DE102014117256B4

DE102014117256B4 - Wärmetauscher für eine Klimaanlage eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102014117256B4
Application number: DE102014117256.6A
Authority: DE
Inventors: c/o DENSO AUTOMOTIVE Deutschland Hünemörder Werner; c/o DENSO AUTOMOTIVE Deutschland Herwig Stefan
Original assignee: Denso Automotive Deutschland GmbH
Current assignee: Denso Automotive Deutschland GmbH
Priority date: 2014-11-25
Filing date: 2014-11-25
Publication date: 2021-11-18
Anticipated expiration: 2034-11-26
Also published as: DE102014117256B8; DE102014117256A1

Abstract

Wärmetauscher, insbesondere Verdampfer (1), für eine Klimaanlage eines Fahrzeugs, aufweisend:- eine Zuleitung (2) zum Zuführen eines Kältemittels in den Wärmetauscher; und eine Ableitung (3) zum Abführen des Kältemittels aus dem Wärmetauscher; und- einen Strömungspfad (10) von der Zuleitung (2) zu der Ableitung (3), welcher von dem Kältemittel durchströmt wird,- wobei der Strömungspfad (10) eine Mehrzahl von Strömungspfadsegmenten (11, 12, 13, 14) aufweist, welche diesen segmentweise aufteilen, wobei das parallel durchströmte Innenvolumen pro Längenabschnitt von jedem der Strömungspfadsegmente (11,12,13,14) von der Zuleitung (2) zu der Ableitung (3) in Strömungsrichtung des Kältemittels von Strömungspfadsegment (11,12,13,14) zu Strömungspfadsegment (11,12,13,14) schrittweise monoton zunimmt, dadurch gekennzeichnet, dass- der Wärmetauscher in einer zu der Querrichtung im Wesentlichen senkrechten Längsrichtung eine größere bauliche Länge aufweist als in seiner Querrichtung, und wobei der Wärmetauscher in seiner Querrichtung zumindest zwei Lagen (A, B) aufweist, wobei jede der Lagen (A, B) jeweils zumindest einen Abschnitt des Strömungspfads (10) aufweist,- die Strömungspfadsegmente (11,12,13,14) des Wärmetauschers pro Lage (A, B) in Längsrichtung asymmetrisch aufgeteilt sind,- jedes der Strömungspfadsegmente (11,12,13,14) zumindest ein Mehrkanalelement (301, 304) aufweist und- je eine Art von Mehrkanalelementen (301,304) pro Lage (A, B) verwendet wird, wobei die Mehrkanalelemente (304) einer strömungstechnisch nachgelagerten Lage (B) gegenüber der Mehrkanalelemente (301) der vorgelagerten Lage (A) eine größere Anzahl von Kanälen und/oder Kanäle mit einem größeren Innendurchmesser aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher eines Kältemittelkreislaufs, insbesondere einen Wärmetauscher einer Klimaanlage eines Fahrzeugs.
Aus der FR 2 914 401 A1 ist ein Wärmetauscher, insbesondere Verdampfer, für eine Klimaanlage eines Fahrzeugs bekannt, welcher aufweist: eine Zuleitung zum Zuführen eines Kältemittels in den Wärmetauscher; eine Ableitung zum Abführen des Kältemittels aus dem Wärmetauscher; einen Strömungspfad von der Zuleitung zu der Ableitung, welcher von dem Kältemittel durchströmt wird, wobei das parallel durchströmte Innenvolumen pro Längenabschnitt des Strömungspfads von der Zuleitung zu der Ableitung in Strömungsrichtung des Kältemittels im Wesentlichen monoton zunimmt.
Auch aus den DE 40 33 636 A1 , US 5 172 759 A , DE 43 05 060 C2 und EP 1 459 026 B1 sind jeweils gattungsgemäße Wärmetauscher bekannt.
Bei Fahrzeugklimaanlagen, welche das Kältemittel R744 (CO₂) verwenden, ist entsprechend EN ISO13043 die Kältemittelfüllmenge auf 250 g R744 pro Liter Innenvolumen der Klimaanlage beschränkt. Hintergrund dieser Beschränkung ist, dass die Verwendung einer großen Menge CO₂ für den Fahrzeuginsassen ein Risiko darstellen kann. So wird durch das Reduzieren der Füllmenge des Kältemittels R744 das Risiko von hohen bzw. zu hohen CO₂-Konzentrationen in der Fahrzeugkabine selbst bei Austritt des Kältemittels aus der Klimaanlage reduziert.
Um diesen Grenzwert von 250 g pro Liter R744 der EN ISO13043 einzuhalten, ist eine Vielzahl von verschiedenen konstruktiven Maßnahmen möglich. Unter anderem kann man den Querschnitt und damit das Volumen der Komponenten der Klimaanlage reduzieren. Jedoch erhöhen sich im Ergebnis die Durchflussgeschwindigkeit und der Druckverlust, womit die Gesamtperformance der Klimaanlage nachteilhaft reduziert wird.
Die vorstehend erwähnte Problematik wird nachstehend mit Bezugnahme auf 1A und 1B näher erläutert werden. 1A zeigt eine perspektivische Vorderansicht eines herkömmlichen Verdampfers, welcher beispielsweise vier Segmente (S1, S2, S3 und S4) aufweist. 1B stellt eine schematische Draufsicht auf den Wärmetauscher dar. Der Strömungspfad des Kältemittels durch die Segmente S1 bis S4 dieses Verdampfers ist dabei in den 1A und 1B durch Pfeile von Zuleitung 2 bis zur Ableitung 3 durch Mehrkanalelemente 30 und Sammelelemente 20 grob dargestellt. So wird das Kältemittel nacheinander durch die Segmente S1 bis S4 zum Wärmeaustausch hindurchgeleitet. Dabei weisen die Segmente S1 bis S4 eines herkömmlichen Wärmetauschers üblicherweise eine zueinander identische Geometrie und Konfiguration auf. Insbesondere weisen diese Segmente üblicherweise ein annähernd identisches Innenvolumen und einen identischen Gesamtquerschnitt der Verrohrung für das Kältemittel auf. Nachdem nun das Kältemittel aufgrund eines Wärmeaustauschs mit Luft, welche den Wärmetauscher durchströmt, eine Phasenänderung und damit eine Volumenvergrößerung erfährt, nimmt die Geschwindigkeit vom Einlass des Kältemittels in den Wärmetauscher zum Auslass hin stark zu. Im Ergebnis ist der Druckverlust im Segment S4 nachteilhaft größer als im Segment S1.
2 stellt die vorstehend beschriebene Problematik der 1 in Form einer von den Erfindern ermittelten, beispielhaften Funktion dar, bei der auf der X-Achse die relative Länge eines Verdampfers aufgetragen ist, wobei 0 den Anfang und 1 das Ende bezeichnet, und bei der auf der Y-Achse die absolute Dichte des Kühlmittels R744 aufgetragen ist. Bei der Berechnung der Funktion wurden beispielhaft eine Betriebstemperatur von 8 Grad Celsius und ein Druck von 42,8 bar angenommen. Aus 2 ergibt sich, dass die Dichte des Kältemittels von dem Einlass in den Wärmetauscher zu dem dessen Auslass annähernd um den Faktor 3 abnimmt, womit die Durchflussgeschwindigkeit und damit der Druckverlust entsprechend stark zunehmen und der Strömungsverlust im Verdampfer nachteilhaft hoch wird.
Zudem existieren weitere bauliche Vorgaben bei Wärmetauscher für Fahrzeuge, insbesondere für eine kosteneffiziente Produktion, die trotz der Notwendigkeit von konstruktiven Änderungen an dem Wärmetauscher aufgrund der Einführung der EN ISO13043 eingehalten werden sollen. So sollen unter anderem das bauliche (Gesamt-) Layout des Wärmetauschers, beispielsweise dessen Gesamtabmessungen und die Anordnung der Anschlüsse für das Kältemittel, und die Herstellungstechnologie beibehalten werden.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, einen optimierten Wärmetauscher vorzusehen, welcher eine reduzierte Kältemittelfüllmenge aufweist.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Ausführungsformen sind Gegenstand der weiteren abhängigen Ansprüche.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher für eine Klimaanlage eines Fahrzeugs, welcher insbesondere ein Verdampfer sein kann, weist eine Zuleitung zum Zuführen eines Kältemittels (vorzugsweise R744 (CO₂)) in den Wärmetauscher, und eine Ableitung zum Abführen des Kältemittels aus dem Wärmetauscher, und einen Strömungspfad von der Zuleitung zu der Ableitung auf, welcher von dem Kältemittel durchströmt wird, dabei nimmt das parallel durchströmte Innenvolumen pro Längenabschnitt des Strömungspfads von der Zuleitung zu der Ableitung in Strömungsrichtung des Kältemittels im Wesentlichen monoton zu.
Mit anderen Worten ist der Strömungspfad von der Zuleitung zu der Ableitung für das Kältemittel derart ausgestaltet, dass das effektive Innenvolumen, welches das Kältemittel im Wärmetauscher einnehmen kann, abschnittsweise anwächst. Die entsprechenden Längenabschnitte definieren mit dem jeweiligen effektiven Innenquerschnitt dieses Abschnitts das von dem Kältemittel parallel durchströmte Innenvolumen pro Längenabschnitt, welches somit erfindungsgemäß sukzessive zunimmt.
Eine im Wesentlichen monotone Zunahme des Innenvolumens bedeutet weiter, dass das Innenvolumen von Zuleitung zu der Ableitung insgesamt betrachtet stetig zunimmt, jedoch unter Umständen auch geringfügige, kurze Einschnürungen oder Verengungen (beispielsweise bei Verbindungsstellen zwischen Bauteilen des Wärmetauschers) vorhanden sein können. Strömungstechnisch sind diese jedoch unbeachtlich.
Ist der erfindungsgemäße Wärmetauscher beispielsweise ein Verdampfer, erfährt das durch den Verdampfer hindurch strömende Kältemittel aufgrund des Wärmeaustauschs mit der durch den Verdampfer hindurch strömenden Luft eine Phasenänderung, aufgrund welcher die Dichte des Kältemittels in dem Strömungspfad von der Zuleitung zu der Ableitung entsprechend abnimmt. Im Gegensatz zu den Verdampfern des Stands der Technik nimmt nun erfindungsgemäß der vom Kältemittel parallel durchströmte Querschnitt (Innenvolumen pro Längeneinheit) zu. Die mittlere Dichte des Kältemittels im Verdampfer - und somit die Gesamtmasse im Verdampfer - wird reduziert.
Nachstehend werden die Längenabschnitte des Wärmetauschers, welche näher zu der Zuleitung als zu der Ableitung gelegen sind, als stromaufwärts gelegene Längenabschnitte bezeichnet, während die Längenabschnitte, welche näher zu der Ableitung des Wärmetauschers gelegen sind, als stromabwärts gelegene Längenabschnitte bezeichnet.
Betrachtet man nun nochmals 2, so schneidet der Grenzwert der EN ISO 13043 von 250 g/L (d.h. 250 kg/m³) die Dichtefunktion bei ca. 0,3 relativer Länge des Verdampfers.
Hieraus ergibt sich, dass die stromaufwärts gelegenen Längenabschnitte des Wärmetauschers in der Dichte über diesem Grenzwert liegen und diese damit erheblich zu einer Nichteinhaltung der ISO 13043 beitragen. Aufgrund der niedrigen Dichte sind umgekehrt die stromabwärts gelegenen Längenabschnitte vernachlässigbar bzw. weniger relevant.
Erfindungsgemäß ist nun entsprechend das für das Kältemittel verfügbare Innenvolumen der stromaufwärts gelegenen Längenabschnitte kleiner als das der stromabwärts gelegenen Längenabschnitte, während bei dem Beispiel des Verdampfers die Dichte des Kältemittels über den Strömungsverlauf abnimmt, wie vorstehend erläutert.
Damit wird der Beitrag der stromaufwärts gelegenen Längenabschnitte zur Gesamtmenge des Kältemittels im Wärmetauscher insgesamt verringert.
Im Ergebnis verschiebt sich das Verhältnis der entsprechenden Kältemittel-Füllmengen der stromaufwärts gelegenen Längenabschnitte zu den stromabwärts gelegenen Längenabschnitte aufgrund der vorstehend erläuterten Ausgestaltung des Strömungspfads des Verdampfers in Richtung einer niedrigeren Gesamtkältemittelfüllmenge des Wärmetauschers. Dies führt dazu, dass die durchschnittliche Gesamtdichte und damit die Füllmenge in dem Verdampfer verringert werden.
In Folge kann auch der Grenzwert der ISO 13043 von 250 g/L der Klimaanlage ohne weiteres eingehalten werden.
Mit anderen Worten führt die vorstehend erläuterte Ausgestaltung des Wärmetauschers dazu, dass die Füllmenge des Kältemittels im Wärmetauscher insgesamt verringert ist, da das Volumen, das das Kältemittel zu Beginn bzw. in der Nähe der Zuleitung im Wärmetauscher einnehmen kann und welches die Nichteinhaltung des Grenzwerts der EN ISO13043 von 250 g R744 pro Liter zu Folge hat, im Vergleich zu dem Volumen, das das Kältemittel zu Ende bzw. in der Nähe der Ableitung im Wärmetauscher einnehmen kann und welches die Einhaltung des Grenzwerts der EN ISO13043 von 250 g R744 pro Liter zur Folge hat, reduziert wird. Im Beispiel der 2 erstreckt sich der nicht vernachlässigbare bzw. relevante Bereich, also der Bereich der oberhalb des Grenzwerts von 250 g R744 pro Liter liegt, zwischen 0 und ca. 0,3 relativer Länge.
Der Wärmetauscher weist in einer zu der Querrichtung (d.h. der Richtung der durchströmenden Luft durch den Wärmetauscher) im Wesentlichen senkrechten Längsrichtung typischerweise eine größere bauliche Länge aufweisen als in seiner Querrichtung. Dabei weist der Wärmetauscher gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung in seiner Querrichtung zumindest zwei Lagen auf, wobei jede der Lagen jeweils zumindest ein Abschnitt des Strömungspfads aufweist.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann der Strömungspfad des Wärmetauschers eine Mehrzahl von Strömungspfadsegmenten aufweisen, die diesen Strömungspfad segmentweise aufteilen, wobei diese so definierten Strömungspfadsegmente nacheinander durchströmt werden. Dabei ist die geometrische Dimensionierung der Strömungspfadsegmente von der Zuleitung zu der Ableitung derart ausgestaltet, dass der Druckverlust in jedem der Strömungspfadsegmente annähernd gleich groß ist. Die geometrische Dimensionierung der Strömungspfadsegmente betrifft vorzugsweise den effektiven (Innen-)Querschnitt dieser Strömungspfadsegmente und das für das Kältemittel zur Verfügung stehende Innenvolumen. Unter Berücksichtigung des Phasenübergangs und der damit einhergehenden Volumenänderung werden also das Innenvolumen und der effektive Querschnitt jedes Strömungspfadsegments derart gewählt, dass der Druckverlust in jedem dieser Strömungspfadsegmente annähernd gleich groß ist. Damit werden Engstellen im Strömungspfad vermieden, die verlustbehaftet sind. Dies führt zu einer verbesserten Gesamtperformance des Wärmetauschers.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nimmt das Innenvolumen von der Zuleitung zu der Ableitung in Strömungsrichtung des Kältemittels von Lage zu Lage schrittweise zu. Durch die lageweise Vereinheitlichung der Ausgestaltung des Innenvolumens wird die Herstellung vereinfacht.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nimmt das Innenvolumen von jedem der Strömungspfadsegmente von der Zuleitung zu der Ableitung in Strömungsrichtung des Kältemittels von Strömungspfadsegment zu Strömungspfadsegment schrittweise zu, was ebenso zu einer vereinfachten und kostengünstigen Herstellung des Wärmetauschers führt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist jedes der Strömungspfadsegmente zumindest ein Mehrkanalelement auf, wobei jedes der Strömungspfadsegmente zumindest zwei Abschnitte einer Mehrzahl von Sammelelementen aufweist, und wobei die Sammelelemente mit den Mehrkanalelementen verbunden sind und die Strömungspfadsegmente mittels der Sammelelemente miteinander verbunden sind. Bei dieser Ausgestaltung des Strömungspfads kann die Zunahme des Innenvolumens der entsprechenden Strömungspfadsegmente von der Zuleitung zu der Ableitung in Strömungsrichtung des Kältemittels durch zumindest eine der folgenden strukturellen Maßnahmen erreicht werden.
Erstens kann die Anzahl der Mehrkanalelemente pro jeweiligem Strömungspfadsegment in Strömungsrichtung des Kältemittels von der Zuleitung zu der Ableitung zunehmen. Auf diese Weise werden der effektive Innenquerschnitt und auch das dem Kältemittel zur Verfügung stehende Innenvolumen in einfacher Weise erhöht, indem die Anzahl der parallelen Kanäle pro Strömungspfadsegment in Richtung Ableitung erhöht wird.
Zweitens kann die Anzahl der Kanäle pro Mehrkanalelement der jeweiligen Strömungspfadsegmente in Strömungsrichtung des Kältemittels von der Zuleitung zu der Ableitung zunehmen. Auch bei dieser strukturellen Maßnahme werden der effektive Innenquerschnitt und das Innenvolumen für das Kältemittel erhöht, indem die Anzahl der parallelen Kanäle im jeweiligen Strömungspfadsegment in Richtung Ableitung erhöht wird.
Drittens kann der Innendurchmesser der Kanäle der Mehrkanalelemente der jeweiligen Strömungspfadsegmente in Strömungsrichtung des Kältemittels von der Zuleitung zu der Ableitung zunehmen. Beispielsweise können die Innendurchmesser der Kanäle in einem Strömungspfadsegment einheitlich einen Innendurchmesser X aufweisen, wobei in einem anderen Strömungspfadsegment, welches näher zu der Ableitung gelegen ist, der Innendurchmesser der Kanäle der Mehrkanalelemente einheitlich den Innendurchmesser Y aufweisen kann. Diese strukturelle Maßnahme kann unter Verwendung von Standardelementen bei der Herstellung eine kostensparende und effektive Zunahme des Innenvolumens der Strömungspfadsegmente bewirken, da im einfachsten Fall nur zwei Arten an Mehrkanalelementen erforderlich sind.
Viertens kann das Innenvolumen des jeweiligen Sammelelements der Mehrzahl der Sammelelemente in Strömungsrichtung des Kältemittels von der Zuleitung zu der Ableitung zunehmen.
Alle vier vorstehend beschriebenen Maßnahmen können kostengünstig unter Verwendung von einigen wenigen Standardbauteilen für den Wärmetauscher umgesetzt und auch beliebig miteinander kombiniert werden.
Für den Fall, dass die Kanäle des zumindest einen Mehrkanalelements eines ersten Strömungspfadsegments einen zu den Kanälen des zumindest einen Mehrkanalelements eines zweiten Strömungspfadsegments unterschiedlichen Innendurchmesser aufweisen, wird vorteilhafterweise für die zumindest zwei Strömungspfadsegmente jeweils einheitliche Innendurchmesser festgelegt, was wiederum in der Herstellung vereinfachend und damit kostensparend wirkt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher die Strömungspfadsegmente des Wärmetauschers pro Lage in Längsrichtung asymmetrisch aufgeteilt. Folglich weisen die Sammelelemente keine einheitliche Länge mehr auf, sondern sind unterschiedlich zueinander ausgestaltet.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung beträgt die Anzahl der Lagen des Wärmetauschers zwei, wobei zudem die Anzahl der Mehrkanalelemente jeder Lage gleich ist. Die Anzahl der Lagen kann jedoch auch drei oder mehr betragen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist das Kältemittel, welches den Wärmetauscher durchströmt R744 (CO₂).
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nimmt der effektive Querschnitt der Strömungspfadsegmente von der Zuleitung zu der Ableitung in Strömungsrichtung des Kältemittels monoton zu, womit entsprechend das Innenvolumen des Strömungspfads von der Zuleitung zu der Ableitung in Strömungsrichtung des Kältemittels monoton zunimmt. Gemäß dieser Weiterbildung wird das Innenvolumen der Strömungspfadsegmente dadurch erhöht, dass der effektive Querschnitt, welcher der Gesamtquerschnitt aller parallel durchströmten Kanäle ist, der Strömungspfadsegmente in Richtung Ableitung monoton erhöht wird. Unbeachtlich bzw. vernachlässigbar sind hierbei unter Umständen auftretende Einschnürungen oder kurze Verengungen, beispielsweise an Verbindungsstellen der einzelnen Bauteile des Wärmetauschers.
Die vorstehend beschriebenen Merkmale und Funktionen der vorliegenden Erfindung, sowie weitere Aspekte und Merkmale werden nachfolgend anhand der detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren weiter beschrieben.
Figurenliste
Hierbei zeigt/zeigen:

1A eine perspektivische Prinzipdarstellung eines Wärmetauschers des Stands der Technik;
1B eine Draufsicht auf die Prinzipdarstellung der 1A;
2 eine Funktion, welche den Zusammenhang zwischen der relativen Länge des Verdampfers und der Dichte des Kältemittels darstellt, die den Verdampfer durchströmt;
3 einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers;
4 eine schematische Draufsicht auf eine erste erfindungsgemäße Konfiguration des Wärmetauschers der 3;
5 eine schematische Draufsicht auf eine zweite erfindungsgemäße Konfiguration des Wärmetauschers der 3;
6 eine schematische Draufsicht auf eine dritte erfindungsgemäße Konfiguration des Wärmetauschers der 3;
7 eine schematische Draufsicht auf eine vierte erfindungsgemäße Konfiguration des Wärmetauschers der 3;
8 eine schematische Draufsicht auf eine fünfte erfindungsgemäße Konfiguration des Wärmetauschers der 3.

DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Bei dieser Ausführungsform wird die vorliegende Erfindung typischerweise bei einem Verdampfer 1 eines Kühlkreislaufs einer Fahrzeugklimaanlage eingesetzt.
Der Verdampfer 1, der in 3 dargestellt ist, ist üblicherweise in einem Einheitsgehäuse der Fahrzeugklimaanlage angeordnet, das einen Luftdurchtritt ausbildet, durch den hindurch Luft in einen Fahrgastraum eingeblasen wird. Bei dem Verdampfer 1 wird ein flüssiges Kältemittel durch Absorbieren von Wärme aus der Luft verdampft.
Der in 3 gezeigte Verdampfer 1 weist eine Mehrzahl von Mehrkanalelementen 301, 302, 303, 304 mit einer Mehrzahl von darin angeordneten Kanälen bzw. Röhrchen auf, durch die Kältemittel in der Längsrichtung der Mehrkanalelemente 301, 302, 303, 304 hindurchströmt. Zwischen den Mehrkanalelementen 301, 302, 303, 304 können gewellte Rippen 111 in der Breitenrichtung etwa echtwinklig zu der Richtung der Strömung der Luft angeordnet sein, um den Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und der Luft durch das Ausbilden einer größeren Fläche zu verbessern.
Jeder der Kanäle ist so angeordnet, dass sich diese in vertikaler Richtung in den Mehrkanalelementen 301, 302, 303, 304 erstrecken. Die Kanäle können beispielsweise einen viereckigen oder einen runden Querschnitt aufweisen. Die Mehrkanalelemente 301 - 304 mit den Kanälen können beispielsweise aus Aluminium bestehen.
An den Längsenden der Mehrkanalelemente 301, 302, 303, 304 sind Sammelelemente 20 bzw. Sammelbehälter 20 zum Verteilen bzw. zum Zuführen des Kältemittels in die Röhrchen jeweils derart angeordnet, dass sie sich in etwa in horizontaler Richtung erstrecken. Dabei sind die Sammelelemente 20 beispielsweise durch Verlöten oder durch eine Quetschverbindung mit den Mehrkanalelementen 301, 302, 303, 304, dichtend verbunden. Die Sammelelemente 20 verteilen das Kältemittel in die Kanäle der Mehrkanalelemente 301, 302, 303, 304 und nehmen dieses auch wieder aus diesen auf und sammeln das Kältemittel auf diese Weise.
Die Sammelelemente 20 können beispielsweise im Wege des Biegens einer Aluminiumplatte einstückig ausgebildet sein, oder aber auch durch Verlöten einer Mehrzahl von Aluminiumeinzelelementen.
Auf einer beliebigen Seite des Verdampfers 1 ist eine Zuleitung 2 ausgebildet, die das Kältemittel des Kältemittelkreislaufs in den Verdampfer 1 in ein Sammelelement 20 zuführt. Weiter ist an dieser Seite des Verdampfers 1 ebenso eine Ableitung 3 zur Abführen des Kältemittels aus einem Sammelbehälter 20 des Verdampfers 1 benachbart zu der Zuleitung 2 ausgebildet. Allerdings kann die Ableitung 3 entsprechend auch an einer anderen Seite des Verdampfers 1 angeordnet sein, insoweit dies einen geeigneten Strömungspfad ermöglicht.
Der Verdampfer 1 bildet zwei Lagen A und B aus, indem jeweils eine Mehrzahl von Sammelelementen 20 mit zugehörigen Mehrkanalelementen 301, 302, 303, 304 in einer Lage A, B angeordnet sind, wobei ein Sammelbehälter 20 der Lage A mit einem anderen Sammelbehälter 20 der Lage B fluidmäßig, beispielsweise über eine Rohrleitung, verbunden ist. Die Erfindung kann auch bei Wärmetauschern mit mehr als zwei Lagen entsprechend verwirklicht werden.
Weiter sind die Querrichtung, die Längsrichtung und die Höhenrichtung des Verdampfers 1 der 3 entsprechend durch Pfeile angegeben. Der Verdampfer 1 weist in einer zu der Querrichtung im Wesentlichen senkrechten Längsrichtung eine größere bauliche Länge auf als in seiner Querrichtung. Die Lagen A, B des Verdampfers 1 erstrecken sich flächenmäßig in einer Ebene, die durch die Längs- und die Höhenrichtung aufgespannt wird.
Der Strömungspfad 10, welcher nachstehend in Bezug auf 4 näher erläutert wird, für das Kältemittel von Zuleitung 2 zu Ableitung 3 durch den Verdampfer 1, welcher in die Strömungspfadsegmente bzw. -abschnitte 11, 12, 13 und 14 unterteilt werden kann, führt von der Zuleitung 2 durch eine Mehrzahl von Sammelbehältern 20 und eine Mehrzahl von Mehrkanalelementen 301, 302, 303, 304 zu der Ableitung 3. Dieser Strömungsverlauf wird durch die Pfeile der 3 angegeben, welche auf den Mehrkanalelementen 301, 302, 303, 304 aufgetragen sind. In anderen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers können Zuleitung 2 und Ableitung 3 auch an beliebig anderer geeigneter Stelle, z.B. in vertauschter Lage und/oder an entgegengesetzter Position angeordnet sein. Der Strömungspfad 10 wird nunmehr nachstehend mit Bezug auf 4 näher erläutert werden.
Die Mehrkanalelemente 301, 302, 303, 304 der 4 bis 8 sind zur Vereinfachung der Darstellung und zur Veranschaulichung des Prinzips der Erfindung lediglich beispielhaft in Anzahl, Form, Anordnung und Aufbau angegeben, und schränken die dargestellten Konfigurationen nicht auf die gezeigten Konfigurationen ein.
4 zeigt eine schematische Draufsicht auf den Verdampfer der 3, wobei anhand der Pfeile der Strömungspfad 10 mit den jeweiligen Strömungsrichtungen des Kältemittels in dem Verdampfer 1 von Strömungspfadsegment 11, 12, 13, 14 zu Strömungspfadsegment 11, 12, 13, 14 dargestellt wird. So kennzeichnen die Pfeile, welche senkrecht zur Zeichnungsebene nach unten zeigen, eine Strömungsrichtung des Kältemittels im Verdampfer 1 nach unten, und Pfeile, welche senkrecht zur Zeichnungsebene nach oben zeigen, eine Strömungsrichtung des Kältemittels im Verdampfer 1 nach oben, wobei „oben“ und „unten“ den Richtungsangaben der 3 entsprechen. Diese Pfeile entsprechen den Pfeilen der perspektivischen 3, welche dort auf den Mehrkanalelementen 301, 302, 303, 304 aufgetragen sind.
Auf diese Weise ist in 4 der Strömungspfad 10 des Kältemittels in dem Verdampfer 1 dargestellt, wie folgt näher erläutert. Nach der Zuführung des Kältemittels über die Zuleitung 2 in das obere Sammelelement des Strömungspfadsegments 11 fließt das Kältemittel durch die Mehrkanalelemente 301 nach unten in das untere Sammelelement der Strömungspfadsegmente 11 und 12 und in Folge in diesem in das Strömungspfadsegment 12. Danach fließt das Kältemittel wieder nach oben durch die Mehrkanalelemente 302 des Strömungspfadsegments 12 in den oberen Sammelbehälter 20 des Strömungspfadsegments 12 und weiter in den oberen Sammelbehälter 20 des Strömungspfadsegments 13. Danach fließt das Kältemittel wiederum nach unten durch die Mehrkanalelemente 302 des Strömungspfadsegments 12 in das untere Sammelelement 20 der Strömungspfadsegmente 13 und 14 und weiter wieder nach oben in den oberen Sammelbehälter 20 des Strömungspfadsegments 14 zur Ableitung 3, durch welche das Kältemittel wieder aus dem Verdampfer 1 hinausgeleitet wird. Dabei werden grundsätzlich die Mehrkanalelemente 301, 302, 303, 304 in jedem Strömungspfadsegment 11, 12, 13, 14 von dem Kältemittel parallel bzw. gleichzeitig durchströmt, d.h. die Querschnitte jedes Mehrkanalelements301, 302, 303, 304 eines Strömungspfadsegments 11, 12, 13, 14 addiert sich auf und bilden folglich einen effektiven (Gesamt-) Querschnitt der Mehrkanalelemente 301, 302, 303, 304 von jedem Strömungspfadsegment 11, 12, 13,1 4 aus.
Der jeweilige Strömungspfad der 3 und 5 bis 8 entspricht dem vorstehend erläuterten Strömungspfad der 4.
Damit nun das parallel durchströmte Innenvolumen pro Längenabschnitt des Strömungspfads 10 von der Zuleitung 2 zu der Ableitung 3 in Strömungsrichtung des Kältemittels erfindungsgemäß im Wesentlichen monoton zunimmt, können die Mehrkanalelemente und die Sammelbehälter unterschiedliche, erfindungsgemäße Konfigurationen aufweisen, welche in den 4 bis 8 näher dargestellt werden.
4 zeigt diesbezüglich eine erste erfindungsgemäße Konfiguration, bei welcher die Anzahl an Mehrkanalelementen 301, 302, 303, 304 pro Strömungspfadsegment 11, 12, 13, 14 von Zuleitung 2 in Richtung Ableitung 3 stetig zunimmt. Folglich nimmt der effektive Querschnitt der Mehrkanalelemente und damit auch das effektive Innenvolumen pro Strömungspfadsegment 11, 12, 13, 14 zu.
5 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Konfiguration eines Verdampfers 1. Bei dieser Konfiguration nimmt die Anzahl der Kanäle in den Mehrkanalelementen 301, 302, 303, 304 pro Strömungspfadsegment 11, 12, 13, 14 von Zuleitung 2 in Richtung Ableitung 3 stetig zu. Auch hier nimmt der effektive Querschnitt der Mehrkanalelemente und damit auch das effektive Innenvolumen pro Strömungspfadsegment 11, 12, 13, 14 zu. Die Querschnitte in den Strömungspfadsegmenten 11 und 12 bzw. 13 und 14 können dabei jeweils gleich sein, sodass pro Lage ein einheitlicher Querschnitt gleicher Mehrkanalelemente verwendet wird, die Querschnitte in verschiedenen Lagen aber unterschiedlich sind.
6 zeigt eine dritte erfindungsgemäße Konfiguration eines Verdampfers 1. Bei dieser Konfiguration nimmt der Innendurchmesser der Kanäle an Mehrkanalelementen 3031, 3032, 3033, 3034 des jeweiligen Strömungspfadsegments 11, 12, 13, 14 von Zuleitung 2 in Richtung Ableitung 3 stetig zu. Folglich nimmt der effektive Querschnitt der Mehrkanalelemente und damit auch das effektive Innenvolumen pro Strömungspfadsegment 11, 12, 13, 14 zu. Somit unterscheiden sich die Mehrkanalelemente 3031, 3032, 3033, 3034 untereinander darin, dass diese einen unterschiedlichen Querschnitt aufweisen. Die Mehrkanalelemente 3031, 3032, 3033, 3034 dieses Typs lassen sich erfindungsgemäß auch mit den anderen Konfigurationen der Mehrkanalelemente 301, 302, 303, 304 kombinieren.
7 zeigt eine vierte erfindungsgemäße Konfiguration eines Verdampfers 1. Bei dieser Konfiguration werden nur zwei Arten von Mehrkanalelementen 301, 302, 303, 304, je eine Art pro Lage, verwendet, um die Herstellung zu vereinfachen. Dabei sind die Mehrkanalelemente 301, 302, 303, 304 derart konfiguriert, dass deren Anzahl pro Strömungspfadsegment 11, 12 der Lage A zunimmt, während die Mehrkanalelemente 301, 302, 303, 304 der strömungstechnisch nachgelagerten Strömungspfadsegmente 13, 14 der Lage B eine größere Anzahl von Kanälen aufweisen, als die der Mehrkanalelemente 301, 302, 303, 304 der Lage A.
8 zeigt eine fünfte erfindungsgemäße Konfiguration eines Verdampfers 1. So kann der Verdampfer 1 auch grundsätzlich in Bezug auf dessen Strömungspfadsegmente 11, 12, 13, 14 asymmetrisch gestaltet sein. Einer erhöhten oder verringerten Anzahl von Mehrkanalelementen 301, 302, 303, 304 wird somit derart Rechnung getragen, dass der für das jeweilige Strömungspfadsegment 11, 12, 13, 14 zur Verfügung stehende Raum, entsprechend aufgeteilt wird, so wie dies in 8 dargestellt wird. Auf diese Weise kann beispielsweise der Abstand von Mehrkanalelement 301, 302, 303, 304 zu Mehrkanalelement 301, 302, 303, 304 im gesamten Verdampfer 1 identisch ausgeführt werden, was die Herstellung vereinfacht. Weiter ist es auf diese Weise auch möglich, die bestehenden, üblichen Einbaugrößen in das Einheitsgehäuse des Fahrzeugs einzuhalten, d.h., der Verdampfer 1 kann in seinen Außenabmessungen trotz verändertem Strömungspfad 20 ein Standardformat aufweisen.
Die vorstehend erläuterten ersten bis fünften Konfigurationen des Verdampfers können auch beliebig miteinander kombiniert werden. So kann beispielsweise die Anzahl der Mehrkanalelemente 301, 302, 303, 304, 3031, 3032, 3033, 3034 von Segment zu Segment stetig zunehmen, während zugleich ebenso der Innendurchmesser der Kanäle der Mehrkanalelemente 301, 302, 303, 304, 3031, 3032, 3033, 3034 des jeweiligen Strömungspfadsegments 11, 12, 13, 14 von Zuleitung 2 in Richtung Ableitung 3 von Segment zu Segment stetig zunehmen kann.
Ein Beispiel für eine erfindungsgemäße Konfiguration des Verdampfers 1 wäre wie folgt: Das Strömungspfadsegment 11 weist 13 Mehrkanalelemente mit einem jeweiligen Querschnitt von 2,8 mm², das Strömungspfadsegment 12 weist 20 Mehrkanalelemente mit einem jeweiligen Querschnitt von 2,8 mm², das Strömungspfadsegment 13 weist 15 Mehrkanalelemente mit einem jeweiligen Querschnitt von 5,6 mm² und das Strömungspfadsegment 14 weist 18 Mehrkanalelemente mit einem jeweiligen Querschnitt von 5,6 mm² auf. Folglich ist die Anzahl der Mehrkanalelemente jeder Lage gleich und es werden nur zwei Arten von Mehrkanalelementen verwendet, was die Herstellung vereinfacht, und die Bauform des Verdampfers 1 kann unverändert beibehalten werden.
Zudem kann der erfindungsgemäße Verdampfer 1 mit den vorstehend erläuterten strömungstechnischen bzw. strukturellen Maßnahmen auch derart ausgelegt werden, dass der Druckverlust in jedem Strömungspfadsegment 11, 12, 13, 14 annähernd identisch ist, was dazu führt, dass der Druckverlust des gesamten Verdampfers optimiert ist. Bei der entsprechenden Auslegung des Verdampfers 1 wird der Fachmann das jeweilige Verhältnis der Aggregatszustände des Kältemittels (gasförmig zu flüssig), den effektiven Querschnitt, die Länge und sonstige strömungstechnisch relevante Faktoren berücksichtigen. Er kann sich hierbei insbesondere an einer Referenzkurve gemäß 2 orientieren.
Die Prinzipien der Erfindung sind auch auf einen Wärmetauscher anwendbar, der ein Gaskühler ist. Dies ist genau der umgekehrte Fall des vorstehend beschriebenen Verdampfers. Auch hier erfährt das durch den Gaskühler hindurch strömende Kältemittel in dem Strömungspfad von der Zuleitung zu der Ableitung aufgrund des Wärmeaustauschs mit der durch den Gaskühler hindurch strömenden Luft eine Dichteänderung des Kältemittels.
Bei einem erfindungsgemäßen Gaskühler wird das vom Kältemittel parallel durchströmte Innenvolumen also im Wesentlichen monoton abnehmen, weshalb hier eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit des Kältemittels in Richtung Ableitung weitgehend vermieden werden kann oder diese im Vergleich zu Gaskühlern des Stands der Technik deutlich niedriger ausfällt. Folglich kann auch der entsprechende Druckverlust eines Gaskühlers verringert werden
Mit anderen Worten ist der Strömungspfad bei einem Gaskühler von der Zuleitung zu der Ableitung für das Kältemittel derart ausgestaltet, dass das effektive Innenvolumen, welches das Kältemittel einnehmen kann, abschnittsweise abnimmt. Die entsprechenden Längenabschnitte definieren mit dem jeweiligen effektiven Innenquerschnitt dieses Abschnitts das von dem Kältemittel parallel durchströmte Innenvolumen pro Längenabschnitt, welches somit erfindungsgemäß bei einem Gaskühler sukzessive abnimmt.
Somit ist gemäß einer alternativen Konfiguration der Erfindung das für das Kältemittel verfügbare Innenvolumen der stromaufwärts gelegenen Längenabschnitte vorteilhaft größer als das der stromabwärts gelegenen Längenabschnitte.
Die vorliegende Erfindung kann bei beliebigen Kältemittelkreisläufen eingesetzt werden, die einen Wärmetauscher aufweisen. So kann diese beispielsweise auch bei Wärmetauschern von Klimaanlagen für Lastkraftwagen oder Schiffe bzw. Boote eingesetzt werden.

Claims

Wärmetauscher, insbesondere Verdampfer (1), für eine Klimaanlage eines Fahrzeugs, aufweisend: - eine Zuleitung (2) zum Zuführen eines Kältemittels in den Wärmetauscher; und eine Ableitung (3) zum Abführen des Kältemittels aus dem Wärmetauscher; und - einen Strömungspfad (10) von der Zuleitung (2) zu der Ableitung (3), welcher von dem Kältemittel durchströmt wird, - wobei der Strömungspfad (10) eine Mehrzahl von Strömungspfadsegmenten (11, 12, 13, 14) aufweist, welche diesen segmentweise aufteilen, wobei das parallel durchströmte Innenvolumen pro Längenabschnitt von jedem der Strömungspfadsegmente (11,12,13,14) von der Zuleitung (2) zu der Ableitung (3) in Strömungsrichtung des Kältemittels von Strömungspfadsegment (11,12,13,14) zu Strömungspfadsegment (11,12,13,14) schrittweise monoton zunimmt, dadurch gekennzeichnet, dass - der Wärmetauscher in einer zu der Querrichtung im Wesentlichen senkrechten Längsrichtung eine größere bauliche Länge aufweist als in seiner Querrichtung, und wobei der Wärmetauscher in seiner Querrichtung zumindest zwei Lagen (A, B) aufweist, wobei jede der Lagen (A, B) jeweils zumindest einen Abschnitt des Strömungspfads (10) aufweist, - die Strömungspfadsegmente (11,12,13,14) des Wärmetauschers pro Lage (A, B) in Längsrichtung asymmetrisch aufgeteilt sind, - jedes der Strömungspfadsegmente (11,12,13,14) zumindest ein Mehrkanalelement (301, 304) aufweist und - je eine Art von Mehrkanalelementen (301,304) pro Lage (A, B) verwendet wird, wobei die Mehrkanalelemente (304) einer strömungstechnisch nachgelagerten Lage (B) gegenüber der Mehrkanalelemente (301) der vorgelagerten Lage (A) eine größere Anzahl von Kanälen und/oder Kanäle mit einem größeren Innendurchmesser aufweisen.
Wärmetauscher gemäß Anspruch 1, wobei die geometrische Dimensionierung der Strömungspfadsegmente (11, 12, 13, 14) von der Zuleitung (2) zu der Ableitung (3) derart ausgestaltet ist, dass der Druckverlust in jedem der Strömungspfadsegmente (11, 12, 13, 14) annähernd gleich groß ist.
Wärmetauscher gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Innenvolumen pro Längenabschnitt von der Zuleitung (2) zu der Ableitung (3) in Strömungsrichtung des Kältemittels von Lage (A, B) zu Lage (A, B) schrittweise monoton zunimmt.
Wärmetauscher gemäß einem der vorausgegangenen Ansprüche, wobei wobei jedes der Strömungspfadsegmente (11, 12, 13, 14) zumindest zwei Abschnitte einer Mehrzahl von Sammelelementen (20) aufweist, und wobei die Sammelelemente (20) mit den Mehrkanalelementen (301, 302, 303, 304, 3031, 3032, 3033, 3034) verbunden sind und die Strömungspfadsegmente (11, 12, 13, 14) mittels der Sammelelemente (20) miteinander verbunden sind, und wobei die Zunahme des Innenvolumens der Strömungspfadsegmente (11, 12, 13, 14) von der Zuleitung (2) zu der Ableitung (3) in Strömungsrichtung des Kältemittels durch zumindest eine der folgenden strukturellen Maßnahmen erreicht wird: - Zunahme der Anzahl der Mehrkanalelemente (301, 302, 303, 304, 3031, 3032, 3033, 3034) pro jeweiligem Strömungspfadsegment (11, 12, 13, 14) in Strömungsrichtung des Kältemittels von der Zuleitung (2) zu der Ableitung (3); - Zunahme der Anzahl der Kanäle pro Mehrkanalelement (301, 302, 303, 304, 3031, 3032, 3033, 3034) der jeweiligen Strömungspfadsegmente (11, 12, 13, 14) in Strömungsrichtung des Kältemittels von der Zuleitung (2) zu der Ableitung (3); - Zunahme der Innendurchmesser der Kanäle der Mehrkanalelemente (301, 302, 303, 304, 3031, 3032, 3033, 3034) der jeweiligen Strömungspfadsegmente (11, 12, 13, 14) in Strömungsrichtung des Kältemittels von der Zuleitung (2) zu der Ableitung (3); - Zunahme des Innenvolumens des jeweiligen Sammelelements (20) der Mehrzahl der Sammelelemente (20) in Strömungsrichtung des Kältemittels von der Zuleitung (2) zu der Ableitung (3).
Wärmetauscher gemäß einem der vorausgegangenen Ansprüche, wobei die Kanäle der Mehrkanalelemente (301, 302, 303, 304, 3031, 3032, 3033, 3034) in einer Lage (A, B) denselben Innendurchmesser, in unterschiedlichen Lagen (A, B) einen unterschiedlichen Innendurchmesser aufweisen.
Wärmetauscher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Anzahl der Lagen (A, B) zwei beträgt, und die Anzahl der Mehrkanalelemente (301, 302, 303, 304, 3031, 3032, 3033, 3034) jeder Lage (A, B) gleich ist.
Wärmetauscher gemäß einem der vorausgegangenen Ansprüche, wobei das Kältemittel R744 (CO₂) ist.
Wärmetauscher gemäß einem der vorausgegangenen Ansprüche, wobei der effektive Querschnitt der Strömungspfadsegmente (11, 12, 13, 14) von der Zuleitung (2) zu der Ableitung (3) in Strömungsrichtung des Kältemittels monoton zunimmt, womit entsprechend das Innenvolumen pro Längenabschnitt des Strömungspfads (10) von der Zuleitung (2) zu der Ableitung (3) in Strömungsrichtung des Kältemittels monoton zunimmt.