DE102016100192B4 - Device for heat transfer - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung (1) zur Wärmeübertragung, insbesondere zur Wärmeübertragung zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid, aufweisend ein abgeschlossenes Gehäuse (3) mit einer innerhalb eines vom Gehäuse (3) vollständig umschlossenen Volumens angeordneten Wärmeübertragereinheit (2), wobei die Wärmeübertragereinheit (2)- aus beabstandet zueinander angeordneten Rohren (10, 11, 15, 16) ausgebildet ist sowie- mindestens zwei zylindrische Spiralen (9, 14) jeweils mit einer Mittelachse und mindestens zwei zylinderspiralförmig gebogenen Rohren (10, 11, 15, 16) aufweist, welche über Verbindungselemente (19) und Verbindungsleitungen (20) fluidtechnisch derart miteinander verbunden sind, dass das durch die Rohre (10, 11, 15, 16) strömende erste Fluid in einem Verbindungselement (19) in jeweils einen Teilmassenstrom durch ein erstes Rohr (10) und einen Teilmassenstrom durch ein zweites Rohr (11) der ersten zylindrischen Spirale (9) aufgeteilt wird und die Rohre (10, 11) der ersten zylindrischen Spirale (9) mit den Teilmassenströmen parallel beaufschlagt werden, wobei die Teilmassenströme nach dem Ausströmen aus den Rohren (10, 11) in einem Verbindungselement (19) zusammengeführt und durch eine Verbindungsleitung (20) zu den Rohren (15, 16) der zweiten zylindrischen Spirale (14) geleitet werden, welche vom ersten Fluid seriell durchströmt werden.Device (1) for heat transfer, in particular for heat transfer between a first fluid and a second fluid, comprising a closed housing (3) with a heat exchanger unit (2) arranged within a volume completely enclosed by the housing (3), the heat exchanger unit (2) - Is formed from tubes (10, 11, 15, 16) arranged at a distance from one another and - has at least two cylindrical spirals (9, 14) each with a central axis and at least two tubes (10, 11, 15, 16) bent in a cylindrical spiral shape, which are fluidically connected to one another via connecting elements (19) and connecting lines (20) in such a way that the first fluid flowing through the tubes (10, 11, 15, 16) in a connecting element (19) is in each case a partial mass flow through a first tube (10) and a partial mass flow is divided by a second tube (11) of the first cylindrical spiral (9) and the tubes (10, 11) of the first cylindrical Spiral (9) are acted upon by the partial mass flows in parallel, the partial mass flows after flowing out of the tubes (10, 11) merged in a connecting element (19) and through a connecting line (20) to the tubes (15, 16) of the second cylindrical Spiral (14) are passed through which the first fluid flows in series.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung, insbesondere zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug. Die Wärme wird dabei zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid, bevorzugt zwischen einem flüssigen Fluid und einem Kältemittel, übertragen. Als flüssiges Fluid können Wasser oder Wasser-Glykol-Mischungen, welches die Wärme von dem Kältemittel aufnimmt oder an das Kältemittel abgibt, dienen. Als Kältemittel wird bevorzugt Kohlendioxid, welches auch als R744 oder CO2 bezeichnet wird, verwendet. Die Vorrichtung weist ein abgeschlossenes Gehäuse mit einer innerhalb eines vom Gehäuse vollständig umschlossenen Volumens angeordneten Wärmeübertragereinheit auf. Die Wärmeübertragereinheit ist aus Rohren ausgebildet.The invention relates to a device for heat transfer, in particular for use in a motor vehicle. The heat is transferred between a first fluid and a second fluid, preferably between a liquid fluid and a refrigerant. Water or water-glycol mixtures, which absorb the heat from the refrigerant or give it off to the refrigerant, can serve as the liquid fluid. The preferred refrigerant is carbon dioxide, which is also referred to as R744 or CO2. The device has a closed housing with a heat exchanger unit arranged within a volume completely enclosed by the housing. The heat exchanger unit is formed from tubes.

Aus dem Stand der Technik sind Klimatisierungssysteme für Kraftfahrzeuge mit Kältemittelkreisläufen und darin integrierten Wärmeübertragern bekannt, wobei die Wärmeübertrager zum einen als Verdampfer und damit zum Abkühlen eines Fluids und zum anderen als Kondensatoren zum Erwärmen eines Fluids betrieben werden. Beim Durchströmen des Verdampfers verdampft das Kältemittel, während es beim Durchströmen des Kondensators verflüssigt wird. Die Wärmeübertragungen erfolgen jeweils unter einer Phasenänderung des Kältemittels.Air conditioning systems for motor vehicles with refrigerant circuits and heat exchangers integrated therein are known from the prior art, the heat exchangers being operated on the one hand as evaporators and thus for cooling a fluid and on the other hand as condensers for heating a fluid. When flowing through the evaporator, the refrigerant evaporates, while it is liquefied when flowing through the condenser. The heat transfers take place with a phase change of the refrigerant.

Im Kältemittelkreislauf zirkulieren herkömmliche Kältemittel, wie R134a und R1234yf, welche im Vergleich zu Kohlendioxid deutlich geringere Drücke aufweisen. Der Kältemittelkreisprozess mit R744 verläuft zudem überwiegend transkritisch. Dabei wird die Wärme, wie bei Prozessen mit R134a, beim Durchströmen des Verdampfers stets bei Drücken unterhalb des kritischen Drucks, das heißt unterkritisch, aufgenommen. Allerdings wird die Wärme bei Drücken oberhalb des kritischen Drucks, das heißt überkritisch, an die Umgebung abgegeben. Conventional refrigerants such as R134a and R1234yf, which have significantly lower pressures compared to carbon dioxide, circulate in the refrigerant circuit. The refrigerant cycle with R744 is also predominantly transcritical. As in processes with R134a, the heat is always absorbed when flowing through the evaporator at pressures below the critical pressure, i.e. subcritically. However, at pressures above the critical pressure, that is to say supercritically, the heat is given off to the environment.

Erfolgt die Verflüssigung des Kältemittels bei unterkritischem Betrieb, wie zum Beispiel mit dem Kältemittel R134a oder bei bestimmten Umgebungsbedingungen mit R744, wird der Wärmeübertrager als Kondensator bezeichnet. Ein Teil der Wärmeübertragung findet bei konstanter Temperatur statt. Bei überkritischer Wärmeabgabe im Wärmeübertrager nimmt die Temperatur des Kältemittels stetig ab. In diesem Fall wird der Wärmeübertrager auch als Gaskühler bezeichnet.If the refrigerant is liquefied in subcritical operation, such as with the refrigerant R134a or under certain ambient conditions with R744, the heat exchanger is referred to as a condenser. Part of the heat transfer takes place at a constant temperature. In the case of supercritical heat dissipation in the heat exchanger, the temperature of the refrigerant steadily decreases. In this case, the heat exchanger is also referred to as a gas cooler.

Gaskühler zur Wärmeübertragung zwischen R744 und der Umgebungsluft als wärmeaufnehmendes Fluid entsprechen in Bauart und Größe herkömmlichen Kondensatoren für R134a. Auch der Einbauort im Kraftfahrzeug, insbesondere im Frontbereich zwischen den Frontscheinwerfern, ist identisch. Da beim Durchströmen des Gaskühlers vom Kältemittel im Wesentlichen sensible Wärme an die Luft zu übertragen ist, ist eine homogene Anströmung mit Umgebungsluft mit möglichst geringer Temperatur zu gewährleisten, um einen ausreichend hohen Austauschgrad zu erreichen. Ein hoher Austauschgrad und damit ein effizienter Betrieb des Gaskühlers wird jedoch mit einer tendenziell zunehmenden Anzahl an im Frontbereich des Kraftfahrzeugs angeordneten Wärmeübertragern, insbesondere zum Übertragen der Wärme an die Umgebungsluft, sowie Fahrer-Assistenzsystemen immer schwerer umsetzbar.Gas coolers for heat transfer between R744 and the ambient air as heat-absorbing fluid correspond in design and size to conventional condensers for R134a. The installation location in the motor vehicle, in particular in the front area between the headlights, is also identical. Since essentially sensible heat has to be transferred to the air when the refrigerant flows through the gas cooler, a homogeneous flow of ambient air with the lowest possible temperature must be ensured in order to achieve a sufficiently high degree of exchange. However, a high degree of exchange and thus efficient operation of the gas cooler is becoming more and more difficult to implement with an increasing number of heat exchangers arranged in the front area of the motor vehicle, in particular for transferring the heat to the ambient air, as well as driver assistance systems.

Aus dem Stand der Technik bekannte Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, mit flüssigem Kühlmittel als wärmeaufnehmendes oder wärmeabgebendes Fluid, für die Kältemittel R134a und R1234yf sind als Plattenwärmeübertrager ausgebildet. Die aus dünnwandigem Aluminiumblech oder Stahlblech gefertigten Platten entsprechen dabei den Festigkeitsanforderungen der Kältemittel bei den jeweils vorgegebenen Drücken, von beispielsweise 4 bar Arbeitsdruck und 31 bar Berstdruck im Verdampfer sowie 16 bar Arbeitsdruck und 60 bar Berstdruck im Kondensator. Für R744 als Kältemittel liegen die Anforderungen an den Berstdruck mit 260 bar im Verdampfer und 340 bar im Kondensator/Gaskühler um ein vielfaches höher.Refrigerant-coolant heat exchangers known from the prior art, with liquid coolant as the heat-absorbing or heat-emitting fluid, for the refrigerants R134a and R1234yf are designed as plate heat exchangers. The plates made of thin-walled aluminum or sheet steel meet the strength requirements of the refrigerant at the specified pressures, for example 4 bar working pressure and 31 bar bursting pressure in the evaporator and 16 bar working pressure and 60 bar bursting pressure in the condenser. For R744 as a refrigerant, the burst pressure requirements of 260 bar in the evaporator and 340 bar in the condenser / gas cooler are many times higher.

Sowohl der Berstdruck als auch der Betriebsdruck liegen für das Kältemittel R744 bei gleichen Anforderungen an die Temperaturen somit bis zu einem Faktor 10 höher als bei den Kältemitteln R134a bzw. R1234yf. Um den bedeutend höheren Festigkeitsanforderungen zu entsprechen, sind die Wände der Bleche der Platten mit wesentlich größeren Stärken oder/und aus anderen Werkstoffen, wie Edelstahl, auszubilden. Den Anforderungen entsprechende druckfeste Komponenten, wie ein aus stärkeren Wänden oder/und Edelstahl gefertigter Wärmeübertrager, weisen jedoch jeweils ein sehr hohes Gewicht sowie einen großen Bauraum auf und sind sehr kostenintensiv in der Herstellung sowie in der Unterhaltung.Both the burst pressure and the operating pressure for the refrigerant R744 are up to one factor with the same temperature requirements 10 higher than with the refrigerants R134a or R1234yf. In order to meet the significantly higher strength requirements, the walls of the sheets of the plates are to be designed with significantly greater thicknesses and / or from other materials, such as stainless steel. Pressure-resistant components that meet the requirements, such as a heat exchanger made of thicker walls and / or stainless steel, are, however, very heavy and have a large installation space and are very cost-intensive to manufacture and maintain.

Aus der EP 2 402 694 A1 geht ein Wärmeübertrager, insbesondere ein als Kondensator betriebener Wärmeübertrager, einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs hervor. Der Kondensator weist ein Gehäuse und ein Rohrbündel zur Wärmeübertragung zwischen einem Kältemittel und einem Kühlmittel auf, wobei das Kältemittel durch die Rohre des Rohrbündels und das Kühlmittel durch das Gehäuse geleitet werden. Das Kühlmittel umströmt die Rohre auf der Außenseite. Die Rohre münden an den Enden jeweils in als Sammler ausgebildete Elemente. Der Wärmeübertrager wird im Kreuzstrom betrieben. Das Material des Gehäuses ist Kunststoff.From the EP 2 402 694 A1 a heat exchanger, in particular a heat exchanger operated as a condenser, of an air conditioning system of a motor vehicle emerges. The condenser has a housing and a tube bundle for heat transfer between a refrigerant and a coolant, the refrigerant being conducted through the tubes of the tube bundle and the coolant being conducted through the housing. The coolant flows around the tubes on the outside. At the ends, the tubes open into elements designed as collectors. The heat exchanger is operated in cross flow. The material of the housing is plastic.

In der US 5 379 832 A wird ein Wärmeübertrager mit einer zylinderförmigen Mantelfläche und einer zylindrischen Rohrspirale offenbart. Die zylinderförmige Mantelfläche weist jeweils eine kreisrohrförmige Außenwand und eine kreisrohrförmige Innenwand auf, welche koaxial zueinander angeordnet sind. Der Zwischenraum zwischen der Außenwand und der Innenwand ist an den Stirnseiten mittels Endplatten verschlossen, sodass ein röhrenförmiger Mantelhohlraum umschlossen ist. Der Mantelhohlraum weist einen Einlass und einen Auslass für ein erstes Fluid auf. Innerhalb des Mantelhohlraums ist die zylindrische Rohrspirale angeordnet, durch welche ein zweites Fluid strömt. Die zylindrische Rohrspirale weist eine Mittelachse und zwei zylinderspiralförmig um die Mittelachse gebogene Rohre auf, welche koaxial zueinander angeordnet sind.In the U.S. 5,379,832 A is a heat exchanger with a cylindrical outer surface and a cylindrical spiral tube disclosed. The cylindrical jacket surface each has a circular tubular outer wall and a circular tubular inner wall, which are arranged coaxially to one another. The space between the outer wall and the inner wall is closed at the end faces by means of end plates, so that a tubular jacket cavity is enclosed. The jacket cavity has an inlet and an outlet for a first fluid. The cylindrical pipe spiral, through which a second fluid flows, is arranged inside the casing cavity. The cylindrical tube spiral has a central axis and two tubes which are bent in a cylindrical spiral shape about the central axis and which are arranged coaxially to one another.

Aus der US 7 096 664 B2 geht eine Brennkraftmaschine mit einem Wärmeübertrager hervor, in welchem in einem Auslasskanal integral eine Katalysatorvorrichtung zum Reinigen von Abgas angeordnet ist. Der Wärmeübertrager dient der Wärmeübertragung zwischen dem Abgas und einem Arbeitsmedium.From the US 7 096 664 B2 shows an internal combustion engine with a heat exchanger in which a catalytic converter device for cleaning exhaust gas is integrally arranged in an exhaust duct. The heat exchanger is used to transfer heat between the exhaust gas and a working medium.

In der WO 2013/120 998 A2 wird ein Dampferzeuger für eine Vorrichtung zur Abwärmenutzung einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, beschrieben. Der Dampferzeuger weist einen Wärmeübertrager-Kanal, in welchem ein Wärmeübertrager angeordnet ist, und einen Bypass-Kanal zum Wärmeübertrager-Kanal auf. Der Wärmeübertrager-Kanal und der Bypass-Kanal werden während des Betriebs des Dampferzeugers einerseits von einem Heizfluid durchströmt. Der Wärmeübertrager wird andererseits zudem mit einem zu verdampfenden Medium beaufschlagt. Dabei kann der Wärmeübertrager-Kanal den Bypass-Kanal umhüllend ausgebildet sein.In the WO 2013/120 998 A2 describes a steam generator for a device for utilizing waste heat from an internal combustion engine, in particular in a motor vehicle. The steam generator has a heat exchanger channel, in which a heat exchanger is arranged, and a bypass channel to the heat exchanger channel. The heat exchanger channel and the bypass channel are flowed through on the one hand by a heating fluid during operation of the steam generator. On the other hand, a medium to be evaporated is applied to the heat exchanger. The heat exchanger channel can be designed to enclose the bypass channel.

Den im Stand der Technik bekannten Kältemittel-Wärmeübertragern ist zu eigen, dass zur Wärmeübertragung mit Luft ein großer Bauraum zur Verfügung stehen muss, welcher insbesondere im Frontbereich eines Kraftfahrzeugs immer geringer wird. Zudem weisen herkömmliche Wärmeübertrager für R134a oder R1234yf im Vergleich zu R744 wesentlich geringere Anforderungen an den Auslegungsdruck der Komponenten im Kältemittelkreislauf auf.A characteristic of the refrigerant heat exchangers known in the prior art is that a large installation space must be available for heat transfer with air, which space is becoming increasingly smaller, in particular in the front area of a motor vehicle. In addition, conventional heat exchangers for R134a or R1234yf have significantly lower requirements for the design pressure of the components in the refrigerant circuit compared to R744.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Wärmeübertragers zur effizienten Wärmeübertragung zwischen zwei Fluiden, insbesondere zwischen einem Kältemittel und einem flüssigen Fluid als Kühlmittel. Mit dem Wärmeübertrager soll eine maximale Wärmeleistung bei minimaler Baugröße beziehungsweise bei minimalem Bauraumbedarf übertragbar sein. Der Wärmeübertrager soll für den Betrieb mit Kohlendioxid geeignet sein. Der Wärmeübertrager soll des Weiteren ein minimales Gewicht aufweisen sowie minimale Herstellungskosten und Materialkosten verursachen.The object of the invention is to provide a heat exchanger for efficient heat transfer between two fluids, in particular between a refrigerant and a liquid fluid as a coolant. With the heat exchanger, it should be possible to transfer a maximum heat output with a minimum size or with a minimum space requirement. The heat exchanger should be suitable for operation with carbon dioxide. The heat exchanger should also have a minimal weight and cause minimal manufacturing and material costs.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Die Vorrichtung wird nach Patentanspruch 10 verwendet.The object is achieved by a device with the features of claim 1. Further developments are given in the dependent claims. The device is used according to claim 10.

Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmeübertragung, insbesondere zur Wärmeübertragung zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid, gelöst. Die Vorrichtung weist ein abgeschlossenes Gehäuse mit einer innerhalb eines vom Gehäuse vollständig umschlossenen Volumens angeordneten Wärmeübertragereinheit auf. Die Wärmeübertragereinheit ist aus beabstandet zueinander angeordneten Rohren ausgebildet.The object is achieved by a device according to the invention for heat transfer, in particular for heat transfer between a first fluid and a second fluid. The device has a closed housing with a heat exchanger unit arranged within a volume completely enclosed by the housing. The heat exchanger unit is formed from tubes arranged at a distance from one another.

Nach der Konzeption der Erfindung weist die Wärmeübertragereinheit mindestens zwei zylindrische Spiralen jeweils mit einer Mittelachse und mindestens zwei zylinderspiralförmig gebogenen Rohren auf.
Unter einer zylindrischen Spirale ist dabei eine Helix oder eine Schraubenlinie zu verstehen, welche als Kurve mit einer konstanten Steigung um einen Mantel eines Kreiszylinders angeordnet ist. Das zylinderspiralförmig gebogene Rohr ist ein Rohr, bevorzugt mit kreisrundem Strömungsquerschnitt, welches die zylindrische Spirale beschreibt und in der Form der Schraubenlinie geformt ist. Das zylinderspiralförmig gebogene Rohr wird im Weiteren auch als Rohr-Zylinderspirale bezeichnet.
Die zylinderspiralförmig gebogenen Rohre sind über Verbindungselemente und Verbindungsleitungen fluidtechnisch derart miteinander verbunden, dass das durch die Rohre strömende erste Fluid in einem Verbindungselement in jeweils einen Teilmassenstrom durch ein erstes Rohr und einen Teilmassenstrom durch ein zweites Rohr der ersten zylindrischen Spirale aufgeteilt wird und die Rohre der ersten zylindrischen Spirale mit den Teilmassenströmen parallel beaufschlagt werden. Dabei werden die Teilmassenströme nach dem Ausströmen aus den Rohren in einem Verbindungselement zusammengeführt und durch eine Verbindungsleitung zu den Rohren der zweiten zylindrischen Spirale geleitet, welche vom ersten Fluid seriell durchströmt werden.
According to the conception of the invention, the heat exchanger unit has at least two cylindrical spirals each with a central axis and at least two tubes bent in a cylindrical spiral shape.
A cylindrical spiral is to be understood as a helix or a helix which is arranged as a curve with a constant slope around a jacket of a circular cylinder. The tube bent in a cylindrical spiral shape is a tube, preferably with a circular flow cross section, which describes the cylindrical spiral and is shaped in the shape of the helical line. The pipe bent in a cylindrical spiral shape is also referred to below as a pipe cylinder spiral.
The tubes bent in a spiral shape are connected to one another via connecting elements and connecting lines in such a way that the first fluid flowing through the tubes is divided in a connecting element into a partial mass flow through a first tube and a partial mass flow through a second tube of the first cylindrical spiral and the tubes of the first cylindrical spiral with the partial mass flows are applied in parallel. After flowing out of the tubes, the partial mass flows are brought together in a connecting element and passed through a connecting line to the tubes of the second cylindrical spiral, through which the first fluid flows in series.

Die mindestens zwei zylinderspiralförmig gebogenen und über Verbindungselemente und Verbindungsleitungen miteinander verbundenen Rohre sind derart beabstandet zueinander und innerhalb des vom Gehäuse umschlossenen Volumens angeordnet, dass sowohl im Bereich der Rohre als auch im Bereich der Verbindungselemente und Verbindungsleitungen Wärme zwischen den Fluiden übertragbar ist.The at least two tubes bent in a cylindrical spiral shape and connected to one another via connecting elements and connecting lines are arranged at a distance from one another and within the volume enclosed by the housing that heat can be transferred between the fluids both in the area of the tubes and in the area of the connecting elements and connecting lines.

Bei der Anordnung von mehr als einer zylindrischen Spirale sind die Mittelachsen der zylindrischen Spiralen bevorzugt parallel zueinander ausgerichtet.When more than one cylindrical spiral is arranged, the central axes of the cylindrical spirals are preferably aligned parallel to one another.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die zylindrische Spirale mindestens ein zylinderspiralförmig gebogenes inneres Rohr und ein zylinderspiralförmig gebogenes äußeres Rohr auf. Dabei ist das zylinderspiralförmig gebogene innere Rohr koaxial zur Mittelachse der zylindrischen Spirale innerhalb des vom zylinderspiralförmig gebogenen äußeren Rohr umschlossenen Volumens angeordnet. Die Mittelachsen der Rohre entsprechen somit der Mittelachse der zylindrischen Spirale. Die Rohr-Zylinderspiralen aus innerem Rohr und äußerem Rohr mit unterschiedlichen Durchmessern sind koaxial zusammengefügt.According to a further development of the invention, the cylindrical spiral has at least one inner tube bent in a cylindrical spiral shape and an outer tube bent in a cylindrical spiral shape. The inner tube, which is bent in the shape of a cylindrical spiral, is arranged coaxially to the central axis of the cylindrical spiral within the volume enclosed by the outer tube, which is bent in the shape of a cylindrical spiral. The central axes of the tubes thus correspond to the central axis of the cylindrical spiral. The tube-cylinder spirals made of the inner tube and the outer tube with different diameters are joined together coaxially.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind innerhalb des vom Gehäuse umschlossenen Volumens Leitvorrichtungen angeordnet, welche in Verbindung mit dem Gehäuse Strömungspfade für eines der Fluide ausbilden, um das Fluid zur Wärmeübertragung durch die Strömungspfade an Außenseiten der Rohre der Wärmeübertragereinheit entlang zu leiten.According to a preferred embodiment of the invention, guide devices are arranged within the volume enclosed by the housing, which in connection with the housing form flow paths for one of the fluids in order to guide the fluid for heat transfer through the flow paths along the outside of the tubes of the heat exchanger unit.

Zwischen dem zylinderspiralförmig gebogenen inneren Rohr und dem in radialer Richtung zur Mittelachse benachbart angeordneten zylinderspiralförmig gebogenen äußeren Rohr ist vorteilhaft ein Trennelement als Leitvorrichtung angeordnet, sodass das vom Gehäuse vollständig umschlossene Volumen in Strömungspfade unterteilt ist. Dabei ist das Trennelement koaxial zur Mittelachse der zylindrischen Spirale ausgerichtet. Das Trennelement ist bevorzugt hohlzylinderförmig, insbesondere mit einem kreisrunden Querschnitt, ausgebildet, sodass das innere Rohr innerhalb des vom Trennelement umschlossenen Volumens und das äußere Rohr zylinderspiralförmig um das Trennelement gebogen angeordnet sind.A separating element is advantageously arranged as a guide device between the inner tube bent in a cylindrical spiral shape and the outer tube bent in the radial direction adjacent to the central axis, so that the volume completely enclosed by the housing is divided into flow paths. The separating element is aligned coaxially to the central axis of the cylindrical spiral. The separating element is preferably designed in the shape of a hollow cylinder, in particular with a circular cross section, so that the inner tube is arranged within the volume enclosed by the separating element and the outer tube is bent in a cylindrical spiral shape around the separating element.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass innerhalb des vom zylinderspiralförmig gebogenen inneren Rohr umschlossenen Volumens ein Verdrängungselement als Leitvorrichtung ausgebildet ist. Das Verdrängungselement ist dabei koaxial zur Mittelachse der zylindrischen Spirale beziehungsweise des zylinderspiralförmig gebogenen inneren Rohres angeordnet. Das Verdrängungselement ist bevorzugt zylinderförmig, insbesondere mit einem kreisrunden Querschnitt, ausgebildet, sodass das innere Rohr zylinderspiralförmig um das Verdrängungselement gebogen angeordnet ist.A further advantageous embodiment of the invention consists in the fact that a displacement element is designed as a guide device within the volume enclosed by the inner tube, which is bent in a cylindrical spiral shape. The displacement element is arranged coaxially to the central axis of the cylindrical spiral or the inner tube bent in the shape of a cylindrical spiral. The displacement element is preferably cylindrical, in particular with a circular cross section, so that the inner tube is arranged bent in a cylindrical spiral shape around the displacement element.

Die Strömungspfade werden folglich vom Gehäuse und dem Trennelement sowie vom Trennelement und dem Verdrängungselement und jeweils von der Außenseite eines Rohres begrenzt. Eintritt und Austritt der Strömungspfade sind in Richtung der Mittelachse zueinander beabstandet ausgebildet, sodass das Fluid im Wesentlichen parallel zur Mittelachse durch die Strömungspfade geleitet wird. Die bevorzugt mindestens zwei koaxial ausgerichteten Strömungspfade können vom Fluid seriell oder parallel durchströmt werden.The flow paths are consequently delimited by the housing and the separating element as well as by the separating element and the displacement element and in each case by the outside of a pipe. The inlet and outlet of the flow paths are designed to be spaced apart from one another in the direction of the central axis, so that the fluid is guided through the flow paths essentially parallel to the central axis. The fluid can flow through the preferably at least two coaxially aligned flow paths in series or in parallel.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Rohre auf der Außenseite berippt ausgebildet. Die Rippen, welche aus sehr gut wärmeleitfähigem Material, insbesondere Aluminium, ausgebildet sind und die Wärmeübertragungsfläche auf der Außenseite der Rohre vergrößern sowie in thermischem Kontakt mit den Rohren stehen, sind zum Erzeugen turbulenter Strömung und/oder zur Abstimmung der koaxialen Strömungspfade sowie zum Erzeugen spaltfreier radialer Dimensionen bevorzugt gebogen. Das erste Fluid, speziell ein Kältemittel, strömt dabei im Inneren der Rohre, während ein zweites Fluid, speziell ein Kühlmittel, auf der berippten Außenseite der Rohre entlang geleitet wird. Die Rohre sind vorteilhaft ebenfalls aus einem Metall, insbesondere Aluminium, ausgebildet.According to a further advantageous embodiment of the invention, the tubes are designed with ribs on the outside. The ribs, which are made of a material with excellent thermal conductivity, in particular aluminum, and increase the heat transfer surface on the outside of the tubes and are in thermal contact with the tubes, are used to generate turbulent flow and / or to coordinate the coaxial flow paths and to generate more gap-free radial dimensions preferably curved. The first fluid, specifically a refrigerant, flows inside the tubes, while a second fluid, specifically a coolant, is conducted along the ribbed outside of the tubes. The tubes are advantageously also made of a metal, in particular aluminum.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Gehäuse aus einem ersten Gehäuseelement und einem zweiten Gehäuseelement mindestens zweiteilig ausgebildet. Von Vorteil ist, dass sich die Gehäuseelemente an einer Trennebene kontaktierend angeordnet sind. Das Gehäuse dichtet die Wärmeübertragereinheit zur Umgebung hin hermetisch ab, wobei im Bereich der Trennebene zwischen den Gehäuseelementen vorteilhaft zusätzliche Dichtungen, insbesondere Flachdichtungen, ausgebildet sind. Die Gehäuseelemente sind im montierten Zustand der Vorrichtung fest miteinander verbunden, bevorzugt miteinander verschraubt. Nach alternativen Ausgestaltungen sind die Gehäuseelemente miteinander verklemmt oder verklebt oder verschweißt oder verkrimt. Unter dem Verkrimpen ist eine Art des Bördelns als Fügeverfahren zu verstehen, bei welchem zwei Komponenten durch plastische Verformung miteinander verbunden werden. Innerhalb des verkrimpten Bereichs, auch als Krimp bezeichnet, kann eine Dichtung, beispielsweise eine O-Ring-Dichtung, integriert eingearbeitet sein.According to a further development of the invention, the housing is formed in at least two parts from a first housing element and a second housing element. It is advantageous that the housing elements are arranged in a contacting manner on a parting plane. The housing hermetically seals the heat exchanger unit from the surroundings, additional seals, in particular flat seals, advantageously being formed in the area of the parting plane between the housing elements. In the assembled state of the device, the housing elements are firmly connected to one another, preferably screwed to one another. According to alternative embodiments, the housing elements are clamped or glued or welded or crimped to one another. Crimping is a type of flanging as a joining process in which two components are connected to one another by plastic deformation. A seal, for example an O-ring seal, can be incorporated in an integrated manner within the crimped area, also referred to as a crimp.

Das Gehäuse ist vorteilhaft aus einem Kunststoff oder aus einem Metall, insbesondere aus einem Aluminium und/oder einem Aluminiumguss, ausgebildet. Das Gehäuse weist bevorzugt Anschlussstutzen zum Leiten eines Fluids auf. Dabei ist das Fluid durch einen Einlass in das Gehäuse hineinleitbar und durch einen Auslass aus dem Gehäuse herausleitbar. Die Anschlussstutzen ragen vorteilhaft jeweils beiderseits an einer Wandung des Gehäuses heraus.The housing is advantageously made from a plastic or from a metal, in particular from an aluminum and / or a cast aluminum. The housing preferably has connecting pieces for conducting a fluid. The fluid can be guided into the housing through an inlet and can be guided out of the housing through an outlet. The connecting pieces advantageously protrude on both sides of a wall of the housing.

Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung als eine in reinem Gegenstrom oder in reinem Kreuzstrom oder in einer Kombination aus Kreuzstrom und Gegenstrom betreibbare Vorrichtung zur Wärmeübertragung ermöglicht die Verwendung in einem Kältemittelkreislauf, insbesondere eines Klimatisierungssystems, speziell eines Kraftfahrzeugs, und kann zur Kühlung oder zur Erwärmung eines Fluids eines Kühlmittelkreislaufes beziehungsweise eines Heizkreislaufes dienen. Die Wärmeübertragereinheit kann dabei als Kondensator, Gaskühler oder Verdampfer eines Kältemittels, insbesondere Kohlendioxid, in unterschiedlichen Anwendungen eingesetzt werden, neben einem kühlmittelgekühlten Wärmeübertrager beispielsweise auch als kältemittelbeaufschlagter Ladeluftkühler, Abgaskühler oder Ölkühler. Dabei sind auch andere Medien als Kältemittel und Kühlmittel, insbesondere Wasser oder Wasser-Glykolgemische, wie Öl oder Abgas, einsetzbar. Die Vorrichtung zur Wärmeübertagung ist bevorzugt als ein Kältemittel-Wärmeübertrager, insbesondere als ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, speziell als ein Kohlendioxid-Wasser-Wärmeübertrager, verwendbar.The advantageous embodiment of the invention as a device for heat transfer that can be operated in pure counterflow or in pure crossflow or in a combination of crossflow and counterflow enables use in a refrigerant circuit, in particular an air conditioning system, especially a motor vehicle, and can be used for cooling or heating a fluid a coolant circuit or a heating circuit are used. The heat exchanger unit can be used as a condenser, gas cooler or evaporator of a refrigerant, in particular carbon dioxide, in various applications, in addition to a coolant-cooled heat exchanger, for example, as a refrigerant-charged charge air cooler, exhaust gas cooler or oil cooler. Media other than refrigerants and coolants, in particular water or water-glycol mixtures, such as oil or exhaust gas, can also be used. The device for heat transfer can preferably be used as a refrigerant heat exchanger, in particular as a refrigerant-coolant heat exchanger, specifically as a carbon dioxide-water heat exchanger.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ein herkömmlicher luftgekühlter Gaskühler zu 70 % bis 90 % durch einen kühlmittelgekühlten, insbesondere wassergekühlten, Gaskühler ersetzt und aus dem Frontbereich eines Kraftfahrzeugs deplatziert werden, um einen größeren verfügbaren Bauraum im Frontbereich zu schaffen. Obwohl ein derartig gewonnener Bauraum zur Rückkühlung des Kühlmittels in einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager benötigt wird, können alle im Frontbereich des Kraftfahrzeugs unterzubringenden Wärmeübertrager flexibler zueinander angeordnet werden. Alle Anforderungen für eine sensible Wärmeübertragung innerhalb des R744-Gaskühlers und damit für einen effizienten Betrieb des Klimatisierungssystems sind erfüllt. Ohne die Möglichkeit der Deplatzierung des Gaskühlers und der Rückkühlung über einen sekundären Kühlmittelkreislauf wäre aufgrund unzureichender Kühlung oder Wärmeabgabe ein effizienter Betrieb eines Klimatisierungssystems mit einem Kältemittelkreislauf mit Kohlendioxid als Kältemittel in bestimmten Kraftfahrzeugen nicht zu gewährleisten. In vielen Anwendungen ist in Kraftfahrzeugen neben der eigentlichen Motorkühlung bereits ein zweites Kühlmittelsystem, beispielsweise für die Ladeluftkühlung oder die Kühlung von elektrischen Komponenten bei Hybridfahrzeugen, vorhanden. Somit ist eine Integration des kühlmittelgekühlten Gaskühlers in bereits bestehende zweite Kühlmittelsysteme möglich. Der zusätzliche Aufwand zur Rückkühlung des Kühlmittels ist gering. Bei einem Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung als kühlmittelgekühlter Gaskühler eines Klimatisierungssystems eines Elektrofahrzeugs, welches neben dem Modus im Kälteanlagenbetrieb auch im Modus im Heizbetrieb beziehungsweise als Wärmepumpe betreibbar ist, wobei der Kältemittelkreislauf mittels Ventilen umschaltbar ist, wird die Vorrichtung je nach Bedarf als Verdampfer oder als Gaskühler betrieben. Wenn die Vorrichtung dabei im Kühlmittelkreislauf der Elektrokomponenten integriert ist und als Verdampfer betrieben wird, kann die Abwärme der Elektrokomponenten, zum Beispiel der Batterie und/oder des Elektromotors aufgewertet und zu Heizzwecken verwendet werden.With the device according to the invention, 70% to 90% of a conventional air-cooled gas cooler can be replaced by a coolant-cooled, in particular water-cooled, gas cooler and removed from the front area of a motor vehicle in order to create a larger available space in the front area. Although installation space gained in this way is required for recooling the coolant in a coolant-air heat exchanger, all heat exchangers to be accommodated in the front region of the motor vehicle can be arranged more flexibly with respect to one another. All requirements for sensible heat transfer within the R744 gas cooler and thus for efficient operation of the air conditioning system are met. Without the possibility of relocating the gas cooler and re-cooling via a secondary coolant circuit, an efficient operation of an air conditioning system with a refrigerant circuit with carbon dioxide as the refrigerant in certain motor vehicles would not be guaranteed due to insufficient cooling or heat dissipation. In many applications, in addition to the actual engine cooling, a second coolant system is already present in motor vehicles, for example for charge air cooling or the cooling of electrical components in hybrid vehicles. This enables the coolant-cooled gas cooler to be integrated into existing second coolant systems. The additional effort for recooling the coolant is low. When using the device according to the invention as a coolant-cooled gas cooler of an air conditioning system of an electric vehicle, which can be operated in addition to the mode in refrigeration system operation also in mode in heating operation or as a heat pump, with the refrigerant circuit being switchable by means of valves, the device is used as an evaporator or as a gas cooler as required operated. If the device is integrated in the coolant circuit of the electrical components and is operated as an evaporator, the waste heat from the electrical components, for example the battery and / or the electric motor, can be upgraded and used for heating purposes.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist weitere diverse Vorteile auf:

  • - effiziente Wärmeübertragung zwischen zwei Fluiden, insbesondere zwischen einem Kältemittel und einem flüssigen Fluid als Kühlmittel,
  • - Übertragen einer maximalen Wärmeleistung bei einer minimalen Baugröße beziehungsweise bei minimalem Bauraumbedarf, das heißt bei optimalem Verhältnis von übertragbarer Wärmeleistung zu umbauten Volumen,
  • - hoch druckfester Wärmeübertrager aus einer Kombination von mehreren parallel und/oder seriell verschaltbaren Rohr-Zylinderspiralen beziehungsweise Spiralrohrwendeln,
  • - modularer Aufbau der mehreren parallel und/oder seriell verschaltbaren Rohr-Zylinderspiralen, insbesondere Rippenrohr-Zylinderspiralen, dadurch Wärmeübertrager mit minimalem Gewicht in großem Bereich der Leistung realisierbar sowie modular an Fluidkombinationen adaptierbar,
  • - für den Betrieb mit Kohlenstoffdioxid, insbesondere zur Anwendung im Kraftfahrzeug, geeignet, sowie
  • - minimale Kosten bei der Herstellung und minimaler Materialaufwand.
The device according to the invention has other diverse advantages:
  • - efficient heat transfer between two fluids, in particular between a refrigerant and a liquid fluid as a coolant,
  • - Transfer of a maximum heat output with a minimal size or with a minimal installation space requirement, i.e. with an optimal ratio of transferable heat output to built-up volume,
  • - Highly pressure-resistant heat exchanger made from a combination of several parallel and / or serially connectable pipe-cylinder spirals or spiral pipe coils,
  • - modular structure of the several parallel and / or serially interconnectable tube-cylinder spirals, in particular finned tube-cylinder spirals, thus heat exchangers with minimal weight in a large range of power can be implemented and modularly adaptable to fluid combinations,
  • - Suitable for operation with carbon dioxide, in particular for use in motor vehicles, as well
  • - minimal manufacturing costs and minimal material expenditure.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen

  • 1: eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung mit einem aus einem ersten Gehäuseelement und einem zweiten Gehäuseelement ausgebildeten abgeschlossenen Gehäuse,
  • 2 bis 4: die Vorrichtung zur Wärmeübertragung in Schnittdarstellungen durch das Gehäuse und eine im Gehäuse angeordnete Wärmeübertragereinheit,
  • 5: die Wärmeübertragereinheit der Vorrichtung zur Wärmeübertragung,
  • 6a, 6b: die in dem zweiten Gehäuseelement eingebettete Wärmeübertragereinheit der Vorrichtung zur Wärmeübertragung aus 5,
  • 6c: die in der zweiten Gehäuseelement eingebettete Wärmeübertragereinheit der Vorrichtung zur Wärmeübertragung aus 6a, 6b mit einer Schnittdarstellung durch die Wärmeübertragereinheit,
  • 7: Explosionsdarstellung der Vorrichtung zur Wärmeübertragung mit den Gehäuseelementen und der Wärmeübertragereinheit,
  • 8a: Explosionsdarstellungen der Wärmeübertragereinheit aus einer ersten und einer zweiten zylindrischen Spirale jeweils mit einem äußeren Rohr und einem inneren Rohr,
  • 8b: Explosionsdarstellungen der Wärmeübertragereinheit aus 8a mit Verdrängungselementen und Trennelementen,
  • 9: Rohr einer zylindrischen Spirale mit einem Anteil eines Glattrohres und einem Anteil mit Rippen sowie einer Schnittdarstellung durch den Anteil mit Rippen und
  • 10: Schnittdarstellung durch eine Rohr-Zylinderspirale der Wärmeübertragereinheit.
Further details, features and advantages of the invention emerge from the following description of exemplary embodiments with reference to the associated drawings. Show it
  • 1 : a device for heat transfer with a closed housing formed from a first housing element and a second housing element,
  • 2 until 4th : the device for heat transfer in sectional views through the housing and a heat exchanger unit arranged in the housing,
  • 5 : the heat transfer unit of the heat transfer device,
  • 6a , 6b : the heat transfer unit of the device for heat transfer embedded in the second housing element 5 ,
  • 6c : the heat transfer unit of the device for heat transfer embedded in the second housing element 6a , 6b with a sectional view through the heat exchanger unit,
  • 7th : Exploded view of the device for heat transfer with the housing elements and the heat transfer unit,
  • 8a : Exploded views of the heat exchanger unit consisting of a first and a second cylindrical spiral, each with an outer tube and an inner tube,
  • 8b : Exploded views of the heat exchanger unit 8a with displacement elements and separating elements,
  • 9 : Tube of a cylindrical spiral with a part of a smooth tube and a part with ribs as well as a sectional view through the part with ribs and
  • 10 : Sectional view through a pipe-cylinder spiral of the heat exchanger unit.

In 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Wärmeübertragung mit einem aus einem ersten Gehäuseelement 3a, auch als obere Gehäusehälfte bezeichnet, und einem zweiten Gehäuseelement 3b, auch als untere Gehäusehälfte bezeichnet, ausgebildeten Gehäuse 3 dargestellt. Die Gehäuseelemente 3a, 3b des zweiteiligen Gehäuses 3 liegen im geschlossenen Zustand an einer Trennebene 4 aneinander an.In 1 is a device 1 for heat transfer with one of a first housing element 3a , also referred to as the upper housing half, and a second housing element 3b , also referred to as the lower housing half, formed housing 3 shown. The housing elements 3a , 3b of the two-part housing 3 are in the closed state on a parting line 4th to each other.

Das erste Gehäuseelement 3a ist derart ausgebildet, dass es in Kombination mit dem zweiten Gehäuseelement 3b ein Volumen vollständig umschließt. Das erste Gehäuseelement 3a und das zweite Gehäuseelement 3b korrespondieren im montierten Zustand der Vorrichtung 1 miteinander. Die beiden Gehäusehälften 3a, 3b lassen sich einfach zusammenstecken und montieren.The first housing element 3a is designed such that it is in combination with the second housing element 3b completely encloses a volume. The first housing element 3a and the second housing element 3b correspond in the assembled state of the device 1 together. The two halves of the housing 3a , 3b can be easily plugged together and assembled.

Die Gehäuseelemente 3a, 3b weisen jeweils einen Anschlussstutzen 5, 6 für das Einleiten und das Ableiten von Kühlmittel auf. Das Kühlmittel tritt durch den Einlass 5 in die Vorrichtung 1 ein und durch den Auslass 6 aus der Vorrichtung 1 aus. Das Kältemittel strömt durch einen Eintrittsstutzen 7 in die Vorrichtung 1 ein und wird durch einen Austrittsstutzen 8 aus der Vorrichtung 1 abgeleitet. Der Eintrittsstutzen 7 und der Austrittsstutzen 8 für das Kältemittel sind durch die Wandung des ersten Gehäuseelements 3a aus dem Gehäuse 3 hindurchgeführt.The housing elements 3a , 3b each have a connecting piece 5 , 6th for the introduction and discharge of coolant. The coolant passes through the inlet 5 into the device 1 in and through the outlet 6th from the device 1 the end. The refrigerant flows through an inlet nozzle 7th into the device 1 and is through an outlet nozzle 8th from the device 1 derived. The inlet nozzle 7th and the outlet nozzle 8th for the refrigerant are through the wall of the first housing element 3a out of the case 3 passed through.

Aus den 2 bis 4 geht die Vorrichtung 1 zur Wärmeübertragung jeweils in einer Schnittdarstellung durch das Gehäuse 3 und eine innerhalb des Gehäuses 3, das heißt innerhalb des vom Gehäuse 3 umschlossenen Volumens, angeordnete Wärmeübertragereinheit 2 hervor. Die Wärmeübertragereinheit 2 ist dabei als eine Anordnung aus Rippenrohren mit Verbindungselementen 19 und Verbindungsleitungen 20 ausgebildet. Der bevorzugte Werkstoff für die Wärmeübertragereinheit 2 ist Aluminium, für das Gehäuse 3 sind Kunststoffe vorteilhaft.From the 2 until 4th goes the device 1 for heat transfer, each in a sectional view through the housing 3 and one inside the housing 3 , that is, within the from the housing 3 enclosed volume, arranged heat exchanger unit 2 emerged. The heat exchanger unit 2 is as an arrangement of finned tubes with connecting elements 19th and connecting lines 20th educated. The preferred material for the heat exchanger unit 2 is aluminum, for the housing 3 plastics are beneficial.

Das Gehäuse 3 dichtet das Volumen um die Wärmeübertragereinheit 2 zur Umgebung hin hermetisch ab. Im Zustand des Betriebes der Vorrichtung 1 strömt im Inneren der Wärmeübertragereinheit 2 ein Kältemittel, während die Wärmeübertragereinheit 2 zudem von einem flüssigen Fluid, insbesondere dem Kühlmittel, beispielsweise Wasser oder einem Wasser-Glykol-Gemisch, umströmt wird. Das in Strömungsrichtung 21 durch den Einlass 5 in die Vorrichtung 1 eingeleitete Kühlmittel strömt in den zwischen den Wandungen der Gehäuseelemente 3a, 3b und der Wärmeübertragereinheit 2 ausgebildeten Zwischenräumen und damit auf der Außenseite der Wärmeübertragereinheit 2 durch die Vorrichtung 1 hindurch und durch den Auslass 6 aus der Vorrichtung 1 aus. Das Kühlmittel wird folglich zwischen den Komponenten der Wärmeübertragereinheit 2 und der Innenseite des Gehäuses 2 in Strömungsrichtung 21 geleitet. Auch die Verbindungselemente 19 und Verbindungsleitungen 20 der Wärmeübertragereinheit 2 werden von Kühlmittel umströmt, sodass die Verbindungselemente 19 und Verbindungsleitungen 20 an der Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und dem Kältemittel Anteil haben.The case 3 seals the volume around the heat exchanger unit 2 hermetically to the environment. In the state of operation of the device 1 flows inside the heat exchanger unit 2 a refrigerant, while the heat exchanger unit 2 in addition, a liquid fluid, in particular the coolant, for example water or a water-glycol mixture, flows around it. That in the direction of flow 21 through the inlet 5 into the device 1 The coolant introduced flows into the between the walls of the housing elements 3a , 3b and the heat exchanger unit 2 formed interstices and thus on the outside of the heat exchanger unit 2 through the device 1 through and through the outlet 6th from the device 1 the end. The coolant is consequently between the components of the heat exchanger unit 2 and the inside of the case 2 in the direction of flow 21 directed. The fasteners too 19th and connecting lines 20th the heat exchanger unit 2 coolant flows around them, so that the connecting elements 19th and connecting lines 20th participate in the heat transfer between the coolant and the refrigerant.

Die Wärmeübertragereinheit 2 ist aus einer ersten zylindrischen Spirale 9 und einer zweiten zylindrischen Spirale 14 als zwei Untereinheiten mit je zwei koaxial zu einander angeordneten Rohr-Zylinderspiralen ausgebildet. Die erste zylindrische Spirale 9 und die zweite zylindrische Spirale 14 weisen jeweils ein äußeres, zylinderspiralförmig gebogenes Rohr 10, 15 und ein inneres, zylinderspiralförmig gebogenes Rohr 11, 16 auf, welche jeweils koaxial um eine gemeinsame Mittelachse angeordnet sind. Die Mittelachsen der ersten zylindrischen Spirale 9 und der zweiten zylindrischen Spirale 14 sind wiederum parallel zueinander ausgerichtet. Die äußeren Rohre 10, 15 und die inneren Rohre 11, 16 der zylindrischen Spiralen 9, 14 sind als Rippenrohre ausgebildet.The heat exchanger unit 2 is made up of a first cylindrical spiral 9 and a second cylindrical spiral 14th designed as two sub-units, each with two pipe-cylinder spirals arranged coaxially to one another. The first cylindrical spiral 9 and the second cylindrical spiral 14th each have an outer tube bent in a cylindrical spiral shape 10 , 15th and an inner tube bent in a cylindrical spiral shape 11 , 16 which are each arranged coaxially about a common central axis. The central axes of the first cylindrical spiral 9 and the second cylindrical spiral 14th are in turn aligned parallel to each other. The outer tubes 10 , 15th and the inner tubes 11 , 16 of the cylindrical spirals 9 , 14th are designed as finned tubes.

Zwischen dem äußeren Rohr 10, 15 und dem inneren Rohr 11, 16 der zylindrischen Spirale 9, 14 ist jeweils ein hohlzylinderförmiges Trennelement 12, 17 angeordnet. Das wiederum koaxial zur gemeinsamen Mittelachse der Zylinderspirale des inneren Rohres 11, 16 und der Zylinderspirale des äußeren Rohres 10, 15 ausgerichtete Trennelement 12, 17 mit kreisrundem Querschnitt trennt das von der Zylinderspirale des inneren Rohres 11, 16 umgebende Volumen von dem das von der Zylinderspirale des äußeren Rohres 10, 15 umgebenden Volumens ab.
Im Inneren der von den zylindrischen Spiralen 9, 14 und damit im von dem inneren Rohr 11 der ersten zylindrischen Spirale 9 sowie im von dem inneren Rohr 15 der zweiten zylindrischen Spirale 14 jeweils um die Mittelachse umschlossenen Volumina ist jeweils ein Verdrängungselement 13, 18 angeordnet. Das Verdrängungselement 13, 18 weist die Form eines Vollzylinders mit einem kreisrunden Querschnitt beziehungsweise eines Rundstabes auf und ist koaxial zur Mittelachse der zylindrischen Spirale 9, 14 ausgerichtet.
Damit sind sowohl die erste zylindrische Spirale 9 als auch die zweite zylindrische Spirale 14 von innen nach außen wie folgt ausgebildet: Verdrängungselement 13, 18, Zylinderspirale inneres Rohr 11, 16, Trennelement 12, 17 und Zylinderspirale äußeres Rohr 10, 15. Die inneren Rohre 11, 16 sind jeweils mit den äußeren Rohren 10, 15 über Verbindungsleitungen 20 und Verbindungselemente 19 miteinander fluidtechnisch verbunden, sodass die von den Rohren 10, 11, 15, 16 umschlossenen Volumina ein zusammenhängendes Volumen zum Beaufschlagen mit Kältemittel ausbilden.
Between the outer tube 10 , 15th and the inner tube 11 , 16 the cylindrical spiral 9 , 14th is in each case a hollow cylindrical separating element 12th , 17th arranged. This in turn is coaxial to the common central axis of the cylindrical spiral of the inner tube 11 , 16 and the cylindrical spiral of the outer tube 10 , 15th aligned separator 12th , 17th with a circular cross-section separates this from the cylindrical spiral of the inner tube 11 , 16 surrounding volume of that of the cylindrical spiral of the outer tube 10 , 15th surrounding volume.
Inside that of the cylindrical spirals 9 , 14th and thus in the inner tube 11 the first cylindrical spiral 9 as well as in from the inner tube 15th the second cylindrical spiral 14th Each volume enclosed around the central axis is a displacement element 13th , 18th arranged. The displacement element 13th , 18th has the shape of a solid cylinder with a circular cross-section or a round rod and is coaxial to the central axis of the cylindrical spiral 9 , 14th aligned.
This makes both the first cylindrical spiral 9 as well as the second cylindrical spiral 14th designed from the inside to the outside as follows: displacement element 13th , 18th , Cylindrical spiral inner tube 11 , 16 , Separator 12th , 17th and cylindrical spiral outer tube 10 , 15th . The inner tubes 11 , 16 are each with the outer tubes 10 , 15th via connecting lines 20th and fasteners 19th fluidly connected to each other so that the of the pipes 10 , 11 , 15th , 16 Form enclosed volumes a coherent volume for the application of refrigerant.

Die Rohre 10, 11 der ersten zylindrischen Spirale 9 können je nach Bedarf parallel oder seriell vom Kältemittel durchströmt werden, bevor das Kältemittel durch Verbindungselemente 19 und Verbindungsleitungen 20 zu den Rohren 15, 16 der zweiten zylindrischen Spirale 14 geleitet wird. Auch die Rohre 15, 16 der zweiten zylindrischen Spirale 14 können je nach Bedarf parallel oder seriell vom Kältemittel durchströmt werden. Insbesondere eine parallele Durchströmung der Rohre 10, 11 der ersten zylindrischen Spirale 9 und/oder der Rohre 15, 16 der zweiten zylindrischen Spirale 14 bedingt eine genaue Abstimmung der Durchströmung mit Kältemittel, um die Druckverluste des Kältemittels bei der jeweiligen Durchströmung anzupassen.
Alternativ können auch die äußeren Rohre 10, 15 parallel und anschließend die inneren Rohre 11, 16 parallel oder seriell beziehungsweise alle Rohre 10, 11, 15, 16 parallel oder seriell mit Kältemittel beaufschlagt werden.
Die Wärmeübertragereinheit 2 ist folglich je nach Leistungsanforderung einreihig oder mehrreihig ausgebildet und in der Anzahl der zylindrischen Spiralen 9, 14 skalierbar. Neben der ersten zylindrischen Spirale 9 und der zweiten zylindrischen Spirale 14 können folglich weitere nicht dargestellte zylindrische Spiralen vorgesehen sein.
The pipes 10 , 11 the first cylindrical spiral 9 can be flown through by the refrigerant in parallel or in series, as required, before the refrigerant passes through connecting elements 19th and connecting lines 20th to the pipes 15th , 16 the second cylindrical spiral 14th is directed. The pipes too 15th , 16 the second cylindrical spiral 14th can be flown through by the refrigerant in parallel or in series as required. In particular, a parallel flow through the pipes 10 , 11 the first cylindrical spiral 9 and / or the pipes 15th , 16 the second cylindrical spiral 14th requires precise coordination of the refrigerant flow in order to adapt the pressure losses of the refrigerant to the respective flow.
Alternatively, the outer tubes 10 , 15th parallel and then the inner tubes 11 , 16 parallel or serial or all pipes 10 , 11 , 15th , 16 refrigerant can be applied in parallel or in series.
The heat exchanger unit 2 is consequently designed in one or more rows, depending on the performance requirements, and in the number of cylindrical spirals 9 , 14th scalable. Next to the first cylindrical spiral 9 and the second cylindrical spiral 14th can consequently be provided further not shown cylindrical spirals.

Mit der Ausbildung des Gehäuses 3 in Verbindung mit den Rohren 10, 11, 15, 16, den zwischen den Rohren 10, 11, 15, 16 angeordneten Trennelementen 12, 17 und den im Inneren der zylindrischen Spiralen 9, 14 angeordneten Verdrängungselementen 13, 18 wird das Kühlmittel gezielt auf der Außenseite der Wärmeübertragereinheit 2 entlang geleitet und damit die Durchströmung der Vorrichtung 1 mit dem Kühlmittel um die Wärmeübertragereinheit 2 in Strömungsrichtung 21 definiert.
Die Strömungspfade für das Kühlmittel mit den ausgebildeten Umlenkungen ergeben sich folglich aus den konstruktiven Kombinationen der im Gehäuse 3 ausgebildeten Ausnehmungen, Nuten und Ähnlichem mit der im Gehäuse 3 integriert angeordneten Wärmeübertragereinheit 2.
Dabei sind speziell sowohl die Trennelemente 12, 17 als auch die Verdrängungselemente 13, 18, insbesondere in der Länge, jeweils derart ausgebildet, dass der Massenstrom des Kühlmittels gezielt aufgeteilt wird.
With the training of the housing 3 in connection with the pipes 10 , 11 , 15th , 16 that between the pipes 10 , 11 , 15th , 16 arranged separating elements 12th , 17th and inside the cylindrical spirals 9 , 14th arranged displacement elements 13th , 18th the coolant is targeted on the outside of the heat exchanger unit 2 passed along and thus the flow through the device 1 with the coolant around the heat exchanger unit 2 in the direction of flow 21 Are defined.
The flow paths for the coolant with the deflections formed consequently result from the structural combinations in the housing 3 formed recesses, grooves and the like with that in the housing 3 integrated heat exchanger unit 2 .
Both the separating elements are special 12th , 17th as well as the displacement elements 13th , 18th , in particular in length, each designed in such a way that the mass flow of the coolant is specifically divided.

Wie speziell aus 3 hervorgeht, strömt das Kühlmittel nach dem Einleiten in Strömungsrichtung 21 durch den Einlass 5 und der Aufteilung in zwei Teilmassenströme durch die um das äußere Rohr 10 und das innere Rohr 11 der ersten zylindrischen Spirale 9 ausgebildeten Volumina im Wesentlichen parallel zueinander und parallel zur Mittelachse der zylindrischen Spirale 9. Der erste Teilmassenstrom des Kühlmittels wird zwischen der Wandung des Gehäuses 3 und dem Trennelement 12 hindurchgeführt. Der zweite Teilmassenstrom des Kühlmittels wird zwischen dem Trennelement 12 und dem Verdrängungselement 13 hindurchgeführt. Bei einer nicht dargestellten Ausführungsform der Rohre als Glattrohre sind die Strömungspfade zudem durch zylinderspiralförmige Rohre im Wesentlichen zylinderspiralförmig gewunden. Bei der Ausführungsform der Rohre 10, 11 als berippte Rohre verlaufen die Strömungspfade durch die zwischen den Rippen ausgebildeten Zwischenräumen.
Das Verdrängungselement 13 liegt mit den Stirnseiten jeweils am Gehäuse 3 an, um eine fixierte Lagerung zu gewährleisten. Die Stirnseiten des Trennelements 12 ragen über die Enden der zylindrischen Spirale 9, insbesondere die Enden der Zylinderspiralen des äußeres Rohres 10 und des inneren Rohres 11, hervor, wobei zwischen den Stirnseiten des Trennelements 12 und dem Gehäuse 3 beiderseits ein Spalt verbleibt, um einerseits den Massenstrom des Kühlmittels beim Einströmen aufzuteilen und andererseits die Teilmassenströme wieder zusammenzuführen und als gemeinsamen Massenstrom zur zweiten zylindrischen Spirale 14 zu leiten.
Der nach dem Umströmen der ersten zylindrischen Spirale 9 zur zweiten zylindrischen Spirale 14 geleitete Massenstrom des Kühlmittels wird zwischen der Wandung des Gehäuses 3 und dem Trennelement 17 im Wesentlichen parallel zur Mittelachse der zweiten zylindrischen Spirale 14 hindurchgeführt. Die Stirnseiten des Trennelements 17 der zweiten zylindrischen Spirale 14 ragen über die Enden der zylindrischen Spirale 14, insbesondere die Enden der Zylinderspiralen des äußeres Rohres 15 und des inneren Rohres 16, hervor, wobei das Trennelement 17 im Bereich einer ersten Stirnseite mit der Umfangsseite am Gehäuse 3 fluiddicht, insbesondere kühlmitteldicht, anliegt. Die fluiddichte Anordnung dient der Leitung des Kühlmittels um das zylinderspiralförmig ausgebildete äußere Rohr 15 ohne eine Aufteilung des Massenstroms des Kühlmittels. Zwischen einer zur ersten Stirnseite distal angeordneten zweiten Stirnseite des Trennelements 17 und dem Gehäuse 3 ist ein Spalt ausgebildet, um den Massenstrom des Kühlmittels nach dem Umströmen des äußeren Rohres 15 zum inneren Rohr 16 umzulenken. Nach dem Ausströmen aus dem Strömungspfad um das äußere Rohr 15 der zweiten zylindrischen Spirale 14 wird der Massenstrom des Kühlmittels umgelenkt sowie zwischen dem Trennelement 17 und dem Verdrängungselement 18 durch den Strömungspfad um das innere Rohr 16 der zweiten zylindrischen Spirale 14 zum Auslass 6 geführt. Die Strömungspfade der zweiten zylindrischen Spirale 14 werden seriell durchströmt.
How special 3 shown, the coolant flows in the direction of flow after it has been introduced 21 through the inlet 5 and the division into two partial mass flows through the one around the outer tube 10 and the inner tube 11 the first cylindrical spiral 9 formed volumes substantially parallel to one another and parallel to the central axis of the cylindrical spiral 9 . The first partial mass flow of the coolant is between the wall of the housing 3 and the separator 12th passed through. The second partial mass flow of the coolant is between the separating element 12th and the displacement element 13th passed through. In an embodiment of the tubes (not shown) as smooth tubes, the flow paths are also wound essentially in the shape of a cylinder spiral through tubes in the shape of a cylinder spiral. In the embodiment of the tubes 10 , 11 as ribbed tubes, the flow paths run through the spaces formed between the ribs.
The displacement element 13th lies with the front sides on the housing 3 to ensure a fixed storage. The front sides of the separating element 12th protrude over the ends of the cylindrical spiral 9 , especially the ends of the cylinder spirals of the outer tube 10 and the inner tube 11 , out, with between the end faces of the separating element 12th and the case 3 A gap remains on both sides, on the one hand to divide the mass flow of the coolant as it flows in and on the other hand to bring the partial mass flows together again and as a common mass flow to the second cylindrical spiral 14th to direct.
The one after flowing around the first cylindrical spiral 9 to the second cylindrical spiral 14th directed mass flow of the coolant is between the wall of the housing 3 and the separator 17th substantially parallel to the central axis of the second cylindrical spiral 14th passed through. The front sides of the separating element 17th the second cylindrical spiral 14th protrude over the ends of the cylindrical spiral 14th , especially the ends of the cylinder spirals of the outer tube 15th and the inner tube 16 , with the separator 17th in the area of a first end face with the circumferential side on the housing 3 fluid-tight, in particular coolant-tight, is applied. The fluid-tight arrangement is used to guide the coolant around the Cylindrical spiral-shaped outer tube 15th without dividing the mass flow of the coolant. Between a second end face of the separating element arranged distally to the first end face 17th and the case 3 a gap is formed to allow the mass flow of the coolant after flowing around the outer tube 15th to the inner tube 16 redirect. After flowing out of the flow path around the outer tube 15th the second cylindrical spiral 14th the mass flow of the coolant is deflected and between the separating element 17th and the displacement element 18th through the flow path around the inner tube 16 the second cylindrical spiral 14th to the outlet 6th guided. The flow paths of the second cylindrical spiral 14th are flowed through in series.

In 5 ist die Wärmeübertragereinheit 2 der Vorrichtung 1 zur Wärmeübertragung dargestellt. Die 6a, 6b und 6c zeigen die im zweiten Gehäuseelement 3b, das heißt in der unteren Gehäusehälfte, eingebettete Wärmeübertragereinheit 2 aus 5. Aus 6c geht die Wärmeübertragereinheit 2 mit einer Schnittdarstellung durch die Rohre 10, 11, 15, 16 der zylindrischen Spiralen 9, 14 hervor.In 5 is the heat exchanger unit 2 the device 1 shown for heat transfer. the 6a , 6b and 6c show those in the second housing element 3b , i.e. in the lower half of the housing, embedded heat exchanger unit 2 the end 5 . the end 6c goes the heat exchanger unit 2 with a sectional view through the pipes 10 , 11 , 15th , 16 of the cylindrical spirals 9 , 14th emerged.

Während des Betriebes der Vorrichtung 1 strömt im Inneren der Wärmeübertragereinheit 2 das Kältemittel, welches in Strömungsrichtung 22 durch den Eintrittsstutzen 7 in die Wärmeübertragereinheit 2 einströmt und durch den Austrittsstutzen 8 abgeleitet wird. Wie in 5 gezeigt, wird das durch den Eintrittsstutzen 7 in die Wärmeübertragereinheit 2 einströmende Kältemittel im Verbindungselement 19 in jeweils einen Teilmassenstrom durch das äußere Rohr 10 und einen Teilmassenstrom durch das innere Rohr 11 der ersten zylindrischen Spirale 9 aufgeteilt. Die Rohre 10, 11 der ersten zylindrischen Spirale 9 werden mit den Teilmassenströmen des Kältemittels parallel beaufschlagt. Nach dem Ausströmen aus den Rohren 10, 11 der ersten zylindrischen Spirale 9 werden die Teilmassenströme in einem weiteren Verbindungselement 19 wieder zusammengeführt und durch eine Verbindungsleitung 20 zu den Rohren 15, 16 der zweiten zylindrischen Spirale 14 geleitet.
Der nach dem Durchströmen der Rohre 10, 11 der ersten zylindrischen Spirale 9 zur zweiten zylindrischen Spirale 14 geleitete Massenstrom des Kältemittels wird anschließend durch das äußere Rohr 15 der zweiten zylindrischen Spirale 14 geleitet, nach dem Ausströmen aus dem äußeren Rohr 15 umgelenkt und durch das innere Rohr 16 zum Austrittsstutzen 8 geführt. Das äußere Rohr 15 und das innere Rohr 16 der zweiten zylindrischen Spirale 14 werden vom Kältemittel seriell durchströmt.
Damit ist die Kältemittelseite der Wärmeübertragereinheit 2 beziehungsweise der Vorrichtung 1 zur Wärmeübertragung entsprechend der Kühlmittelseite, vergleiche die Ausführungen zu 3, in einem reinen Gegenstrom verschaltet.
During the operation of the device 1 flows inside the heat exchanger unit 2 the refrigerant flowing in the direction of flow 22nd through the inlet nozzle 7th into the heat exchanger unit 2 flows in and through the outlet nozzle 8th is derived. As in 5 shown, this is shown through the inlet nozzle 7th into the heat exchanger unit 2 Inflowing refrigerant in the connecting element 19th in each case a partial mass flow through the outer pipe 10 and a partial mass flow through the inner tube 11 the first cylindrical spiral 9 divided up. The pipes 10 , 11 the first cylindrical spiral 9 are acted upon in parallel with the partial mass flows of the refrigerant. After flowing out of the pipes 10 , 11 the first cylindrical spiral 9 the partial mass flows are in a further connecting element 19th merged again and through a connecting line 20th to the pipes 15th , 16 the second cylindrical spiral 14th directed.
The one after flowing through the pipes 10 , 11 the first cylindrical spiral 9 to the second cylindrical spiral 14th The directed mass flow of the refrigerant is then passed through the outer tube 15th the second cylindrical spiral 14th after flowing out of the outer tube 15th deflected and through the inner tube 16 to the outlet nozzle 8th guided. The outer tube 15th and the inner tube 16 the second cylindrical spiral 14th are flowed through serially by the refrigerant.
This means that the refrigerant side is the heat exchanger unit 2 or the device 1 for heat transfer according to the coolant side, compare the explanations 3 , connected in a pure countercurrent.

Die beispielhafte Verschaltung der Kältemittelseite der Vorrichtung 1 zur Wärmeübertragung betrifft speziell eine als Gaskühler betriebene Wärmeübertragereinheit 2, wobei die Dichte des Kältemittels bei der Abkühlung trotz einphasiger Zustandsänderung sehr stark ansteigt, sodass die Rohre 10, 11 der erste zylindrischen Spirale 9 parallel und die Rohre 15, 16 der zweiten zylindrischen Spirale 14 seriell durchströmt werden.
Die parallele Durchströmung der ersten zylindrischen Spirale 9 und die anschließende serielle Durchströmung der zweiten zylindrischen Spirale 14 der Wärmeübertragereinheit 2 ist eine spezielle Betriebsweise insbesondere für Medien ohne Übertragung von latenter Wärme. Unter der Übertragung latenter Wärme wird dabei ein Vorgang der Wärmeübertragung verstanden, bei welcher die Wärme bei einem Phasenübergang aufgenommen oder abgegeben wird. Beispiele der Übertragung latenter Wärme sind die Kondensation und die Verdampfung.
Die Übertragung von Wärme ohne latente Anteile erfolgt ohne eine Phasenänderung des Fluids. Vorgänge der Wärmeübertragung ohne latenten Anteil finden zum Beispiel in einem als Gaskühler überkritisch betriebenen Wärmeübertrager, insbesondere dem vorliegenden kühlmittelgekühlten beziehungsweise wassergekühlten Gaskühler für Kohlendioxid, statt.
The exemplary interconnection of the refrigerant side of the device 1 for heat transfer relates specifically to a heat transfer unit operated as a gas cooler 2 , whereby the density of the refrigerant increases very sharply during cooling despite a single-phase change of state, so that the tubes 10 , 11 the first cylindrical spiral 9 parallel and the pipes 15th , 16 the second cylindrical spiral 14th flowed through in series.
The parallel flow through the first cylindrical spiral 9 and the subsequent serial flow through the second cylindrical spiral 14th the heat exchanger unit 2 is a special mode of operation especially for media without transferring latent heat. The transfer of latent heat is understood to mean a process of heat transfer in which the heat is absorbed or released during a phase transition. Examples of latent heat transfer are condensation and evaporation.
The transfer of heat without latent components takes place without a phase change in the fluid. Processes of heat transfer without a latent component take place, for example, in a heat exchanger operated supercritically as a gas cooler, in particular the present coolant-cooled or water-cooled gas cooler for carbon dioxide.

Die 7 zeigt eine Explosionsdarstellung der Vorrichtung 1 zur Wärmeübertragung mit den beiden Gehäuseelementen 3a, 3b und der Wärmeübertragereinheit 2. Aus den 8a und 8b gehen jeweils eine Explosionsdarstellung der Wärmeübertragereinheit 2 aus der ersten zylindrischen Spirale 9 und der zweiten zylindrischen Spirale 14 mit jeweils einem äußeren Rohr 10, 15 und einem inneren Rohr 11, 16 hervor, wobei insbesondere 8b die Ausbildung der Trennelemente 12, 17 und der Verdrängungselemente 13, 18 verdeutlicht.the 7th shows an exploded view of the device 1 for heat transfer with the two housing elements 3a , 3b and the heat exchanger unit 2 . From the 8a and 8b an exploded view of the heat exchanger unit 2 from the first cylindrical spiral 9 and the second cylindrical spiral 14th each with an outer tube 10 , 15th and an inner tube 11 , 16 out, in particular 8b the formation of the separating elements 12th , 17th and the displacement elements 13th , 18th made clear.

Die Wärmeübertragereinheit 2 ist vom Gehäuse 3 vollständig umschlossen. Das bevorzugt aus Kunststoff, Metall oder anderen geeigneten und leichten Materialien ausgebildete Gehäuse 3 ist in 7 geöffnet dargestellt. Die Wärmeübertragereinheit 2 ist in innerhalb der Gehäuseelemente 3a, 3b ausgebildeten Ausnehmungen 23 angeordnet, welche an die äußere Form der zylindrischen Spiralen 9, 14, Verbindungselemente 19 und Verbindungsleitungen 20 sowie deren Anordnung zueinander angepasst sind. Die beiden Gehäuseelemente 3a, 3b sind beispielsweise mit einer in der Trennebene 4 angeordneten Flachdichtung miteinander verschraubt. Die Dichtung und die Schraubverbindungen sind nicht dargestellt. Die Anschlussstutzen 5, 6 des Kühlmittels sind jeweils an den Gehäuseelementen 3a, 3b fest und fluiddicht angeordnet. Der Eintrittsstutzen 7 und der Austrittsstutzen 8 des Kältemittels sind durch in der oberen Gehäusehälfte 3a ausgebildete Durchgangsöffnungen 24 hindurchgeführt und fluiddicht mit dem Gehäuseelement 3a verbunden.The heat exchanger unit 2 is from the housing 3 completely enclosed. The housing, which is preferably made of plastic, metal or other suitable and lightweight materials 3 is in 7th shown open. The heat exchanger unit 2 is in within the housing elements 3a , 3b trained recesses 23 arranged, which is attached to the outer shape of the cylindrical spirals 9 , 14th , Fasteners 19th and connecting lines 20th and their arrangement are adapted to one another. The two housing elements 3a , 3b are for example with one in the parting line 4th arranged flat seal screwed together. The seal and the screw connections are not shown. The connecting pieces 5 , 6th of the coolant are in each case on the housing elements 3a , 3b arranged firmly and fluid-tight. The inlet nozzle 7th and the outlet nozzle 8th of the refrigerant are through in the upper half of the housing 3a formed through openings 24 passed through and fluid-tight with the housing element 3a tied together.

8a zeigt die Explosionsdarstellung der inneren Rohre 11, 16 mit den jeweils im Inneren der zylindrischen Spirale 9, 14 koaxial angeordneten Verdrängungselementen 13, 18 sowie die äußeren Rohre 10, 15 mit den im Inneren der Anordnung der zylinderspiralförmigen Rohre 10, 15 koaxial angeordneten Trennelementen 12, 17. Da sowohl die Verdrängungselemente 13, 18 als auch die Trennelemente 12, 17 zum Begrenzen der um die Rohre 10, 11, 15, 16 ausgebildeten Strömungspfade dienen, werden die Verdrängungselemente 13, 18 und die Trennelemente 12, 17 auch als Leitvorrichtungen, insbesondere für das Kühlmittel, bezeichnet.
Aus 8b geht die Explosionsdarstellung der Verdrängungselemente 13, 18, der inneren Rohre 11, 16, der Trennelemente 12, 17 und der äußeren Rohre 10, 15 hervor, welche im montierten Zustand der Vorrichtung 1 in der genannten Reihenfolge von innen nach außen angeordnet sind.
Zur Vervollständigung der Wärmeübertragereinheit 2 sind jeweils die Verbindungselemente 19 und die Verbindungsleitungen 20 aufgeführt.
8a shows the exploded view of the inner tubes 11 , 16 with each inside the cylindrical spiral 9 , 14th coaxially arranged displacement elements 13th , 18th as well as the outer tubes 10 , 15th with the inside the arrangement of the cylindrical spiral tubes 10 , 15th coaxially arranged separating elements 12th , 17th . As both the displacement elements 13th , 18th as well as the dividing elements 12th , 17th to limit the around the pipes 10 , 11 , 15th , 16 formed flow paths are used, the displacement elements 13th , 18th and the separators 12th , 17th also referred to as guide devices, especially for the coolant.
the end 8b goes the exploded view of the displacement elements 13th , 18th , the inner tubes 11 , 16 , the separating elements 12th , 17th and the outer tubes 10 , 15th out which in the assembled state of the device 1 are arranged in the order mentioned from the inside to the outside.
To complete the heat exchanger unit 2 are the connecting elements 19th and the connecting lines 20th listed.

9 zeigt ein Rohr 10, 11, 15, 16 einer zylindrischen Spirale 9, 14 mit einem aus einem Glattrohr ausgebildeten Anteil und einem mit Rippen ausgebildeten Anteil sowie eine Schnittdarstellung durch den mit Rippen ausgebildeten Anteil. Der als Glattrohr ausgebildete Anteil des Rohres 10, 11, 15, 16 weist einen Außendurchmesser da im Bereich von 5,5 mm bis 8,2 mm ± 0,15 mm und einen Innendurchmesser di im Bereich von 4,25 mm bis 4,8 mm bei einer Wandstärke s im Bereich von 0,6 mm bis 1,7 mm ± 10 % auf. Der Außendurchmesser dar des als Rippenrohr ausgebildeten Anteils beträgt 9,4 mm, während der minimale Innendurchmesser di,min des Rippenrohres 4,0 mm beträgt. Der Übergang zwischen den Anteilen Glattrohr und Rippenrohr weist eine Länge I von etwa 15 mm auf. 9 shows a pipe 10 , 11 , 15th , 16 a cylindrical spiral 9 , 14th with a portion formed from a smooth tube and a portion formed with ribs as well as a sectional view through the portion formed with ribs. The part of the pipe designed as a smooth pipe 10 , 11 , 15th , 16 has an outside diameter d a in the range of 5.5 mm to 8.2 mm ± 0.15 mm and an inside diameter d i in the range from 4.25 mm to 4.8 mm with a wall thickness s in the range from 0.6 mm to 1.7 mm ± 10%. The outside diameter d ar of the part designed as a finned tube is 9.4 mm, while the minimum inner diameter d i, min of the finned tube is 4.0 mm. The transition between the smooth tube and finned tube has a length I. of about 15 mm.

Der Bereich des als Rippenrohr ausgebildeten Anteils des Rohres 10, 11, 15, 16 weist eine minimale Wandstärke s im Bereich von 0,6 mm bis 1,1 mm auf. Die Rippenhöhe rh beträgt bei einer Rippenstärke rs von 0,3 mm bis 0,4 mm 1,3 mm ± 10% bis 2 mm. Als Rippendichte werden 50/(25,4 mm) angenommen. Darüber hinaus gelten Abmessungen des Rippenrohres im Bereich von -50 % bis +200 % für die Anwendung als geeignet.The area of the part of the tube designed as a finned tube 10 , 11 , 15th , 16 has a minimal wall thickness s in the range from 0.6 mm to 1.1 mm. The rib height r h is at one rib thickness r s from 0.3 mm to 0.4 mm 1.3 mm ± 10% to 2 mm. The rib density is assumed to be 50 / (25.4 mm). In addition, dimensions of the finned tube in the range from -50% to +200% are considered suitable for the application.

Aus 10 geht eine Schnittdarstellung durch eine Rohr-Zylinderspirale der Wärmeübertragereinheit 2 hervor.
Der Innendurchmesser Di der Zylinderspirale des äußeren Rohres 10, 15 beträgt beispielhaft 50,9 mm bei einem Außendurchmesser dar des Rippenrohres 10, 11, 15, 16 im Bereich von 8,8 mm ± 0,1 mm bis 9,0 mm ± 0,2 mm und einem Abstand a der Rohre 10, 11, 15, 16 in Richtung der Mittelachse von 9,4 mm.
Die bevorzugten äußeren Durchmesser der zylindrischen Spirale 9, 14 sind 48 mm, 69 mm, 90 mm und 111 mm mit einer Toleranz von jeweils ± 10 mm. Bei einem äußeren Durchmesser der zylindrischen Spirale 9, 14 von 69 mm betragen der innere Durchmesser der Zylinderspirale des äußeren Rohres 10, 15 50 mm, der äußere Durchmesser der Zylinderspirale des inneren Rohres 11, 16 48 mm und der innere Durchmesser der Zylinderspirale des inneren Rohres 11, 16 29 mm.
Die Anzahl der Windungen je zylindrischer Spirale 9, 14 liegt zwischen 5 und 50.
the end 10 is a sectional view through a pipe-cylinder spiral of the heat exchanger unit 2 emerged.
The inside diameter D i the cylindrical spiral of the outer tube 10 , 15th is, for example, 50.9 mm with an outer diameter d ar of the finned tube 10 , 11 , 15th , 16 in the range of 8.8 mm ± 0.1 mm to 9.0 mm ± 0.2 mm and a distance a of the pipes 10 , 11 , 15th , 16 in the direction of the central axis of 9.4 mm.
The preferred outer diameters of the cylindrical spiral 9 , 14th are 48 mm, 69 mm, 90 mm and 111 mm with a tolerance of ± 10 mm each. With an outer diameter of the cylindrical spiral 9 , 14th of 69 mm is the inner diameter of the cylindrical spiral of the outer tube 10 , 15th 50 mm, the outer diameter of the cylindrical spiral of the inner tube 11 , 16 48 mm and the inner diameter of the cylindrical spiral of the inner tube 11 , 16 29 mm.
The number of turns per cylindrical spiral 9 , 14th is between 5 and 50.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Vorrichtung zur WärmeübertragungDevice for heat transfer
22
WärmeübertragereinheitHeat exchanger unit
33
Gehäusecasing
3a3a
erstes Gehäuseelement, obere Gehäusehälftefirst housing element, upper housing half
3b3b
zweites Gehäuseelement, untere Gehäusehälftesecond housing element, lower housing half
44th
Trennebene Gehäuse 2Parting plane housing 2
55
Einlass Kühlmittel, AnschlussstutzenCoolant inlet, connecting piece
66th
Auslass Kühlmittel, AnschlussstutzenCoolant outlet, connecting piece
77th
Eintrittsstutzen KältemittelInlet nozzle refrigerant
88th
Austrittsstutzen KältemittelRefrigerant outlet nozzle
99
erste zylindrische Spiralefirst cylindrical spiral
1010
äußeres Rohr erste zylindrische Spirale 9outer tube first cylindrical spiral 9
1111
inneres Rohr erste zylindrische Spirale 9inner tube first cylindrical spiral 9
1212th
Trennelement erste zylindrische Spirale 9 Separating element first cylindrical spiral 9
1313th
Verdrängungselement erste zylindrische Spirale 9Displacement element first cylindrical spiral 9
1414th
zweite zylindrische Spiralesecond cylindrical spiral
1515th
äußeres Rohr zweite zylindrische Spirale 14outer tube second cylindrical spiral 14
1616
inneres Rohr zweite zylindrische Spirale 14inner tube second cylindrical spiral 14
1717th
Trennelement zweite zylindrische Spirale 14Separating element second cylindrical spiral 14
1818th
Verdrängungselement zweite zylindrische Spirale 14Displacement element, second cylindrical spiral 14
1919th
VerbindungselementConnecting element
2020th
VerbindungsleitungConnecting line
2121
Strömungsrichtung KühlmittelDirection of flow coolant
2222nd
Strömungsrichtung KältemittelDirection of flow refrigerant
2323
AusnehmungRecess
2424
Durchgangsöffnung Through opening
aa
Abstanddistance
dathere
Außendurchmesser Glattrohr 10, 11, 15, 16Outer diameter smooth tube 10, 11, 15, 16
darrepresent
Außendurchmesser Rippenrohr 10, 11, 15, 16Outside diameter of finned tube 10, 11, 15, 16
didi
Innendurchmesser Rippenrohr 10, 11, 15, 16Inner diameter of finned tube 10, 11, 15, 16
di,mindi, min
minimaler Innendurchmesser Rippenrohr 10, 11, 15, 16minimum inner diameter of finned tube 10, 11, 15, 16
DiTuesday
Innendurchmesser Zylinderspirale äußeres Rohr 10,15Inner diameter cylindrical spiral outer tube 10.15
rhrh
RippenhöheRib height
rsrs
RippenstärkeRib thickness
II.
Länge ÜbergangLength transition
ss
Wandstärke Rohr 10, 11, 15, 16 Wall thickness pipe 10 , 11 , 15th , 16

Claims (10)

Vorrichtung (1) zur Wärmeübertragung, insbesondere zur Wärmeübertragung zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid, aufweisend ein abgeschlossenes Gehäuse (3) mit einer innerhalb eines vom Gehäuse (3) vollständig umschlossenen Volumens angeordneten Wärmeübertragereinheit (2), wobei die Wärmeübertragereinheit (2) - aus beabstandet zueinander angeordneten Rohren (10, 11, 15, 16) ausgebildet ist sowie - mindestens zwei zylindrische Spiralen (9, 14) jeweils mit einer Mittelachse und mindestens zwei zylinderspiralförmig gebogenen Rohren (10, 11, 15, 16) aufweist, welche über Verbindungselemente (19) und Verbindungsleitungen (20) fluidtechnisch derart miteinander verbunden sind, dass das durch die Rohre (10, 11, 15, 16) strömende erste Fluid in einem Verbindungselement (19) in jeweils einen Teilmassenstrom durch ein erstes Rohr (10) und einen Teilmassenstrom durch ein zweites Rohr (11) der ersten zylindrischen Spirale (9) aufgeteilt wird und die Rohre (10, 11) der ersten zylindrischen Spirale (9) mit den Teilmassenströmen parallel beaufschlagt werden, wobei die Teilmassenströme nach dem Ausströmen aus den Rohren (10, 11) in einem Verbindungselement (19) zusammengeführt und durch eine Verbindungsleitung (20) zu den Rohren (15, 16) der zweiten zylindrischen Spirale (14) geleitet werden, welche vom ersten Fluid seriell durchströmt werden.Device (1) for heat transfer, in particular for heat transfer between a first fluid and a second fluid, comprising a closed housing (3) with a heat exchanger unit (2) arranged within a volume completely enclosed by the housing (3), the heat exchanger unit (2) - Is formed from tubes (10, 11, 15, 16) arranged at a distance from one another, and - Has at least two cylindrical spirals (9, 14) each with a central axis and at least two tubes (10, 11, 15, 16) bent in the shape of a cylindrical spiral, which are fluidically connected to one another via connecting elements (19) and connecting lines (20) in such a way that the The first fluid flowing through the tubes (10, 11, 15, 16) is divided in a connecting element (19) into a partial mass flow through a first tube (10) and a partial mass flow through a second tube (11) of the first cylindrical spiral (9) and the tubes (10, 11) of the first cylindrical spiral (9) are acted upon by the partial mass flows in parallel, the partial mass flows after flowing out of the tubes (10, 11) being brought together in a connecting element (19) and through a connecting line (20 ) are passed to the tubes (15, 16) of the second cylindrical spiral (14) through which the first fluid flows in series. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des vom Gehäuse (3) umschlossenen Volumens Leitvorrichtungen angeordnet sind, wobei die Leitvorrichtungen in Verbindung mit dem Gehäuse (3) Strömungspfade für das zweite Fluid ausbildend derart angeordnet sind, das zweite Fluid zur Wärmeübertragung durch die Strömungspfade an Außenseiten der Rohre (10, 11, 15, 16) der Wärmeübertragereinheit (2) entlang zu leiten, wobei das zweite Fluid in zwei Teilmassenströmen aufgeteilt durch die um das erste Rohr (10) und das zweite Rohr (11) der ersten zylindrischen Spirale (9) ausgebildeten Volumina parallel zueinander strömt, anschließend zusammengeführt und zur zweiten zylindrischen Spirale (14) geleitet wird sowie die Strömungspfade der zweiten zylindrischen Spirale (14) seriell durchströmt werden.Device (1) according to Claim 1 , characterized in that guide devices are arranged within the volume enclosed by the housing (3), the guide devices being arranged in connection with the housing (3) forming flow paths for the second fluid in such a way that the second fluid for heat transfer through the flow paths is on the outside of the To guide pipes (10, 11, 15, 16) along the heat exchanger unit (2), the second fluid being divided into two partial mass flows through the one around the first pipe (10) and the second pipe (11) of the first cylindrical spiral (9) formed volumes flows parallel to each other, is then brought together and passed to the second cylindrical spiral (14) and the flow paths of the second cylindrical spiral (14) are flowed through in series. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zylindrischen Spiralen (9, 14) jeweils mindestens ein zylinderspiralförmig gebogenes inneres Rohr (11, 16) und ein zylinderspiralförmig gebogenes äußeres Rohr (10, 15) aufweisen, wobei jeweils das zylinderspiralförmig gebogene innere Rohr (11, 16) koaxial zur Mittelachse der zylindrischen Spirale (9, 14) innerhalb des vom zylinderspiralförmig gebogenen äußeren Rohr (10, 15) umschlossenen Volumens angeordnet ist.Device (1) according to Claim 1 or 2 , characterized in that the cylindrical spirals (9, 14) each have at least one inner tube (11, 16) bent in a spiral shape and an outer tube (10, 15) bent in a spiral shape, the inner tube (11, 16) bent in a spiral shape in each case is arranged coaxially to the central axis of the cylindrical spiral (9, 14) within the volume enclosed by the outer tube (10, 15), which is bent in a cylindrical spiral shape. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zylinderspiralförmig gebogenen inneren Rohr (11, 16) und dem in radialer Richtung zur Mittelachse benachbart angeordneten zylinderspiralförmig gebogenen äußeren Rohr (10, 15) ein Trennelement (12, 17) als Leitvorrichtung derart angeordnet ist, dass das vom Gehäuse (3) vollständig umschlossene Volumen in Strömungspfade unterteilt ist, wobei das Trennelement (12, 17) koaxial zur Mittelachse der zylindrischen Spirale (9, 14) angeordnet ist.Device (1) according to Claim 3 , characterized in that a separating element (12, 17) is arranged as a guide device between the inner tube (11, 16) bent in a cylindrical spiral shape and the outer tube (10, 15) arranged in the radial direction adjacent to the central axis, a separating element (12, 17) as a guide device in such a way that the from Housing (3) completely enclosed volume is divided into flow paths, the separating element (12, 17) being arranged coaxially to the central axis of the cylindrical spiral (9, 14). Vorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (12, 17) hohlzylinderförmig ausgebildet ist, sodass das innere Rohr (11, 16) innerhalb des vom Trennelement (12, 17) umschlossenen Volumens und das äußere Rohr (10, 15) zylinderspiralförmig um das Trennelement (12, 17) gebogen angeordnet sind.Device (1) according to Claim 4 , characterized in that the separating element (12, 17) is designed as a hollow cylinder, so that the inner tube (11, 16) within the volume enclosed by the separating element (12, 17) and the outer tube (10, 15) in a cylindrical spiral shape around the separating element ( 12, 17) are arranged in a curved manner. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des vom zylinderspiralförmig gebogenen inneren Rohr (11, 16) umschlossenen Volumens ein Verdrängungselement (13, 18) als Leitvorrichtung ausgebildet ist, wobei das Verdrängungselement (13, 18) koaxial zur Mittelachse der zylindrischen Spirale (9, 14) angeordnet ist.Device (1) according to one of the Claims 3 until 5 , characterized in that within the volume enclosed by the inner tube (11, 16) bent in a spiral shape, a displacement element (13, 18) as a guide device is formed, wherein the displacement element (13, 18) is arranged coaxially to the central axis of the cylindrical spiral (9, 14). Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdrängungselement (13, 18) zylinderförmig ausgebildet ist, sodass das innere Rohr (11, 16) zylinderspiralförmig um das Verdrängungselement (13, 18) gebogen angeordnet ist.Device (1) according to Claim 6 , characterized in that the displacement element (13, 18) is cylindrical, so that the inner tube (11, 16) is arranged bent in a cylindrical spiral shape around the displacement element (13, 18). Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (10, 11, 15, 16) auf der Außenseite berippt ausgebildet sind.Device (1) according to one of the Claims 1 until 7th , characterized in that the tubes (10, 11, 15, 16) are ribbed on the outside. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) aus einem ersten Gehäuseelement (3a) und einem zweiten Gehäuseelement (3b) mindestens zweiteilig ausgebildet ist.Device (1) according to one of the Claims 1 until 8th , characterized in that the housing (3) is constructed in at least two parts from a first housing element (3a) and a second housing element (3b). Verwendung der Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für den Kältemittelkreislauf eines Klimatisierungssystems.Use of the device (1) according to one of the Claims 1 until 9 for the refrigerant circuit of an air conditioning system.
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