiges und insoweit fluiddichtes Verbinden von Innenrohr und Außenrohr kommt insbesondere ein in Umfangsrichtung vollständiges und durchgehendes Verlöten oder Verschweißen von Außenrohr und Innenrohr infrage.
Ein reibschlüssiges Fixieren oder Verbinden von Innenrohr und Außenrohr kann nach einer weiteren Ausgestaltung durch ein radial nach innen gerichtetes Verformen des Außenrohrs nach einem Zusammenfügen von Innen- und Außenrohr erfolgen. Hierbei kann insbesondere das Außenrohr mit dem Innenrohr verpresst werden, wobei bereits durch ein derartiges Verpressen oder Verkrimpen des Außenrohrs eine mechanische Fixierung von Innen- und Außenrohr erreicht werden kann. Die am Außenrohr radial nach innen gerichteten Stege können im Zuge der Verformung des Außenrohrs eine entsprechende Verformung erfahren und zumindest bereichsweise in die Außenfläche des Innenrohrs eindringen.
Je nach Größe der radialen Stegerstreckung kann vor einem stoffschlüssigen Verbinden von Außenrohrendabschnitt und Innenrohr ein Verpressen oder Verkrimpen des Außenrohrs erforderlich werden. Insbesondere wenn die radiale Steghöhe mehr als 0,4 mm betragen sollte, erweist sich ein Verpressen von Außenrohr und Innenrohr vor einem stoffschlüssigen Verbinden von Außenrohrende und Innenrohr als vorteilhaft. Sollte die Stegerstreckung 0,8 mm oder mehr betragen, kann es sich ferner als vorteilhaft erweisen, die Stege in jenem axialen Endabschnitt des Außenrohrs, etwa vor einem Einführen des Innenrohrs in das Außenrohr zumindest bereichsweise oder abschnittsweise zu entfernen oder umzuformen, damit die vergleichsweise hoch ausgebildeten Stege eine fluiddichte Verbindung von Innenrohr und Außenrohr nicht beeinträchtigen.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Ziele, Vorteile sowie Anwendungsmöglichkeiten werden in der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage,
2 einen Querschnitt durch ein Ende des internen Wärmetauschers nach einer ersten Ausgestaltung,
3 einen Querschnitt durch einen Wärmetauscher nach einer weiteren Ausgestaltung,
4 einen Querschnitt durch den Wärmetauscher entlang A-A gemäß 2 und
5 ein Blockdiagramm eines Herstellungsverfahrens zur Fertigung des Wärmetauschers.
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 Darstellungen nach den 2 bis 4 ein etwa zylindrisches Außenrohr 32 und ein koaxial hierzu angeordnetes Innenrohr 34 auf. Das Innenrohr 34 ist hierbei als Niederdruckleitung ausgebildet und ist über einen Zulauf 26 stromabwärts des Verdampfers 14 und über einen Ablauf 30 stromaufwärts des Kompressors 18 in den Kältemittelkreislauf 22 der Klimaanlage 20 einbindbar. Von daher ist der Innenraum 38 des Innenrohrs 34 überwiegend von einem gasförmigen und/oder von einem unter vergleichsweise geringem Druck stehenden Wärmetauschermedium durchströmbar.
Der rohrförmige und koaxial mit Innenrohr 34 und Außenrohr 32 ausgebildete Wärmetauscher 10 weist mehrere in Umfangsrichtung etwa äquidistant zueinander angeordnete, sich jeweils in Axialrichtung und Radialrichtung erstreckende Stege 42 auf, mittels welcher sich Innenrohr 34 und Außenrohr 32 wechselseitig in Radialrichtung aneinander abstützen. Die einzelnen Stege 42 unterteilen den etwa ringförmig zwischen Innenrohr 34 und Außenrohr 32 gebildeten Zwischenraum 36 in einzelne Strömungskanäle 37, welche aufgrund der Stege 42 keine unmittelbare Strömungsverbindung in Umfangsrichtung (u) zueinander aufweisen.
Insbesondere für die Zu- und Abfuhr eines nicht gesondert dargestellten Wärmetauschermediums weist das Innenrohr 34 einen durch eine radiale Verjüngung ausgebildeten Verteiler- oder Sammlerraum 40 auf. Der Verteiler- oder Sammlerraum 40 ist hierbei durch eine radial nach innen gerichtete ringförmige Vertiefung 44 des Innenrohrs 34 gebildet. Der in 2 gezeigte Längsquerschnitt durch jene Vertiefung 44 weist eine trapezartige Kontur mit einem im Wesentlichen eben ausgebildeten Bodenabschnitt 47 und mit hieran angrenzenden Schrägen oder Rampen 45 auf, über welche die Vertiefung 44 in die in Rohrlängsrichtung (z) hieran angrenzende Außenfläche 43 eines Leitungsabschnitts 41 des Innenrohrs 34 übergeht.
Die radiale Tiefe der Vertiefung 44, das heißt der radiale Abstand des Bodenabschnitts 47 von der Außenfläche 43 des Innenrohrs 34 ist zumindest so groß wie die Radialerstreckung der Stege 42. Die Radialerstreckung der Vertiefung 44 kann jedoch weitaus größer als die Radialerstreckung der Stege 42 ausgebildet sein. Eine gegenüber der Steghöhe vergleichsweise tiefe Ausgestaltung der ringförmigen Vertiefung 44 erlaubt es, dass die radial nach innen gerichteten und typischerweise einstückig mit dem Außenrohr 32 ausgebildeten Stege 42 auch im Bereich des Verteiler- oder Sammlerraums 40 vorgesehen sein können.
Die ringförmige Vertiefung 44 dient bei Ausgestaltung eines Verteilerraums 40 durch die strömungstechnische Verbindung mit sämtlichen stromabwärts vorgesehenen Strömungskanälen 37 einem möglichst gleichmäßigen Verteilen des über den Zulauf 28 zugeführten Wärmetauschermediums. Wie in 2 dargestellt, durchsetzt der Zulauf 28 in Form eines Stutzens das Außenrohr 32 im Bereich des durch die Vertiefung 44 gebildeten Verteilerraums 40. Wie ferner in 2 angedeutet, ist hierbei die Position des Zulaufs 28 leicht nach links gegenüber der axialen Mitte der radialen Vertiefung 44 versetzt.
Der Zulauf 28 ist insoweit in Richtung stromaufwärts gegenüber der geometrischen axialen Mitte des Verteilerraums 40 versetzt angeordnet, sodass das über den Zulauf 28 zugeführte Wärmetauschermedium die Axialerstreckung des Verteilerraums 40 zur möglichst gleichmäßigen Beaufschlagung der hieran stromabwärts angrenzenden Kanäle 37 möglichst vollständig ausschöpfen kann. Wie in 2 ferner gezeigt, ist das Außenrohr 32 in Axialrichtung (z) vom Innenrohr 34 durchsetzt. Ein axialer Endabschnitt 35 des Innenrohrs 34 steht somit in Rohrlängsrichtung von einem axialen Endabschnitt 33 des Außenrohrs 32 hervor. Wie in 2 ferner angedeutet, kann die Stirnfläche des Außenrohrendabschnitts 33 durchgehend in Umfangsrichtung mit der Außenfläche bzw. mit einem Außenwandungsabschnitt 29 des Innenrohrs 34 stoffschlüssig verbunden sein. In den 2 und 3 sind dementsprechende Löt- oder Schweißstellen 46 im Querschnitt gezeigt.
In Abhängigkeit der radialen Erstreckung der zwischen dem Außenrohr 32 und dem Innenrohr 34 ausgebildeten Stege 42 kann für eine mechanisch hinreichend stabile Verbindung von Innenrohr 34 und Außenrohr 32 ein bloßes Verlöten des Außenrohrendabschnitts 33 mit dem Außenwandungsabschnitt 39 des Innenrohrs 34 bereits ausreichend sein. Sofern die Stege 42 jedoch eine gewisse Radialerstreckung überschreiten, etwa wenn die radiale Steghöhe größer als 0,4 mm ist, kann für die wechselseitige Verbindung von Außenrohr 32 und Innenrohr 34 ein Verpressen oder Verkrimpen des Endabschnitts 33 des Außenrohrs 32 von Vorteil oder sogar notwendig sein.
Eine derartige Verformung, die in einem radial nach innen gerichteten Verformungsabschnitt 48 des Endabschnitts 33 des Außenrohrs 32 mündet, ist zum Beispiel in 3 gezeigt. Ein derartiges umlaufendes und radial nach innen gerichtetes Verpressen oder Verkrimpen des Außenrohrs 32 kann zur Bildung einer wechselseitigen Verbindung von Außenrohr 32 und Innenrohr 34 ebenfalls ausreichend sein. Für eine fluiddichte Ausgestaltung kann der Verformungsabschnitt 48 ergänzend mit dem Außenwandungsabschnitt 39 des Innenrohrs 34 verlötet oder verschweißt sein.
Der radial nach innen gerichtete Verformungsabschnitt 48 bzw. der axiale Endabschnitt 33 des Außenrohrs 32 ist in der Ausgestaltung gemäß 3 gegenüber einem hieran angrenzenden Leitungsabschnitt 31 des Außenrohrs radial verjüngt ausgebildet. Der insoweit radial nach innen verpresste oder verkrimpte Verformungsabschnitt 48 ist insbesondere axial beabstandet zum Verteiler- oder Sammlerraum 40 angeordnet. Es sind aber auch Ausgestaltungen denkbar, bei denen der radial nach innen gerichtete Verformungsabschnitt 48 des Endabschnitts 33 des Außenrohrs 32 unmittelbar angrenzend, aber nicht überlappend zur ringförmigen Vertiefung 44 des Innenrohrs 34 angeordnet ist.
In 5 ist schließlich das Herstellungsverfahren für die Fertigung des Wärmetauschers 10 schematisch skizziert. Nach Bereitstellung eines mit radial nach innen gerichteten Stegen 42 versehenen Außenrohrs 32 wird in einem ersten Schritt 100 eine radial nach innen gerichtete Vertiefung bzw. eine radiale Verjüngung in die Außenfläche des Innenrohrs 34 eingebracht. Nach Einbringen einer bevorzugt ringförmigen und den Außenrumfang des Innenrohrs 34 vollständig umschließenden Vertiefung 44, wird in einem nachfolgenden Schritt 102 das Innenrohr 34 in das Außenrohr 32 eingeführt, bevor in einem abschließenden Verfahrensschritt 104 das Innenrohr 34 mit dem Außenrohr 32 verbunden wird.
Hierbei ist insbesondere eine stoffschlüssige und/oder reibschlüssige Verbindung, etwa durch Löten oder Schweißen sowie durch Verpressen oder Verkrimpen vorgesehen. Vor einem Einführen des Innenrohrs 34 in das Außenrohr 32 kann das Außenrohr 34 an hierfür vorgesehenen Stellen mit einem als Zulauf 28 oder als Ablauf 30 fungierenden, radial nach außen ragenden und das Außenrohr 32 jeweils radial durchsetzenden Stutzen versehen werden, der mit Erreichen einer Endmontagekonfiguration, wie in 2 gezeigt, im Bereich der radialen Verjüngung des Innenrohrs 32 zu liegen kommt.
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
31: Leitungsabschnitt
32: Außenrohr
33: Endabschnitt
34: Innenrohr
35: Endabschnitt
36: Zwischenraum
37: Strömungskanal
38: Innenraum
39: Außenwandungsabschnitt
40: Verteiler- oder Sammlerraum
41: Leitungsabschnitt
42: Steg
43: Außenfläche
44: Vertiefung
45: Rampe
46: Löt- oder Schweißstelle
47: Bodenabschnitt
48: Verformungsabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1101638 A1 [0005]

Claims

Wärmetauscher für eine Kraftfahrzeugklimaanlage, mit einem Innenrohr (34) und mit einem Außenrohr (32), welches das Innenrohr (34) unter Bildung eines von einem Wärmetauschermedium durchströmbaren Zwischenraums (36) zumindest abschnittsweise in Rohrlängsrichtung (z) umschließt und wobei der Zwischenraum (36) zumindest abschnittsweise mittels sich zwischen dem Innenrohr (34) und dem Außenrohr (32) radial erstreckender Stege (42) in mehrere Strömungskanäle (37) unterteilt ist, welche in Rohrlängsrichtung (z) in einen durch eine radiale Verjüngung des Innenrohrs (32) gebildeten Verteiler- oder Sammlerraum (40) münden.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei der Verteiler- oder Sammlerraum (40) eine in Umfangsrichtung (u) verlaufende ringförmige Vertiefung (44) in der Außenfläche (43) des Innenrohrs (34) ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, wobei die Vertiefung (44) einen eben ausgebildeten Bodenabschnitt (47) aufweist, welcher über einen schräg zur Rohrlängsrichtung (z) verlaufenden Rampenabschnitt (45) in die Außenfläche (43) eines in Rohrlängsrichtung (z) hieran angrenzenden Leitungsabschnitt (41) des Innenrohrs (34) übergeht.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Außenrohr (32) angrenzend an den Verteiler- oder Sammlerraum (40) von einem Zulauf oder Ablauf (28) radial durchsetzt ist, welcher mit dem Verteiler- oder Sammlerraum (40) in Strömungsverbindung steht.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Stege (42) an der Innenseite des Außenrohrs (32) angeordnet sind und sich in Rohrlängsrichtung (z) über den Verteiler- oder Sammlerraum (40) hinweg erstrecken.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Innenrohr (34) von zumindest einem axialen Endabschnitt (33) des Außenrohrs (32) in Rohrlängsrichtung (z) hervorsteht und wobei der Endabschnitt (33) des Außenrohrs (32) mit einem Außenwandungsabschnitt (39) des Innenrohrs (34) verbunden ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 6, wobei der Endabschnitt (33) des Außenrohrs (32) stoffschlüssig und/oder reibschlüssig mit dem Innenrohr (34) verbunden ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 oder 7, wobei der Endabschnitt (33) des Außenrohrs (32) gegenüber einem angrenzenden Leitungsabschnitt (31) radial verjüngt ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Außenrohr (32) als Hochdruckleitung und das Innenrohr (34) als Niederdruckleitung ausgebildet sind und wobei ein Zulauf (28) für den Zwischenraum (36) stromabwärts eines Kondensators (16), ein Ablauf (24) des Zwischenraums (36) stromaufwärts einer Expansionseinrichtung (12), ein Zulauf (26) für das Innenrohr (34) stromabwärts eines Verdampfers (14) und ein Ablauf (30) des Innenrohrs (34) stromaufwärts eines Kompressors (18) im Kältemittelkreislauf (22) 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) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Kraftfahrzeug mit einer Klimaanlage nach Anspruch 10 oder mit einem Wärmetauscher (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9.
Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, mit den Schritten: – Bereitstellen eines mit radial nach innen ragenden Stegen (42) versehenen Außenrohrs (32), – Bereitstellen und bereichsweises radiales Verjüngen eines Innenrohrs (34) zur Bildung eines Verteiler- oder Sammlerraums (40), – Einführen des Innenrohrs (34) in das Außenrohr (32), – Verbinden von Innenrohr (34) und Außenrohr (32).
Verfahren nach Anspruch 12, wobei, wobei das Innenrohr (34) von einem axialen Endabschnitt (33) des Außenrohrs (32) in Rohrlängsrichtung (z) hervorsteht und wobei der Endabschnitt (33) des Außenrohrs (32) mit einem Außenwandungsabschnitt (39) des Innenrohrs (34) stoffschlüssig und/oder reibschlüssig verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der axiale Endabschnitt (33) des Außenrohrs (32) zur Verbindung mit dem Innenrohr (34) radial nach innen verformt wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei vor einem Verbinden von Außenrohr (32) und Innenrohr (34) eine radial nach innen gerichtete Erstreckung von am Außenrohr (32) ausgebildeter Stege (42) reduziert wird.