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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager zur Kühlung einer Wärmequelle eines Kraftfahrzeugs mit einem Wärmeübertragerblock mit Flachrohren, die mit einem ersten Längsende in einem ersten Rohrboden und mit einem zweiten Längsende in einem zweiten Rohrboden fixiert sind und einen Kältemittelpfad bilden, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
DE 10 2011 107 281 A1 ist ein Wärmeübertrager zur Kühlung einer Wärmequelle eines Kraftfahrzeugs bekannt, umfassend eine Mehrzahl von Kältemittelkanälen sowie eine Mehrzahl von Kühlmittelkanälen. Die Kühlmittelkanäle sind durch zwischen den Kältemittelkanälen vorgesehenen Freiräumen gebildet, wobei wärmeübertragende Flächen zwischen einem in den Kältemittelkanälen geführten Kältemittel und einem in den Kühlmittelkanälen geführten Kühlmittel vorgesehen sind.
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Aus der
DE 10 2005 020 499 A1 ist ein Wärmeübertrager für ein Kraftfahrzeug bekannt, der von Kältemittel durchströmbar ist. Der in den Wärmeübertrager einströmende Kältemittelstrom wird dabei durch eine Ventileinrichtung derart auf mindestens zwei voneinander getrennte Stränge aufgeteilt, dass es zu keiner gegenseitigen Durchmischung des jeweils einströmenden Kältemittelteilstroms kommt. Hierdurch soll eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung sichergestellt werden können.
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Gattungsgemäße Wärmeübertrager nutzen die kältemittelseitig zur Verfügung stehende Verdampfungsenthalpie zur Kühlung eines Niedertemperaturkreislaufes. Dies kann zum Beispiel ein sogenannter R744-Chiller sein, welcher für Batteriekühlungs- oder auch Wärmepumpenanwendungen im Fahrzeug eingesetzt wird.
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Ein solcher Wärmeübertrager weist einen Wärmeübertragerblock mit Flachrohren auf, die mit einem ersten Längsende in einem ersten Rohrboden und mit einem zweiten Längsende in einem zweiten Rohrboden fixiert sind und einen Kältemittelpfad bilden. Ein Kühlmittelpfad wird dabei durch ein den Wärmeübertragerblock umgebendes Gehäuse zusammen mit den Flachrohren gebildet. Zur Ausbildung einer Mehrflutigkeit und damit zu einem verbesserten Wärmeübertrag, wird üblicherweise eine Trennwand vorgesehen. Diese Trennwand überragt die Netztiefe und wird im Kühlmittelkasten über eine definierte Kontur gefangen. Der erforderliche Montagespalt wird hierbei auf ein Minimum reduziert und somit auch der daraus resultierende Bypass-Strom zwischen den einzelnen Fluten.
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Nachteilig bei aus dem Stand der Technik bekannten Wärmeübertragern mit Trennwand ist jedoch, dass die Trennwand ein zusätzliches Bauteil darstellt und sich der Kassettierungs-Prozess durch den Einbau der Trennwand aufwendiger gestaltet. Zudem wird eine konstante Querteilung des Wärmeübertragers unterbrochen, es entstehen höhere Kosten durch Fertigung von einem zusätzlichem Bauteil und es geht Wärmeübertragungsfläche verloren, wodurch sich die Leistung des Wärmeübertragers reduziert.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Wärmeübertrager der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere eine einfachere und kostengünstigere Herstellung des Wärmeübertragers ermöglicht.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem an sich bekannten Wärmeübertrager einen Kassettierungs-Prozess dadurch deutlich zu vereinfachen, dass eine Trennwand nun erstmals nicht als separates Bauteil ausgebildet wird, sondern durch ein als nicht durchströmbares Blindrohr ausgebildetes Flachrohr gleicher Abmessung, wie die übrigen Flachrohre. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager zur Kühlung einer Wärmequelle besitzt dabei in bekannter Weise einen Wärmeübertragerblock mit Flachrohren, die mit einem ersten Längsende in einem ersten Rohrboden und mit einem zweiten Längsende in einem zweiten Rohrboden fixiert sind und einen Kältemittelpfad bilden. Den Wärmeübertragerblock umgebend ist ein Gehäuse vorgesehen, das zusammen mit den Flachrohren einen Kühlmittelpfad bildet. Erfindungsgemäß ist dabei die Trennwand durch zumindest ein als nicht durchströmbares Blindrohr ausgebildetes Flachrohr gebildet. Hierdurch ist es erstmals möglich, die zur Herstellung einer Mehrflutigkeit des Wärmeübertragers erforderliche Trennwand durch ein nahezu baugleiches, jedoch nicht durchströmbares, Flachrohr darzustellen, wodurch der Kassettierungs-Prozess deutlich einfacher und damit die Herstellung des Wärmeübertragers deutlich kostengünstiger realisiert werden kann. Das als nicht durchströmbares Blindrohr ausgebildete Flachrohr fügt sich dabei analog zu einem herkömmlichen Flachrohr in den Kassettierungs-Prozess ein und erfordert keinerlei Änderungen diesbezüglich.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind eine erste und eine zweite Ebene von Flachrohren vorgesehen, wobei das die Trennwand bildende Flachrohr über lediglich die erste Ebene reicht, während in der zweiten Ebene das direkt unter dem die Trennwand bildenden Flachrohr liegende Flachrohr als durchströmbares Flachrohr ausgebildet ist und dadurch die Leistung des Wärmeübertragers erhöht. Bei bisherigen Wärmeübertragern mit herkömmlichen Trennwänden, fiel auch das Flachrohr der zweiten Ebene der Trennwand zum Opfer, so dass in diesem Bereich kein von Kältemittel durchströmtes Flachrohr vorgesehen werden konnte, wodurch sich die Leistungsfähigkeit des bisherigen Wärmeübertragers mit einer solchen Trennwand reduzierte.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist der erste und der zweite Rohrboden im Bereich des die Trennwand bildenden Flachrohrs eine Ausnehmung auf, wobei an dem Gehäuse ein Kühlmittelkasten mit einem sich in Richtung des die Trennwand bildenden Flachrohrs erstreckenden Schwert vorgesehen, und wobei das Schwert komplementär zur Ausnehmung ausgebildet ist und formschlüssig in diese eingreift. Hierdurch kann ein Bypass zwischen dem die Trennwand bildenden und als Blindrohr ausgebildeten Flachrohr und dem Kühlmittelkasten deutlich reduziert und damit die Leistungsfähigkeit des Wärmeübertragers erhöht werden. Zusätzlich zu den beiden Rohrböden weist auch ein in den Figuren nicht gezeigter unterer Sammler eine Aussparung auf, sodass ein Kunststoffgehäuse von einer Seite über den Sammler geschoben werden kann.
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Zweckmäßig verlaufen das Schwert und das die Trennwand bildende Flachrohr parallel und beabstandet zueinander, wobei ein Abstand d zwischen dem Schwert und dem die Trennwand bildenden Flachrohr 0,1 mm ≤ d ≤ 2,0 mm, bevorzugt 0,2 mm ≤ d ≤ 0,5 mm beträgt. Durch einen derartig klein gewählten Abstand kann ein hier auftretender Bypassstrom des Kühlmittels deutlich reduziert werden, wodurch die Leistungsfähigkeit des Wärmeübertragers deutlich erhöht werden kann.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ist das freie Ende des Schwertes abgerundet oder flach ausgebildet. Auch hierdurch ist eine Reduzierung des in diesem Bereich auftretenden Bypassstroms des Kühlmittels möglich, wodurch ebenfalls die Leistungsfähigkeit des Wärmeübertragers gesteigert werden kann. Die abgerundete Form hat den Vorteil, dass die Ausnehmung im Bereich der Rohrkante kleiner ausgebildet werden kann und somit der Bodendurchzug das Flachrohr noch streckenweise auf dieser Seite umfassen kann. Dies wiederum ist vorteilhaft für den Kassettier- und Lötprozess, da das Flachrohr somit vom Rohrboden gefangen wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung kann der Kältemittelpfad mehrflutig, insbesondere 4-flutig, ausgebildet sein. Zusätzlich oder alternativ kann der Kühlmittelpfad mehrflutig, insbesondere 2-flutig, ausgebildet sein. Hierbei kann die Anzahl der jeweiligen Fluten wie folgt berechnet werden:
kältemittelseitig: F = 4 + 2 × n und
kühlmittelseitig: F = 2 + m, wobei gilt,
F Anzahl der Fluten;
n, m ∊ N (natürliche Zahl),
n, m ≥ 0.
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Für Kompaktwärmeübertrager sind dabei Verschaltungen zu bevorzugen, bei denen gilt m = n. Wird n = m = 0 gewählt, wird dabei das aktuelle Design beschrieben, mit einer 4-flutigen Kältemittelseite und einer 2-flutigen Kühlmittelseite.
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Zweckmäßig sind in den Kühlmittelkanälen Wärmeübertragerelemente, insbesondere Turbulenzeinlagen oder Wellrippen angeordnet. Derartige Wärmeübertragerelemente vergrößern die zur Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Oberfläche und ermöglichen dadurch einen verbesserten Wärmetausch.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
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1 einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager in einer Seitenansicht,
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2 eine Detaildarstellung eines Bereichs zwischen einem Schwert eines Kühlmittelkastens und dem die Trennwand bildenden und als nicht durchströmbaren Blindrohr ausgebildeten Flachrohr,
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3 eine Darstellung einer Strömung des Kältemittels im Bereich eines ersten Rohrbodens,
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4 eine Darstellung wie in 2, jedoch im Bereich des zweiten Rohrbodens.
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Entsprechend der 1, weist ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager 1 zur Kühlung einer Wärmequelle eines Kraftfahrzeuges 2 einen Wärmeübertragerblock 3 mit Flachrohren 4 auf, die mit einem ersten Längsende in einem ersten Rohrboden 5 und mit einem zweiten Längsende in einem zweiten Rohrboden 6 fixiert sind und einen Kältemittelpfad 7 bilden. Darüber hinaus ist ein den Wärmeübertragerblock 3 umgebendes Gehäuse 8 vorgesehen, das zusammen mit den Flachrohren 4 einen Kühlmittelpfad 9 bildet. Das Gehäuse 8 ist dabei in der 1 lediglich stark schematisiert dargestellt. Darüber hinaus vorgesehen ist eine Trennwand 10 zur Trennung von Kältemittelfluten und/oder Kühlmittelfluten. Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Trennwand 10 durch zumindest ein als nicht durchströmbares Blindrohr 11 ausgebildetes Flachrohr 4 gebildet ist.
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Der Kühlmittelpfad 9 ist dabei einmal U-förmig umgelenkt, was entsprechend den Pfeilen 9 in 1 dargestellt ist.
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Betrachtet man die 1 sowie 3 und 4 näher, so kann man erkennen, dass der erste und zweite Rohrboden 5, 6 im Bereich des die Trennwand 10 bildenden Flachrohrs 4 eine Ausnehmung 12 aufweist, wobei an dem Gehäuse 8 ein Kühlmittelkasten 13 mit einem sich in Richtung des die Trennwand 10 bildenden Flachrohrs 4 erstreckenden Schwert 13 vorgesehen ist (vergleiche auch die 2) und wobei das Schwert 13 komplementär zur Ausnehmung 12 ausgebildet ist und formschlüssig in diese eingreift. Hierdurch kann eine unerwünschte Bypassströmung im Kühlmittelpfad 9 im Bereich der beiden Röhrböden 5, 6 zumindest minimiert, vorzugsweise sogar ausgeschlossen werden.
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Betrachtet man die 2 näher, so kann man erkennen, dass das Schwert 13 und das die Trennwand 10 bildende Flachrohr 4 parallel und beabstandet zueinander verlaufen, wobei ein Abstand d zwischen dem Schwert 13 und dem die Trennwand 10 bildenden Flachrohr 4 0,1 mm ≤ d ≤ 2,0 mm, bevorzugt sogar 0,2 mm ≤ d ≤ 0,5 mm, beträgt. Durch diesen vergleichsweise geringen Abstand d zwischen dem Schwert 13 und einer Schmalseite des die Trennwand 10 bildenden Flachrohrs 4 kann in diesem Bereich eine äußerst geringe unerwünschte Bypassströmung des Kühlmittels erreicht werden.
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Ein freies Ende des Schwertes 13 kann dabei abgerundet bzw. ausgerundet sein, wie dies in der linken Darstellung der 2 gezeichnet ist, oder aber flach ausgebildet sein, wie dies in der rechten Darstellung der 2 dargestellt ist.
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Der Kühlmittelpfad 9 ist dabei mehrflutig, gemäß der Darstellung in 1 2-flutig, ausgebildet, während der Kältemittelpfad 7 4-flutig ausgebildet ist. Dabei ergibt sich auf der Kältemittelseite für die Anzahl der Fluten folgende Gleichung: F = 4 + 2 × n, mit: F Anzahl der Fluten, n ∊ N (natürliche Zahlen) und n ≥ 0.
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Für die Kühlmittelseite hingegen ergibt sich F = 2 + m mit: F Anzahl der Fluten und m ∊ N (natürliche Zahl), und m ≥ 0.
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Bei Kompaktwärmeübertragern sind die Verschaltungen zu bevorzugen, bei denen m = n ist. Mit n = m = 0 wird dabei das gemäß der 1 und den 3 und 4 dargestellte Design beschrieben. In dargestellten Lösungen kann dabei eine Ausführung als Gleich- oder Gegenstromwärmeübertrager realisiert werden.
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Betrachtet man die 3, so kann man in dieser die Strömung des Kältemittels im Bereich des zweiten Rohrbodens 6 erkennen, wobei der Kältemittelpfad 7 mit Pfeilen dargestellt ist. Dabei ist eine erste Ebene 14 sowie eine darunter angeordnete zweite Ebene 15 vorgesehen, wobei das die Trennwand 10 bildende Flachrohr 4 über lediglich die erste Ebene 14 reicht, während in der darunter angeordneten zweiten Ebene 15 das direkt unter dem die Trennwand 10 bildenden Flachrohr 4 liegende Flachrohr 4’ als durchströmbares Flachrohr 4 ausgebildet ist und dadurch für einen Wärmeübertrag zur Verfügung steht und die Leistung des Wärmeübertragers 1 erhöht.
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Im Kühlmittelpfad 9 sind darüber hinaus Wärmeübertragerelemente 16, insbesondere sogenannte Turbulenzeinlagen oder Wellrippen, angeordnet, welche einen Wärmeübertrag verbessern.
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Gemäß der 1 ist dabei eine Strömungsrichtung des Kältemittels durch einen Punkt aus der Bildebene heraus und durch ein Kreuz in die Bildebene hinein zeichnerisch dargestellt.
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Gemäß der 4 ist dabei mit römischen Ziffern I bis IV die Strömung im Kältemittelpfad 7 im ersten Rohrboden 5 dargestellt, wogegen dies gemäß der 3 im zweiten Rohrboden 6 dargestellt ist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 ist es erstmals möglich, die Trennwand 10 durch ein als Blindrohr 11 ausgebildetes Flachrohr 4 zu bilden, wobei das die Trennwand 10 bildende Flachrohr 4 nicht von Kältemittel durchströmt ist. Der Wärmeübertragerblock 3 kann dabei aus Aluminium ausgebildet sein, sowohl hinsichtlich der beiden Rohrböden 5, 6 als auch der Flachrohre 4, welche mit den beiden Rohrböden 5, 6 verlötet sind. Ein Kühlmittelkasten 17 hingegen kann aus einem Kunststoff, insbesondere aus einem Polymer gebildet sein.
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Mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 kann eine deutliche Vereinfachung des Kassettierungs-Prozesses durch eine Verringerung der Anzahl unterschiedlicher Bauteile im Netz erreicht werden und damit auch eine deutliche Senkung einer Bauteilkomplexität. Insbesondere kann durch die Ausbildung der Trennwand 10 als herkömmliches Flachrohr 4 eine Senkung der Teilevielfalt und dabei eine Senkung der Herstellungskosten erreicht werden. Das unter dem die Trennwand 10 bildende Flachrohr 4 gelegene Flachrohr 4’ kann von Kältemittel durchströmt sein, wodurch dieses zur Wärmeübertragung verwendet werden kann und durch die vergrößerte, wärmeübertragende Fläche die Leistung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 erhöht wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011107281 A1 [0002]
- DE 102005020499 A1 [0003]
