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Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, welcher insbesondere für Wärmeübertragungsaufgaben zwischen Hochdruckkältemitteln und Luft geeignet ist.
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Hochdruckkältemittel sind für verschiedene Einsatzgebiete bei der Kälteerzeugung von Interesse. Besonders aus Gründen der Umweltverträglichkeit spielt Kohlendioxid, R744, als Hochdruckkältemittel eine immer wichtigere Rolle.
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Nachteilig bei Hochdruckkältemitteln im Zusammenhang mit der Dimensionierung und Ausbildung von Wärmeübertragern für diese Kältemitte ist, dass an die hohen Verfahrensdrücke angepasste spezielle Konstruktionsprinzipien und Materialien erforderlich sind, um den sicherheitstechnischen Anforderungen der verschiedensten Anwendungsgebiete gerecht zu werden.
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Im Stand der Technik ist beispielsweise aus der
DE 101 10 828 A1 ein Wärmeübertrager für eine CO
2-Fahrzeugklimaanlage bekannt, wobei die Kanäle durch eine Vielzahl von kleineren Kanälen gebildet werden, welche auf oder in Wärmeübertragungsblechen angeordnet sind, wobei mehrere Lagen von Wärmeübertragungsblechen miteinander verlötet oder verschweißt sind.
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Aus der
DE 101 46 824 A1 geht ein Wärmeübertrager-Flachrohrblock mit umgeformten Flachrohrenden hervor, wobei Flachrohre mit mehreren, über den Rohrquerschnitt verteilten Kanälen den Strömungsweg für das Hochdruckkältemittel bilden.
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Derartige Flachrohre werden auch als Mehrkanalflachrohre bezeichnet und gehen auch aus der
DE 102 41 635 A1 hervor, wobei ein Flachrohr-Wärmeübertrager sowie ein Herstellungsverfahren für einen solchen offenbart sind.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2005 044 754 A1 ein Mehrreihiger Wärmeübertrager und eine Wellrippe für denselben bekannt, wobei die Flachrohre einer Reihe gegenüber der benachbarten Reihe versetzt angeordnet sind und wobei zwischen den Flachrohren selbst eine Wellrippe zur Vergrößerung der Oberfläche auf der Luftseite des Wärmeübertragers vorgesehen ist.
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Schwierigkeiten bei Wärmeübertragern mit Flachrohren bereiten erfahrungsgemäß die Einbindung der Flachrohre in die Sammlerrohre sowie die Anordnung der Flachrohre zum Wärmeübertragerblock mit den Verbindungen zu den Lamellen zur luftseitigen Wärmeübertragung.
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Insbesondere nachteilig an Wärmeübertragergestaltungen mit Mehrkanalflachrohren aus dem Stand der Technik ist, dass eine ökonomische Fertigung sowie eine robuste Konstruktion und eine möglichst geringe Dimensionierung und hohe Kompaktheit der Wärmeübertragers noch nicht zufriedenstellend gelöst ist.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, einen Wärmeübertrager zur Verfügung zu stellen, welcher insbesondere für Hochdruckkältemittel geeignet ist und der sich rationell fertigen lässt sowie über geringe Bauabmessungen verfügt.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Gegenstand mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die Aufgabe wird insbesondere durch einen Wärmeübertrager gelöst, der für Hochdruckkältemittel besonders geeignet ist und aus einer Mehrzahl von übereinander und parallel zueinander verlaufenden Mehrkanalflachrohren und dazwischenliegenden Lamellen besteht. Die Mehrkanalflachrohre besitzen jeweils an den Enden einen Endbereich, in welchen die Mehrkanalflachrohre jeweils zusammengefasst sind. An den beiden Endbereichen der Mehrkanalflachrohre sind Anschlussstutzen angeordnet, in welchen die Enden der Mehrkanalflachrohre einer Seite einmünden. Auf der anderen Seite des Anschlussstutzens befindet sich eine Anschlussmöglichkeit an in der Regel standardisierte Rohrleitungen, die das Kältemittel zum Anschlussstutzen hin oder entsprechend auf der anderen Seite vom Anschlussstutzen weg führen. Die benachbarten Mehrkanalflachrohre sind in mehreren, auf die Länge der Flachrohre aufgeteilte Lamellenbereiche zwischen den Anschlussstutzen zueinander mit Federlamellen beabstandet und thermisch kontaktiert. Die Mehrzahl der Mehrkanalflachrohre sind abschnittsweise parallel zueinander geführt und gemeinsam jeweils mäanderförmig ausgebildet.
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Bevorzugt sind benachbarte Mehrkanalflachrohre im Lamellenbereich parallel und gerade zueinander angeordnet und mit Federlamellen zueinander beabstandet. Die Ausgestaltung der Oberflächenvergrößerung auf der Luftseite des Wärmeübertragers mit Federlamellen stellt eine besonders kostengünstige und effiziente Form der Oberflächenvergrößerung dar, welche ganz besonders vorteilhaft zu fertigen ist.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind zwischen den Lamellenbereichen entlang der Wärmeübertragerflachrohre Übergangsbereiche angeordnet, in denen die benachbarten Mehrkanalflachrohre mindestens teilweise direkt miteinander kontaktiert sind. Von Lamellenbereich zu Lamellenbereich erfolgt bevorzugt ein Richtungswechsel der Orientierung der Mehrkanalflachrohre, welcher durch die Anordnung eines Übergangsbereiches realisiert wird.
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Eine besonders gut zu fertigende und platzsparende Ausgestaltung besteht nunmehr darin, dass in den Übergangsbereichen die Mehrkanalflachrohre direkt thermisch miteinander in Verbindung stehend aufeinanderliegen.
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Besonders bevorzugt sind die Übergangsbereiche zwischen den Lamellenbereichen parallel und gerade ausgeführt sind.
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Besonders bevorzugt sind die Lamellenbereiche und die Übergangsbereich jeweils alternierend und um 90° zueinander versetzt angeordnet. Auf die Art und Weise lässt sich ein Wärmeübertrager schaffen, der eine allgemein rechteckige und insbesondere sogar quadratische Luftdurchströmungsquerfläche aufweist.
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Besonders bevorzugt wird dies erreicht, indem drei Lamellenbereiche und zwei Übergangsbereiche zwischen den Endbereichen der Mehrkanalflachrohre des Wärmeübertragers angeordnet sind.
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Eine Vorzugsausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass acht Mehrkanalflachrohre gleicher Länge im Wärmeübertrager angeordnet sind.
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Die Lamellenbereiche werden bevorzugt dadurch gebildet, dass mehrere ineinander verschlungene Federlamellen aus Spiralfedern zwischen der Mehrkanalflachrohren angeordnet werden. Die Lamellen lassen sich somit besonders kostengünstig aus Standardprodukten der Metallverarbeitung, den Spiralfedern, ausgestalten, was insgesamt zu kostengünstigen Lösungen bei der Herstellung von Hochdruckwärmeübertragern führt.
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Bevorzugt sind zwischen benachbarten Mehrkanalflachrohren im Lamellenbereich drei ineinander verschlungene und voneinander durchdrungene Federlamellen angeordnet, wobei abwechselnd die Orientierung der benachbarten Spiralfedern wechselt. Dies bedeutet, dass die mittlere der drei Spiralfedern eine andere Orientierung aufweist als die beiden benachbarten äußeren Spiralfedern. Unter der Orientierung der Spiralfedern ist zu verstehen, dass diese entsprechend einmal links und ein andermal rechts herum gedreht ausgeführt sind.
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Besonders vorteilhaft für die Wärmeübertragungsaufgaben und die effiziente Fertigung der Wärmeübertrager ist die Verbindung zwischen den Mehrkanalflachrohren und den Federlamellen mit wärmehärtendem Klebstoff ausgeführt. Dadurch kann auf ein Verlöten und Verschweißen der Lamellen mit den Mehrkanalflachrohren verzichtet werden.
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Die Erfindung betrifft konzeptionsgemäß einen Wärmeübertrager in verändertem Aufbau hinsichtlich des Rohrverlaufes der Mehrkanalflachrohre. Besonders hervorzuheben ist, dass nur zwei Verbindungsstellen der Mehrkanalflachrohre untereinander und zu den Anschlussstutzen jeweils in den Endbereichen lokalisiert, existieren. Dies gut beherrschbare Konzentration potentieller Leckstellen begünstigt den den Einsatz der Wärmeübertrager im stationären und auch im mobilen Bereich.
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Das Wärmeübertragerdesign ist kompakt und universell gestaltet und Wärmeübertrager der vorgeschlagenen Bauart können beinahe jeden herkömmlichen Wärmeübertrager ersetzen, wobei bei gleicher Leistung geringere Abmaße erforderlich sind. Auch ist der Wärmeübertrager für höhere Drücke geeignet und somit ist ein Einsatz in Hochdruckkältemittelkreisläufen mit CO2 als Kältemittel möglich.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung besteht der Wärmeübertrager aus acht Mehrkanalflachrohren, welche Abmaße von 1,8 mm Höhe und 16 mm Breite aufweisen. Die Mehrkanalflachrohre sind mäanderförmig gebogen und haben jeweils eine gleiche Länge. Am Ein- und Austritt des die Mehrkanalflachrohre durchströmenden Fluids sind diese in den Endbereichen zusammengebündelt.
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Die Mehrkanalflachrohre werden an diesen Endbereichen von jeweils einer Rohraufnahme mit Adapter aufgenommen und durch Laserschweißen beispielsweise dicht miteinander und der Rohraufnahme verbunden. Mit den Rohraufnahmen sind Adapter verbunden, die entsprechende Anschlussmaße für die Einbindung in den Kreislauf der Klimaanlage besitzen.
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Zwischen den mit ihren Breitseiten zueinander angeordneten Mehrkanalflachrohren werden gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung drei ineinandergefügte Spiralfedern aus Aluminium eingefügt, um eine Beabstandung der Mehrkanalflachrohre zueinander sowie eine bestmögliche Wärmeübertragung auf die zwischen den Mehrkanalflachrohren durchströmende Luft zu gewährleisten. Von diesen drei Spiralfedern ist die Mittlere in entgegengesetzter Richtung gewickelt, um ein Ineinanderfügen zu gewährleisten. Die Geometrie der drei ineinander verschlungenen Federn gewährleistet eine gute Verwirbelung des Luftstromes und erzielt gegenüber herkömmlichen Lamellen eine wesentliche höhere Stabilität. Die Verbindung zwischen den Mehrkanalflachrohren und den Spiralfedern wird, wie erwähnt, durch einen wärmehärtenden Klebstoff hergestellt, der bei einer Temperatur von zirka 180 bis 190 Grad Celsius verschmolzen wird.
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Die Abmaße des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels betragen 278 mm × 278 mm und sind somit von quadratischem Durchströmungsquerschnitt für die Luft. Die Länge der Mehrkanalflachrohre beträgt dabei jeweils 1065 mm. Als besonders vorteilhaft ist hervorzuheben, dass der Wärmeübertrager eine sehr kompakte Bauweise aufweist, bei welcher sich nur zwei Verbindungsstellen der Mehrkanalflachrohre ergeben. Die Verbindungsstellen sind wesentlich stabiler gestaltet als vergleichbare Sammlerkonstruktionen nach dem Stand der Technik und bieten dem gesamten Wärmeübertrager somit eine deutliche höhere Festigkeit gegenüber mechanischen Einflüssen. Einsatzbedingte Stöße oder Deformierungen, wie sie beispielsweise bei leichteren Unfällen im Bereich des Wärmeübertragers beim Einsatz in Fahrzeugen durchaus vorkommen können, kann der Wärmeübertrager aufgrund seines robusten Konstruktionsprinzips widerstehen.
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Weiterhin vorteilhaft ist, dass kostenintensive Lötverfahren für das Einbinden eines jeden einzelnen Mehrkanalflachrohres in einen Sammler entfällt, da alle Mehrkanalflachrohre an ihren Enden in jeweils nur eine Verbindungsstelle münden, die per Laserschweißautomat exakt abgedichtet werden kann. Die Anschlusselemente, bestehend beispielsweise aus Adapter und Rohraufnahme, sind unkompliziert herzustellende Formteile, was eine ökonomische Fertigung des Wärmeübertragers befördert. Das Konstruktionsprinzip und die Parallelführung der Mehrkanalflachrohre gewährleistete eine kontinuierliche Verflüssigung des Kältemittels beim Einsatz des Wärmeübertragers als Kondensator und es entsteht kein zusätzlicher Nassdampfbereich. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich die Länge der einzelnen Mehrkanalflachrohre deutlich von den herkömmlichen Wärmeübertragerrohren unterscheidet.
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Zusammengefasst ergeben sich mehrere Vorteile der Erfindung. Die mäanderförmige Ausformung der Mehrkanalflachrohre gestattet eine kompakte Bauweise des Wärmeübertragers bei gleicher Leistung. Die Einbringung von Federlamellen zwischen den Mehrkanalflachrohren bewirkt eine höhere Verwirbelung des Luftstromes und trägt damit zur Verbesserung der Wirkungsweise bei. Die Federlamellen selbst sind durch ihren ineinander verschlungenen Aufbau und die wärmeaushärtende Verbindung deutlich stabiler als herkömmliche Lamellen aus dünnem Aluminiumblech. Der Aufbau aus Federlamellen ermöglicht eine erheblich bessere Reinigungsfähigkeit, was insbesondere beim Einsatz des Wärmeübertragers als Kondensator und damit einhergehender Verschmutzung von Interesse ist.
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Die Auswahl geeigneter Mehrkanalflachrohre für die Wärmeübertrager gestattet darüber hinaus das Betreiben der Kältemittelkreisläufe mit wesentlich höheren Drücken und es ist insbesondere die Verwendung von CO2 als Kältemittel mit diesem Wärmeübertragertyp möglich.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
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1: Wärmeübertrager im Querschnitt
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2: Anschlussstutzen und Adapter für die Mehrkanalflachrohre im Endbereich
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3: Federlamellen
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In 1 ist ein Wärmeübertrager 1 im Querschnitt dargestellt, der aus mehreren Mehrkanalflachrohren 2 aufgebaut ist. Zwischen den Mehrkanalflachrohren 2 sind Federlamellen 3, auszugsweise auf der linken Seite der 1 dargestellt, angeordnet. Die Enden der Mehrkanalflachrohre 2 bilden jeweils einen Endbereich 11, in dem die Enden der Mehrkanalflachrohre 2 zusammengefasst sind. Die Enden der Mehrkanalflachrohre 2 münden in eine Rohraufnahme 5, welche mit einem Adapter 4 den Anschlussstutzen 8 bildet. Der Adapter 4 weist die entsprechenden geometrischen Abmessungen hin zu den Leitungen außerhalb des Wärmeübertragers 1 auf. Bevorzugt ist der Adapter 4 auswechselbar ausgeführt, so dass der Wärmeübetrager 1 an verschiedenen Leitungssysteme anpassbar ist. Alternativ sind Adapter 4 und Rohraufnahme 5 als ein Bauteil ausgeführt, was die Fertigung vereinfacht und die Leckageanfälligkeit weiter reduziert.
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Auf dem Weg zwischen den beiden Endbereichen 11 weisen die Mehrkanalflachrohre 2 verschiedene Bereich auf. Vom Endbereich 11 gehen die Mehrkanalflachrohre 2 über in einen Lamellenbereich 9 und anschließend nach Richtungsumlenkung um 90° gehen die Mehrkanalflachrohre 2 in einen Übergangsbereich 10 über, in welchem die Mehrkanalflachrohre 2 zumindest teilweise direkt miteinander kontaktiert sind.
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Vom Übergangsbereich 10 werden die Mehrkanalflachrohre 2 wiederum zu einem Lamellenbereich 9 umgelenkt und gehen nach einer weiteren Umlenkung in einen Übergangsbereich 10 über. Aus dem Übergangsbereich 10 gehen die Mehrkanalflachrohre 2 nach erneuter Umlenkung in den Endbereich 11 über und werden in diesem zum Anschlussstutzen 8 geführt. Die beiden Anschlussstutzen 8 liegen in zwei Ebenen in entgegengesetzter Richtung.
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In 2 ist eine Ansicht in axialer Richtung der Mehrkanalflachrohre 2 auf den Adapter 4 und die Rohaufnahme 5 dargestellt. Die Mehrkanalflachrohre 2 werden in dieser Fixierung in die Rohraufnahme 5 mittels Laserschweißverfahren eingeschweißt. Die Mehrkanalflachrohre 2 werden in dieser Konfiguration von einem Endbereich 11 hin zum anderen parallel mit Kältemittel durchströmt.
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In 3 sind drei Federlamellen 3 dargestellt, die als Federlamellen 7 mit einer Wicklung in Linksorientierung und als Federlamellen 6 mit einen Wicklung in Rechtsorientierung ausgeführt sind. Die Federlamellen 6, 7 sind wegen der guten Wärmeübertragungseigenschaften aus Aluminium ausgeführt und unter mechanischer Spannung ineinander verflochten. Die Spiralfedern sind mechanisch sehr robust und halten in ihrer Form auch mechanisch stärker beanspruchenden Reinigungsverfahren, beispielsweise mittels Hochdruckreiniger, im Gegensatz zu Lamellen aus Aluminiumblech nach dem Stand der Technik stand.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmeübertrager
- 2
- Mehrkanalflachrohr
- 3
- Federlamellen
- 4
- Adapter
- 5
- Rohraufnahme
- 6
- Federlamelle rechts gewickelt
- 7
- Federlamelle links gewickelt
- 8
- Anschlussstutzen
- 9
- Lamellenbereich
- 10
- Übergangsbereich
- 11
- Endbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10110828 A1 [0004]
- DE 10146824 A1 [0005]
- DE 10241635 A1 [0006]
- DE 102005044754 A1 [0007]
