DE102017100460A1

DE102017100460A1 - Vorrichtung zur Wärmeübertragung in einem Kältemittelkreislauf

Info

Publication number: DE102017100460A1
Application number: DE102017100460.2A
Authority: DE
Inventors: Petr Czyz; Petr Daniel; Radim Cech; Peter Heyl
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2017-01-11
Filing date: 2017-01-11
Publication date: 2018-07-12
Also published as: US20180195806A1; US10775106B2; KR20180082954A; KR102112292B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 1i) zur Wärmeübertragung, insbesondere in einem Kältemittelkreislauf. Die Vorrichtung (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 1i) weist mindestens einen ersten Strömungspfad (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i) und mindestens einen zweiten Strömungspfad (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g, 3h, 3i) auf, welche in einem Querschnitt senkrecht zu einer Längsrichtung (L) der Vorrichtung (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 1i) koaxial zueinander angeordnet sind und jeweils mindestens einen Strömungskanal (4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f, 4g, 4h, 4i, 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f, 5g, 5h, 5i) aufweisen. Eine Wandung des mindestens einen Strömungskanals (4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f, 4g, 4h, 4i, 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f, 5g, 5h, 5i) mindestens eines Strömungspfades (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g, 3h, 3i) ist aus einem Kunststoff ausgebildet. Die Strömungspfade (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g, 3h, 3i) sind jeweils aus einer Vielzahl von Strömungskanälen (4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f, 4g, 4h, 4i, 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f, 5g, 5h, 5i) ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung, insbesondere in einem Kältemittelkreislauf, mit mindestens einem ersten Strömungspfad und mindestens einem zweiten Strömungspfad, welche in einem Querschnitt senkrecht zu einer Längsrichtung der Vorrichtung koaxial zueinander angeordnet sind und jeweils mindestens einen Strömungskanal aufweisen. Die Vorrichtung ist aus einem Kunststoff ausgebildet.
An die technischen Komponenten moderner Kraftfahrzeuge werden aufgrund ihrer Vielzahl unter anderem ganz allgemein die Anforderungen gestellt, das Gewicht sowie das Volumen bei zumindest gleichbleibender oder größerer Effizienz zu minimieren, um einerseits den Kraftstoffverbrauch zu begrenzen und andererseits die gewünschte Funktionsvielfalt durch Unterbringung aller Komponenten im geringen Bauraum des Kraftfahrzeugs zu gewährleisten. Die Ausbildung und Anordnung der Komponenten müssen platzsparend und kostensparend kombiniert werden.
Aus dem Stand der Technik bekannte Kraftfahrzeuge weisen speziell zum Konditionieren der Luft des Fahrgastraumes eine Klimaanlage mit einem Kältemittelkreislauf auf. Der Kältemittelkreislauf wird zum einen zum Steigern der Effizienz beim Betrieb, welche mit Hilfe der Leistungszahl ausgedrückt wird, sowie zum Erhöhen der Kälteleistung kältemittelabhängig mit einem sogenannten inneren Wärmeübertrager ausgebildet. Es werden beispielsweise separate Koaxialrohrwärmeübertrager oder Plattenwärmeübertrager als innere Wärmeübertrager sowie kombinierte Komponenten, bestehend aus einem Akkumulator oder einem Verdampfer jeweils mit einem inneren Wärmeübertrager, eingesetzt.
Unter dem inneren Wärmeübertrager ist dabei ein kältemittelkreislaufinterner Wärmeübertrager zu verstehen, welcher der Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel bei Hochdruck und dem Kältemittel bei Niederdruck dient. Dabei wird einerseits das flüssige Kältemittel nach der Kondensation beziehungsweise Verflüssigung weiter abgekühlt und andererseits das Sauggas vor dem Eintritt in einen Verdichter überhitzt. Die Wärme wird vom Kältemittel bei Hochdruck an das Kältemittel bei Niederdruck übertragen.
Herkömmliche Koaxialrohrwärmeübertrager sind vorrangig aus Aluminium ausgebildet und werden im Gegenstromprinzip betrieben, was einen guten Wärmedurchgang und eine effiziente Wärmeübertragung mit möglichst geringen Temperaturdifferenzen gewährleistet.
Um insbesondere das Gewicht sowie die Kosten der Herstellung der Komponenten eines Kältemittelkreislaufs zu reduzieren, wird derzeit die Verwendung von Kunststoff als Material angestrebt. In einigen Kraftfahrzeugen wird beispielsweise die Hochdruckleitung des Kältemittelkreislaufs bereits aus Kunststoff ausgebildet. Die stoffspezifischen Eigenschaften des Kunststoffes und des Kältemittels bei Hochdruck lassen ein annähernd gleiches Design der Hochdruckleitung aus Kunststoff, insbesondere der Verbindung eines „peanut-fittings“ als Verbindungstechnologie mit dem Rohr, zu.
Bei einer Ausführungsform eines ähnlichen Designs des Koaxialrohrwärmeübertragers aus einem Kunststoff im Vergleich zur Ausführungsform aus Aluminium würden sowohl das Gewicht als auch die Kosten der Herstellung deutlich ansteigen. Die Wanddicken herkömmlicher Koaxialrohrwärmeübertrager aus Aluminium sind gering. Das mit Kältemittel auf Niederdruckniveau beaufschlagte Rohr ist mit einem großen Durchmesser ausgebildet. Beim Übertragen des Durchmessers auf ein aus einem Kunststoff, insbesondere Plastik, ausgebildeten Rohr, steigen die Wandstärke und damit auch das Gewicht deutlich an.
In der KR 2004 0027744 A wird ein aus einem Außenrohr und einem koaxial zum Außenrohr angeordneten Innenrohr ausgebildetes Kunststoff-Doppelrohr offenbart. Das Kunststoff-Doppelrohr weist Rippen auf, welche senkrecht zum Außenumfang des Innenrohres und zum Innenumfang des Außenrohrs ausgerichtet, sich zwischen der Innenseite des Außenrohres sowie der Außenseite den Innenrohres erstreckend und gleichmäßig beabstandet am Umfang angeordnet sind. Das Innenrohr weist mit dem Innenradius einen kreisrunden zusammenhängenden ersten Strömungsquerschnitt auf, während der zweite Strömungsquerschnitt zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr durch die Rippen in gleichgroße Abschnitte unterteilt ist.
Auch aus der JP 3059203 U geht ein aus einem Außenrohr und einem koaxial zum Außenrohr angeordneten Innenrohr ausgebildetes Doppelrohr hervor. Das Außenrohr ist aus einem druckbeständigem Material und das Innenrohr ist aus einem Kunststoff ausgebildet. Das Innenrohr weist einen zusammenhängenden ersten Strömungsquerschnitt auf, während der zweite Strömungsquerschnitt zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr durch sowohl in Richtung der Längsachse als auch über den Umfang beabstandet angeordnete Zentrierelemente unterteilt ist.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung zur Wärmeübertragung, insbesondere in einem Kältemittelkreislauf zur inneren Wärmeübertragung. Die Kosten für die Herstellung und das Gewicht der Vorrichtung sollen, speziell im Vergleich zu Vorrichtungen aus Aluminium, minimal sein. Auch der Bauraum der Vorrichtung soll minimal sein. Die Vorrichtung soll mit maximaler Effizienz betreibbar sein, wobei die Effizienz des Vorgangs der Wärmeübertagung im Bereich der Effizienz der Vorrichtungen aus Aluminium liegen soll.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmeübertragung, insbesondere in einem Kältemittelkreislauf, beispielsweise eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs, gelöst. Die Vorrichtung ist mit mindestens einem ersten Strömungspfad und mindestens einem zweiten Strömungspfad ausgebildet, welche in einem Querschnitt senkrecht zu einer Längsrichtung der Vorrichtung koaxial zueinander angeordnet sind und jeweils mindestens einen Strömungskanal aufweisen. Eine Wandung des mindestens einen Strömungskanals mindestens eines Strömungspfades ist dabei aus einem Kunststoff ausgebildet.
Nach der Konzeption der Erfindung sind die Strömungspfade jeweils aus einer Vielzahl von Strömungskanälen ausgebildet. Unter einer Vielzahl ist dabei eine Anzahl von mindestens zwei zu verstehen.
Die Vorrichtung weist vorteilhaft eine zylindrische, insbesondere eine kreiszylindrische Form mit einem in Längsrichtung kreisrunden Querschnitt auf. Der Querschnitt kann dabei ebenso in anderen Formen ausgebildet sein, beispielsweise als ein Trapez, ein Dreieck, ein Oval, eine Ellipse, ein Viereck oder ähnliches. Zudem sind Querschnitte aus Kombinationen verschiedener Formen möglich.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist mindestens ein Strömungspfad aus einer Vielzahl von Strömungskanälen mit jeweils einem kreisrunden Strömungsquerschnitt ausgebildet. Die Strömungsquerschnitte können unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Eine Wandung eines Strömungspfades, insbesondere des mindestens einen Strömungskanals mindestens eines zweiten Strömungspfades, ist vorteilhaft aus einem Metall, insbesondere aus Aluminium, ausgebildet. Alternativ besteht die gesamte Vorrichtung aus einem Kunststoff. Zu den Kunststoffen zählen beispielsweise Polyamide, welche sowohl aliphatische, aromatische als auch langkettige aromatische Polymere im Allgemeinen und Polypropylen einschließen.
Zudem können Wandungen der Strömungspfade zur Verbesserung der Wärmeübertragungseigenschaften auch aus einer Kombination aus Kunststoff und Metall oder Metalllegierung ausgebildet sein. Dabei besteht die Möglichkeit, zur Verbesserung der Wärmeübertragungseigenschaften einen ersten Teil der Wandungen aus einer Kombination aus Kunststoff und Metall oder Metalllegierung sowie einen zweiten Teil der Wandungen aus Metall, insbesondere Aluminium, auszubilden.
Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung ist jeder Strömungskanal mit einer separaten Wandung ausgebildet. Dabei liegen die Wandungen benachbart angeordneter Strömungskanäle aneinander an.
Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung ist jeder Strömungskanal von einer Wandung begrenzt ausgebildet, wobei jeweils benachbart angeordnete Strömungskanäle durch eine gemeinsame Wandung voneinander getrennt sind.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist ein erster im Bereich einer Symmetrieachse der Vorrichtung angeordneter Strömungspfad im Querschnitt eine kreisrunde Form auf. Die Strömungskanäle eines zweiten Strömungspfades sind koaxial um den ersten Strömungspfad angeordnet und weisen in der Gesamtheit eine Kreisringform auf. Bei der Ausbildung einer Vielzahl Strömungskanäle des ersten Strömungspfades im Bereich der Symmetrieachse der Vorrichtung weisen diese Strömungskanäle in der Gesamtheit eine kreisrunde Form auf.
Ausgehend von der Symmetrieachse sind nach außen bevorzugt Strömungskanäle eines ersten Strömungspfades koaxial um Strömungskanäle eines zweiten Strömungspfades angeordnet, welche in der Gesamtheit eine Kreisringform aufweisen. Damit ist mindestens ein zweiter Strömungspfad von zwei ersten Strömungspfaden begrenzt angeordnet. Zudem können Strömungskanäle eines weiteren zweiten Strömungspfades koaxial um Strömungskanäle eines ersten Strömungspfades angeordnet sein, welche in der Gesamtheit wiederum eine Kreisringform aufweisen.
Die Strömungskanäle sind dabei vorteilhaft einreihig oder mehrreihig angeordnet. Unter mehrreihig ist dabei eine Anzahl von mindestens zwei Reihen zu verstehen.
Die Strömungskanäle sind in der Längsrichtung bevorzugt parallel zueinander ausgerichtet angeordnet.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass mindestens ein Strömungspfad im Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung kreisringförmig ausgebildet ist, wobei der Strömungspfad durch in Richtung eines Radius ausgerichtet angeordnete Stege in teilkreisringförmige Strömungskanäle unterteilt ist. In den Stegen können Strömungskanäle ausgebildet sein, welche bevorzugt kreisrunde Strömungsquerschnitte aufweisen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind an den Stirnseiten der Vorrichtung jeweils ein Anschlusselement für den ersten Strömungspfad und ein Anschlusselement für den zweiten Strömungspfad oder ein Kombinationsanschlusselement für die Strömungspfade angeordnet, in welchen die Strömungskanäle der ersten Strömungspfade in Längsrichtung fortführend ausgebildete Anschluss-Strömungskanäle angeordnet sind und mindestens ein Ringkanal als Anschluss-Strömungskanal der zweiten Strömungspfade ausgebildet ist. Der mindestens eine Ringkanal verbindet die Volumen der zweiten Strömungskanäle miteinander.
Der Ringkanal weist zudem vorteilhaft eine Austrittsöffnung auf, in welche eine Verbindungsleitung einmündet. Die Verbindungsleitung ist bevorzugt in einem Winkel senkrecht zur Längsrichtung angeordnet.
Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, insbesondere im Hinblick auf den Bauraum und das Gewicht, ermöglicht die Verwendung der Vorrichtung als einen inneren Wärmeübertrager in einem Kältemittelkreislauf, insbesondere einer Klimaanlage zum Konditionieren der Luft eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges. Im inneren Wärmeübertrager wird zwischen dem Kältemittel auf Hochdruckniveau und dem Kältemittel auf Niederdruckniveau Wärme übertragen. Bei einer möglichen Kombination aus den Materialien Kunststoff und Metall, insbesondere Aluminium, wird je nach Ausgestaltung der Vorrichtung das Kältemittel auf Hochdruckniveau durch die Komponenten aus Aluminium und das Kältemittel auf Niederdruckniveau durch die Komponenten aus Kunststoff oder das Kältemittel auf Hochdruckniveau durch die Komponenten aus Kunststoff und das Kältemittel auf Niederdruckniveau durch die Komponenten aus Aluminium geleitet. Der Einsatz von Aluminium dient auch der Verbesserung der Wärmeleitung. Der Einsatz von Kunststoff auf der Außenseite der Vorrichtung, das heißt der mit der Umwelt in Kontakt stehenden Seite, verringert den Wärmeverlust oder den Wärmeintrag und damit die Wärmeübertagung mit der Umgebung. Dabei wird bevorzugt das Kältemittel auf Hochdruckniveau mit höherer Temperatur als das Kältemittel auf Niederdruckniveau im äußeren Bereich der Vorrichtung hindurchgeleitet, da das Kältemittel auf Hochdruckniveau zumeist auch wärmer als die Umgebung ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmeübertragung in einem Kraftfahrzeug weist zusammenfassend weitere diverse Vorteile auf:

- Nutzung der materialspezifischen Eigenschaften des Kunststoffes um effiziente, gewichtsreduzierte und preisgünstige Komponenten zur Verfügung zu stellen, wobei das minimale Gewicht zudem zu einem geringeren Verbrauch des Kraftfahrzeugs führt,
- Ersatz beziehungsweise Austausch einer herkömmlichen Vorrichtung mit zumindest annähernd gleichen oder gleichen äußeren Abmessungen, wie der Länge und dem Außendurchmesser, wobei der Bauraum minimal ist,
- das Material der Vorrichtung ist recycelbar,
- geringe Kosten unter Betrachtung des gesamten Lebenszyklus mit Rohstoffgewinnung, Herstellung, Wartung, Demontage und Recycling sowie
- maximale Effizienz der Vorrichtung beim Betrieb, wobei die Effizienz des Vorgangs der Wärmeübertagung im Bereich der Effizienz der Vorrichtungen aus Aluminium liegt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen jeweils eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung mit koaxial zueinander angeordneten ersten und zweiten Strömungspfaden:

1a bis 1e: in einem Querschnitt beziehungsweise in perspektivischer Ansicht mit aus kreisrunden Strömungskanälen ausgebildeten Strömungspfaden, wobei die Strömungskanäle des ersten Strömungspfades einen kreisrunden Strömungspfad ausbilden und die Strömungskanäle des zweiten Strömungspfades als ein Kreisring um den ersten Strömungspfad angeordnet sind,
2: in einem Querschnitt beziehungsweise in perspektivischer Ansicht mit aus kreisrunden Strömungskanälen ausgebildeten Strömungspfaden, welche von innen nach außen benachbart als Kreisringe angeordnet sind,
3a, 3b: in einem Querschnitt mit aus kreisrunden Strömungskanälen ausgebildeten Strömungspfaden, welche von innen nach außen jeweils benachbart und abwechselnd zueinander als Kreisringe angeordnet sind,
3c: aus 3a in einem Querschnitt mit aus kreisrunden sowie an Zwischenräume angepassten Strömungskanälen ausgebildeten Strömungspfaden,
4: in einem Querschnitt mit aus einem kreisrunden Strömungskanal und viereckigen Strömungskanälen ausgebildeten Strömungspfaden, welche von innen nach außen benachbart als Kreisringe angeordnet sind,
5: in einer perspektivischen Ansicht in einem Querschnitt mit aus einem kreisrunden Strömungskanal und langgestreckt sowie gebogenen Strömungskanälen ausgebildeten Strömungspfaden, welche von innen nach außen benachbart als Kreisringe angeordnet sind,
6a bis 6e: in einer Anordnung mit jeweils einem Anschlusselement für den ersten und den zweiten Strömungspfad oder einem Kombinationsanschlusselement.

In den 1a bis 1g ist jeweils eine Vorrichtung 1a zur Wärmeübertragung mit koaxial zueinander angeordneten ersten und zweiten Strömungspfaden 2a, 3a im Querschnitt längs zur Strömungsrichtung, welche der Längsrichtung L entspricht, beziehungsweise in perspektivischer Ansicht gezeigt. Die Vorrichtung 1a ist im Wesentlichen kreiszylindrisch ausgebildet und erstreckt sich in einer Längsrichtung L.
Die Strömungspfade 2a, 3a sind jeweils aus im Querschnitt kreisrunden Strömungskanälen 4a, 5a ausgebildet. Dabei bilden die Strömungskanäle 4a des ersten Strömungspfades 2a einen kreisrunden Strömungspfad aus und die Strömungskanäle 5a des zweiten Strömungspfades 3a sind in der Form eines Kreisrings um den ersten Strömungspfad 2a angeordnet. Die Strömungskanäle 4a des ersten Strömungspfades 2a sind ebenso identisch wie die Strömungskanäle 5a des zweiten Strömungspfades 3a, wobei sich die Strömungskanäle 4a des ersten Strömungspfades 2a von den Strömungskanälen 5a des zweiten Strömungspfades 3a unterscheiden können. Die Unterschiede beziehen sich insbesondere auf die freien Strömungsquerschnitte sowie die Wandstärken und damit auf die inneren und äußeren Radien beziehungsweise Durchmesser.
Die freien Querschnitte der Strömungspfade 2a, 3a können als Durchströmungsflächen etwa den aus dem Stand der Technik bekannten Durchströmungsflächen der Koaxialrohre aus Aluminium entsprechen.
Die Strömungskanäle 4a, 5a erstrecken sich geradlinig und parallel zueinander ausgerichtet entlang der Längsrichtung L. Nach einer nicht dargestellten Ausführungsform sind die Strömungskanäle 4a, 5a in der Längsrichtung L um eine Mittelachse der Vorrichtung verdreht beziehungsweise verdrillt angeordnet.
Aus den 1a, 1d und 1e wird deutlich, dass die jeweils in einem gleichen Abstand von der Mittelachse der Vorrichtung 1a und damit von dem im Zentrum angeordneten Strömungskanal 4a des ersten Strömungspfades 2a beabstandeten Strömungskanäle 4a nach einer ersten Ausführungsform kreisförmig um die Mittelachse ausgerichtet sind. Die Anzahl der Strömungskanäle 4a pro Kreis nimmt mit größer werdendem Abstand von der Mittelachse zu.
Nach einer zweiten nicht dargestellten Ausführungsform bleibt die Anzahl der Strömungskanäle 4a pro Kreis mit größer werdendem Abstand von der Mittelachse konstant, wobei die äußeren Radien der Strömungskanäle 4a mit größer werdendem Abstand von der Mittelachse zunehmen.
Bei der in den 1b und 1c dargestellten Vorrichtung 1a sind die Strömungskanäle 4a des ersten Strömungspfades 2a nach einer zweiten Ausführungsform jeweils in einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung L in Reihen zueinander ausgerichtet angeordnet. Die Strömungskanäle 4a benachbart angeordneter Reihen sind jeweils um den äußeren Radius des Strömungskanals 4a versetzt zueinander ausgerichtet. Die Anzahl der Strömungskanäle 4a pro Reihe nimmt mit größer werdendem Abstand von der durch die Mittelachse angeordneten Reihe ab.
Die Strömungskanäle 5a des zweiten Strömungspfades 3a können, wie die Strömungskanäle 4a des ersten Strömungspfades 2a, jeweils in der ersten oder der zweiten Ausführungsform angeordnet sein, wobei die Strömungskanäle 5a des zweiten Strömungspfades 3a auch in der ersten Ausführungsform und die Strömungskanäle 4a des ersten Strömungspfades 2a in der zweiten Ausführungsform oder umgekehrt angeordnet sein können. Die unterschiedlichen Ausführungsformen beziehen sich dabei auf die Ausbildung der Durchmesser der Strömungskanäle abhängig vom Abstand von der Mittelachse.
Aus 2 geht eine Vorrichtung 1b zur Wärmeübertragung mit koaxial zueinander angeordneten ersten und zweiten Strömungspfaden 2b, 3b im Querschnitt längs zur Strömungsrichtung beziehungsweise in perspektivischer Ansicht hervor.
Im Unterschied zur Vorrichtung 1a aus den 1a, 1d und 1e bilden die Strömungskanäle 4b der ersten Strömungspfade 2b und die Strömungskanäle 5b der zweiten Strömungspfade 3b jeweils kreisringförmige Strömungspfade 2b, 4b aus, welche von innen nach außen benachbart als Kreisringe angeordnet sind. Lediglich der im Zentrum angeordnete kreisrunde Strömungskanal 4b bildet als einzelne Komponente einen ersten Strömungspfad 2b aus.
In der Richtung des Radius der Vorrichtung 1b sind die ersten Strömungspfade 2b jeweils als Kreisringe mit einer Breite eines Strömungskanals 4b, das heißt aus einem Strömungskanal 4b, ausgebildet, während die zweiten Strömungspfade 3b mit einer Breite von zwei Strömungskanälen 5b, das heißt aus zwei Strömungskanälen 5b ausgebildet sind. Damit wird jeder erste Strömungspfad 2b jeweils von zwei Strömungskanälen 5b des zweiten Strömungspfades 3b umschlossen. Die in der Richtung des Radius der Vorrichtung 1b benachbart angeordneten Strömungskanäle 5b der zweiten Strömungspfade 3b sind sich kontaktierend angeordnet.
Die Strömungspfade sind vom Zentrum nach außen in der Reihenfolge erster Strömungspfad 2b, zweiter Strömungspfad 3b, erster Strömungspfad 2b, zweiter Strömungspfad 3b, erster Strömungspfad 2b sowie zweiter Strömungspfad 3b angeordnet.
Die Gesamt-Durchströmungsfläche der ersten Strömungspfade 2b liegt im Bereich von 180 mm² bis 450 mm², insbesondere im Bereich von etwa 200 mm² bis 420 mm², speziell im Bereich von 300 mm² bis 420 mm², während die Gesamt-Durchströmungsfläche der zweiten Strömungspfade 3b im Bereich von 40 mm² bis 100 mm², insbesondere bei etwa 50 mm² oder 70 mm², speziell im Bereich von 45 mm² bis 63 mm², liegt.
Bei einer Verwendung der Vorrichtung 1b als innerer Wärmeübertrager eines Kältemittelkreislaufs werden die ersten Strömungspfade 2b mit Kältemittel auf Niederdruckniveau und die zweiten Strömungspfade 3b mit Kältemittel auf Hochdruckniveau durchströmt. Dabei ist auf Grund der stoffspezifischen Eigenschaften des Kältemittels auf der Hochdruckseite die erforderliche Gesamt-Durchströmungsfläche auf der Hochdruckseite deutlich geringer als die erforderliche Gesamt-Durchströmungsfläche auf der Niederdruckseite.
Ein Strömungskanal 4b des ersten Strömungspfades 2b weist einen Innendurchmesser im Bereich von 0,8 mm bis 1,5 mm, bevorzugt von 1,2 mm, und eine Wandstärke im Bereich von 0,1 mm bis 0,3 mm, bevorzugt von 0,2 mm, auf. Ein Strömungskanal 5b des zweiten Strömungspfades 3b ist ebenfalls mit einem Innendurchmesser im Bereich von 0,8 mm bis 1,5 mm, bevorzugt von 1,2 mm, sowie einer Wandstärke im Bereich von 0,2 mm bis 0,6 mm, bevorzugt von etwa 0,4 mm, speziell von 0,37 mm, ausgebildet.
Die Vorrichtung 1b weist einen Außendurchmesser im Bereich von 20 mm bis 30 mm, bevorzugt im Bereich von 22 mm bis 27 mm, speziell im Bereich von 24 mm bis 26 mm, auf und ist in der Größe, insbesondere im Gesamtdurchmesser, skalierbar. Dabei können speziell die Anordnung beziehungsweise die Anzahl der Strömungspfade 2b, 3b und der die Strömungspfade 2b, 3b ausgebildeten Strömungskanäle 4b, 5b variiert werden.
In 3a ist eine Vorrichtung 1c' zur Wärmeübertragung mit koaxial zueinander angeordneten ersten und zweiten Strömungspfaden 2c, 3c im Querschnitt längs zur Strömungsrichtung beziehungsweise in perspektivischer Ansicht dargestellt. Im Unterschied zur Vorrichtung 1b aus 2 bilden die Strömungskanäle 4c' der ersten Strömungspfade 2c und die Strömungskanäle 5c der zweiten Strömungspfade 3c jeweils kreisringförmige Strömungspfade 2c, 4c' aus, welche von innen nach außen jeweils benachbart und abwechselnd zueinander als Kreisringe angeordnet sind.
Der wesentliche Unterschied zur Vorrichtung 1b aus 2 liegt somit darin, dass in der Richtung des Radius der Vorrichtung 1c' sowohl die ersten Strömungspfade 2c als auch die zweiten Strömungspfade 3c jeweils als Kreisringe mit einer Breite eines Strömungskanals 4c', 5c, das heißt aus einem Strömungskanal 4c', 5c, ausgebildet sind. Damit wird jeder erste Strömungspfad 2c jeweils von einem zweiten Strömungspfad 3c umschlossen. Zudem kann auch der am äußeren Radius angeordnete erste Strömungspfad 2c von einem zweiten Strömungspfad 3c umschlossen sein, was in 3a nicht dargestellt ist.
Die Strömungskanäle 5c der zweiten Strömungspfade 3c stehen dabei sowohl auf der Außenseite als auch auf der Innenseite in direktem thermischen Kontakt mit einem Strömungskanal 4c' der ersten Strömungspfade 2c. Die in der Richtung des Radius der Vorrichtung 1c' benachbart angeordneten Strömungskanäle 4c', 5c einer Art eines Strömungspfades 2b, 3b sind sich nicht kontaktierend angeordnet. Die Begriffe Außenseite und Innenseite beziehen sich dabei stets auf die Außenwandung der Strömungskanäle 4c', 5c abhängig vom Radius der Vorrichtung 1c'.
Aus 3b geht eine Detailansicht der Vorrichtung 1c' aus 3a hervor. Durch die Ausbildung konstanter Wandstärken und konstanter Anzahlen der Strömungskanäle 4c', 5c kommt es entweder zu Überschneidungen der Wandungen der Strömungskanäle 4c', 5c oder zu ungewünschten sowie ungenutzten Zwischenräumen zwischen benachbart angeordneten Strömungskanälen 4c', 5c. Die Zwischenräume werden nicht mit einem Fluid zur Wärmeübertragung beaufschlagt und würden als mögliche Isolierung den Wärmedurchgang beeinflussen und verschlechtern. Die Wandstärken sind aufgrund von vorgegebenen Druckbelastungen vorgegeben.
Unter Beibehaltung der im Querschnitt kreisrunden Strömungskanäle 5c der zweiten Strömungspfade 3c sind die Strömungskanäle 4c' der ersten Strömungspfade 2c anzupassen.
3c zeigt eine Detailansicht einer Vorrichtung 1c mit einem Querschnitt mit kreisrunden Strömungskanälen 5c der zweiten Strömungspfade 3c sowie beispielhaft einen an die Zwischenräume zwischen den zweiten Strömungspfaden 3c angepassten Strömungskanal 4c eines ersten Strömungspfades 2c. Dabei ist die Wandung des Strömungskanals 4c an den Kontaktflächen mit den Strömungskanälen 5c derart an die Wandung der Strömungskanäle 5c angepasst und konkav ausgebildet, dass die Wandungen der benachbart angeordneten Strömungskanäle 4c, 5c vollflächig aneinander anliegen. Die Radien der Außenseiten der Wandungen der Strömungskanäle 4c, 5c sind identisch.
Die Wandungen der Strömungskanäle 4c sind an den Kontaktflächen untereinander, das heißt in Umfangsrichtung, ebenflächig ausgebildet und liegen ebenfalls vollflächig aneinander an. Die ebenen Wandungen sind jeweils bevorzugt in Richtung des Radius der Vorrichtung 1c ausgerichtet.
Bei der Verwendung der Vorrichtung 1c als innerer Wärmeübertrager eines Kältemittelkreislaufs werden die im Querschnitt angepassten Strömungskanäle 4c der ersten Strömungspfade 2c mit Kältemittel auf Niederdruckniveau und die kreisrunden Strömungskanäle 5c der zweiten Strömungspfade 3c mit Kältemittel auf Hochdruckniveau durchströmt.
Dabei ist zudem die Anordnung der Strömungskanäle 4c, 5c der Vorrichtung 1c gemäß 3c als jeweils in direktem thermischem Kontakt stehende Kältemittelströmungskanäle mit dem Kältemittel auf Hochdruckniveau und dem Kältemittel auf Niederdruckniveau der Anordnung der Strömungskanäle 4b, 5b der Vorrichtung 1b gemäß 2 in einer Doppelreihe der zweiten Strömungskanäle 5b für den Hochdruckstrom vorzuziehen.
Die Vorrichtungen 1a, 1b, 1c gemäß der 1a bis 1g und der 2 sowie 3a bis 3c können dabei derart ausgebildet sein, dass sowohl die ersten Strömungspfade 2a, 2b, 2c als auch die zweiten Strömungspfade 3a, 3b, 3c aus jeweils einem zusammenhängenden Element ausgebildet sind, welche bei der Montage der Vorrichtung 1a, 1b, 1c als unabhängige Elemente miteinander verbunden, insbesondere ineinander gesteckt werden.
In 4 wird eine Vorrichtung 1d zur Wärmeübertragung mit koaxial zueinander angeordneten ersten und zweiten Strömungspfaden 2d, 3d in einem Querschnitt mit aus einem kreisrunden, zentral angeordneten Strömungskanal 4d und viereckigen Strömungskanälen 4d, 5d ausgebildeten Strömungspfaden 2d, 3d, welche von innen nach außen benachbart als Kreisringe angeordnet sind, gezeigt. Lediglich der im Zentrum der Vorrichtung 1d angeordnete Strömungskanal 2d weist einen kreisrunden Strömungsquerschnitt auf.
Die Vorrichtung 1d ist aus mehreren koaxial zueinander angeordneten kreiszylindrischen Rohren ausgebildet, wobei die Strömungspfade 2d, 3d von innen nach außen jeweils abwechselnd benachbart zueinander angeordnet sind. Zwischen den benachbart angeordneten Rohren sind jeweils gleichmäßig über den Umfang verteilt Rippen beziehungsweise Stege ausgebildet. Die in der Richtung des Radius der Vorrichtung 1d angeordneten Rippen oder Stege unterteilen die Strömungspfade 2d, 3d jeweils in die Strömungskanäle 4d, 5d, welche in der Umfangsrichtung von einer Rohrwandung und in der Richtung des Radius jeweils von einer Rippe begrenzt sind.
Im Vergleich zu den Vorrichtungen 1a, 1b, 1c gemäß den 1 bis 3, bei welchen jeder Strömungskanal 4a, 4b, 4c, 5a, 5b, 5c durch eine eigene Wandung begrenzt ausgebildet ist und die Wandungen benachbart angeordneter Strömungskanäle 4a, 4b, 4c, 5a, 5b, 5c aneinander anliegend angeordnet sind, weisen die Strömungskanäle 4d, 5d der Vorrichtung 1d aus 4 Wandungen auf, welche die Strömungskanäle 4d, 5d beiderseits begrenzen. Damit trennt eine Wandung Strömungskanäle 4d, 5d entweder eines ersten Strömungspfades 2d oder eines zweiten Strömungspfades 3d oder trennt die Strömungskanäle 4d, 5d unterschiedlicher Strömungspfade 2d, 3d voneinander.
5 zeigt eine Vorrichtung 1e zur Wärmeübertragung mit koaxial zueinander angeordneten ersten und zweiten Strömungspfaden 2e, 3e in einer perspektivischen Ansicht in einem Querschnitt mit aus einem kreisrunden Strömungskanal 4e und teilkreisringförmigen Strömungskanälen 4e, 5e ausgebildeten Strömungspfaden 2e, 3e, welche von innen nach außen benachbart als Kreisringe angeordnet sind. Ausschließlich der im Zentrum der Vorrichtung 1e angeordnete Strömungskanal 4d weist einen kreisrunden Strömungsquerschnitt auf.
Der wesentliche Unterschied zur Vorrichtung 1d aus 4 liegt in der Ausgestaltung der Querschnitte der teilkreisringförmigen Strömungskanäle 4e, 5e, welche um die Mittelachse der kreiszylindrischen Vorrichtung 1d gebogen und langgestreckt ausgebildet sind. Dabei sind die zwischen den mehreren koaxial zueinander benachbart angeordneten kreiszylindrischen Rohren ausgebildeten vier Rippen jeweils gleichmäßig über den Umfang verteilt, sodass jeder Strömungskanal 4e, 5e, außer der im Zentrum angeordnete Strömungskanal 4e, einen Viertelkreisring beschreibt.
Auch die Ausgestaltungsformen der Vorrichtungen 1d, 1e gemäß der 4 und 5 sind skalierbar, wobei insbesondere die Anordnung beziehungsweise die Anzahl der Strömungspfade 2d, 2e, 3d, 3e variiert werden.
Um die Fluidmassenströme, zwischen denen die Wärme zu übertragen ist, beispielsweise bei der Verwendung der Vorrichtung 1a, 1b, 1c, 1d, 1e als inneren Wärmeübertrager eines Kältemittelkreislaufs die Kältemittelmassenströme auf Hockdruckniveau und auf Niederdruckniveau, auf die einzelnen Strömungskanäle 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 5a, 5b, 5c, 5d, 5e aufzuteilen und nach dem Durchströmen der Vorrichtung 1a, 1b, 1c, 1d, 1e wieder zusammenzuführen, sind Anschluss-Komponenten vorzusehen.
Die 6a bis 6e zeigen jeweils eine Anordnung von Vorrichtungen 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 1i zur Wärmeübertragung mit koaxial zueinander angeordneten ersten und zweiten Strömungspfaden 2f, 2g, 2h, 2i, 3f, 3g, 3h, 3i und jeweils entweder einem Anschlusselement 6, 6f für den ersten Strömungspfad 2f und einem Anschlusselement 7, 7f für den zweiten Strömungspfad 3f oder einem Kombinationsanschlusselement 11g, 11h, 11i. Die Anschlusselemente 6, 6f, 7, 7f beziehungsweise die Kombinationsanschlusselemente 11g, 11h, 11i sind jeweils untereinander und mit der Vorrichtung 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 1i beispielsweise mittels Kleben, Verformen, Reibschweißen oder Schweißen zusammengefügt. Die Anschlusselemente 6, 6f, 7, 7f oder die Kombinationsanschlusselemente 11g, 11h, 11i weisen vorteilhaft „peanut-fittings“ als Verbindungselemente zu Verbindungsleitungen auf.
Wie aus den 6a und 6b hervorgeht, sind an den Stirnseiten in axialer und damit in Längsrichtung der Vorrichtung 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f jeweils ein Anschlusselement 6, 6f für den ersten Strömungspfad 2f angeordnet. Zwischen der jeweiligen Stirnseite der Vorrichtung 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f und dem Anschlusselement 6, 6f für den ersten Strömungspfad 2f ist zudem ein Anschlusselement 7, 7f für den zweiten Strömungspfad 3f vorzusehen.
Je nach Strömungsrichtung wird der in die ersten Strömungspfade 2f einströmende erste Fluidmassenstrom durch das Anschlusselement 6, 6f zum Anschlusselement 7, 7f geleitet und im Anschlusselement 7, 7f auf die Strömungskanäle 4f der ersten Strömungspfade 2f aufgeteilt oder der aus den Strömungskanälen 4f der ersten Strömungspfade 2f ausströmende erste Fluidmassenstrom wird durch das Anschlusselement 7, 7f zum Anschlusselement 6, 6f durchgeleitet und wird im Anschlusselement 6, 6f vermischt. Das Anschlusselement 6, 6f ist mit einer nicht dargestellten Verbindungsleitung zum Leiten des ersten Fluidmassenstroms verbunden.
Je nach Strömungsrichtung wird der in die zweiten Strömungspfade 3f einströmende zweite Fluidmassenstrom im Anschlusselement 7, 7f auf die Strömungskanäle 5f der zweiten Strömungspfade 3f aufgeteilt oder der aus den Strömungskanälen 5f der zweiten Strömungspfade 3f ausströmende zweite Fluidmassenstrom wird durch das Anschlusselement 7, 7f durchgeleitet und in einer Verbindungsleitung 8 zum Leiten des zweiten Fluidmassenstroms vermischt. Die Verbindungsleitung 8 ist mit dem Anschlusselement 7, 7f verbunden.
Aus 6b geht eine Vorrichtung 1f zur Wärmeübertragung mit koaxial zueinander angeordneten ersten und zweiten Strömungspfaden 2f, 3f in einer perspektivischen Ansicht in einem Querschnitt mit aus wabenförmigen, insbesondere sechseckig und speziell als Hexagon ausgebildeten, Strömungskanälen 4f des ersten Strömungspfades 2f und kreisrund ausgebildeten Strömungskanälen 5f des zweiten Strömungspfades 3f hervor.
Die wesentlichen Unterschiede zur Vorrichtung 1e aus 5 liegen in der Ausgestaltung der Formen der Querschnitte sowie der Anordnung der Strömungskanäle 4f, 5f, wobei die Strömungskanäle 4f als sieben Waben mit sechs gleichmäßig um eine im Zentrum angeordnete einzelne Wabe ausgerichtet sind. Dabei sind die zwischen den Waben ausgebildeten zwölf Rippen jeweils gleichmäßig über den Umfang verteilt, die Waben weisen in der Form und Ausdehnung identische Strömungsquerschnitte auf. In den Zwischenräumen zwischen jeweils zwei der sechs äußeren Waben und dem Außendurchmesser der Vorrichtung 1f sind die Strömungskanäle 5f mit den kreisrunden Strömungsquerschnitten ausgebildet, welche ebenfalls jeweils gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet sind.
Das Anschlusselement 7f weist im Kern im Querschnitt wabenförmige Anschluss-Strömungskanäle 9f auf, welche die Strömungskanäle 4f der ersten Strömungspfade 2f in Längsrichtung L fortführend ausgebildet und angeordnet sind. Die aneinander anliegenden Stirnseiten der Vorrichtung 1f und des Anschlusselements 7f sind in Größe und Anordnung der wabenförmigen Strömungskanäle 4f und der Anschluss-Strömungskanäle 9f identisch, sodass die Strömungskanäle 4f durch das Anschlusselement 7f hindurch bis zum Anschlusselement 6f verlängert werden. Auf dem Weg durch das Anschlusselement 7f, beginnend von der zur Vorrichtung 1f ausgerichteten Stirnseite sind sich die Anschluss-Strömungskanäle 9f verjüngend ausgebildet. Im Anschlusselement 6f wird das erste Fluid je nach Strömungsrichtung aufgeteilt oder vermischt.
Um die im Kern angeordneten Anschluss-Strömungskanäle 9f herum ist ein Ringkanal als Anschluss-Strömungskanal 10f der zweiten Strömungspfade 3f ausgebildet, welcher in Richtung der Stirnseite des Anschlusselements 7f offen ist und gemeinsam mit den kreisrunden Strömungskanälen 5f der zweiten Strömungspfade 3f ein gemeinsames Volumen umschließt. Die Strömungspfade 3f münden an den Stirnseiten der Vorrichtung 1f und des Anschlusselements 7f in den gemeinsamen Ringkanal ein. Der Ringkanal ist wiederum mit einer Austrittsöffnung versehen, welche im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung L ausgerichtet ist und in die nicht dargestellte Verbindungsleitung einmündet. Im Ringkanal des Anschlusselements 7f wird das zweite Fluid je nach Strömungsrichtung aufgeteilt oder vermischt.
6c zeigt eine Vorrichtung 1g zur Wärmeübertragung mit koaxial zueinander angeordneten ersten und zweiten Strömungspfaden 2g, 3g in einer perspektivischen Ansicht in einem Querschnitt mit aus kreisrund ausgebildeten Strömungskanälen 4g, 5g der ersten und der zweiten Strömungspfade 2g, 3g sowie viereckig ausgebildeten Strömungskanälen 4g der ersten Strömungspfade 2g.
Ähnlich der Vorrichtung 1d aus 4 ist die Vorrichtung 1g ist aus mehreren, insbesondere aus zwei koaxial zueinander angeordneten kreiszylindrischen Rohren ausgebildet, wobei die Strömungspfade 2g, 3g von innen nach außen jeweils abwechselnd benachbart zueinander angeordnet sind. Zwischen den benachbart angeordneten Rohren sind jeweils gleichmäßig über den Umfang verteilt Rippen ausgebildet. Die in der Richtung des Radius der Vorrichtung 1g angeordneten Rippen unterteilen die Strömungspfade 2g, 3g jeweils in die Strömungskanäle 4g, 5g, welche in der Umfangsrichtung von einer Rohrwandung und in der Richtung des Radius jeweils von einer Rippe begrenzt sind.
Im Unterschied zur Vorrichtung 1d aus 4 sind auch sowohl die die Rohrwandung ausbildenden Wandungen als auch die die Rippen ausbildenden Wandungen in Längsrichtung L mit kreisrunden Strömungskanälen 4g, 5g versehen. Während innerhalb der eigentlichen Rohre und in den Rippen ausgebildeten kreisrunden Strömungskanälen 5g das erste Fluid durch die Strömungskanäle 4g der ersten Strömungspfade 2g strömt, sind die innerhalb der Rohrwandungen ausgebildeten kreisrunden Strömungskanäle 5g der zweiten Strömungspfade 3g mit dem zweiten Fluid beaufschlagt.
Das Kombinationsanschlusselement 11g weist in Längsrichtung L durchgängige Anschluss-Strömungskanäle 9g auf, welche die Strömungskanäle 4g der ersten Strömungspfade 2g fortführend ausgebildet und angeordnet sind. In den Bereichen der Rippen der Vorrichtung 1g ist das Kombinationsanschlusselement 11g mit Stegen ausgebildet, welche sich jeweils von der äußeren Wandung in Richtung des Radius bis in die Höhe der Wandung des inneren Rohres erstrecken und im Bereich des Zentrums, insbesondere dem Bereich des inneren Rohres als ein erster Strömungspfad 2g, den Strömungspfad 2g freilassen.
Die Stege sind an den zueinander ausgerichteten Stirnseiten der Vorrichtung 1g und des Kombinationsanschlusselements 11g beabstandet zu den Rippen der Vorrichtung 1g derart angeordnet, dass auch die in den Rippen ausgebildeten Strömungskanäle 4g in das von den Stegen freigelassene Volumen einmünden. Das erste Fluid strömt im Wesentlichen in Längsrichtung L durch das Kombinationsanschlusselement 11g hindurch und wird je nach Strömungsrichtung auf die Strömungskanäle 4g aufgeteilt oder das durch die Strömungskanäle 4g strömende erste Fluid wird im Kombinationsanschlusselement 11g zumindest teilweise vermischt, strömt anschließend durch das Kombinationsanschlusselement 11g hindurch und wird nach den Stegen abschließend vermischt.
Das Kombinationsanschlusselement 11g weist um die im Kern angeordneten Anschluss-Strömungskanäle 9g herum sowie an den Enden der Stege in der Höhe der Wandung des inneren Rohres jeweils einen Ringkanal als Anschluss-Strömungskanäle 10g der zweiten Strömungspfade 3g auf, welche in Richtung der Stirnseite des Kombinationsanschlusselements 11g offen sind und durch in den Stegen ausgebildete Kanäle gemeinsam mit den kreisrunden Strömungskanälen 5g der zweiten Strömungspfade 3g der Vorrichtung 1g ein gemeinsames Volumen umschließen. Die in der Wandung des inneren Rohres ausgebildeten Strömungspfade 3g münden an den Stirnseiten der Vorrichtung 1g und des Kombinationsanschlusselements 11g in einen inneren Ringkanal und die in der Wandung des äußeren Rohres ausgebildeten Strömungspfade 3g münden an den Stirnseiten der Vorrichtung 1g und des Kombinationsanschlusselements 11g in einen äußeren Ringkanal ein. Der innere Ringkanal und der äußere Ringkanal sind über die in den Stegen ausgebildeten Kanäle fluidtechnisch miteinander verbunden. Der äußere Ringkanal ist wiederum mit einer Austrittsöffnung versehen, welche im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung L ausgerichtet ist und in die nicht dargestellte Verbindungsleitung einmündet. In den Ringkanälen des Kombinationsanschlusselements 11g wird das zweite Fluid je nach Strömungsrichtung aufgeteilt oder vermischt.
Aus 6d geht eine Vorrichtung 1h zur Wärmeübertragung mit im Wesentlichen koaxial zueinander angeordneten ersten und zweiten Strömungspfaden 2h, 3h in einer perspektivischen Ansicht in einem Querschnitt mit aus kreisrund ausgebildeten Strömungskanälen 5h der zweiten Strömungspfade 3h sowie viereckig ausgebildeten Strömungskanälen 4h der ersten Strömungspfade 2h hervor.
Im Unterschied zur Vorrichtung 1g aus 6c werden die in den Rohrwandungen und den Rippen kreisrund ausgebildeten Strömungskanäle 5h als zweite Strömungspfade 3h mit dem zweiten Fluid beaufschlagt, während innerhalb der eigentlichen Rohre das erste Fluid durch die Strömungskanäle 4h der ersten Strömungspfade 2h strömt.
Das Kombinationsanschlusselement 11h weist im Kern im Querschnitt einen zentralen kreisrunden Anschluss-Strömungskanal 9h und um den zentralen Anschluss-Strömungskanal 9h angeordnete viereckige Anschluss-Strömungskanäle 9h auf, welche die Strömungskanäle 4h der ersten Strömungspfade 2h in Längsrichtung L fortführend ausgebildet und angeordnet sind. Die aneinander anliegenden Stirnseiten der Vorrichtung 1h und des Kombinationsanschlusselements 11h sind in Größe und Anordnung der Strömungskanäle 4h und der Anschluss-Strömungskanäle 9h identisch oder zumindest nahezu identisch, sodass die Strömungskanäle 4h in das Kombinationsanschlusselement 11h hinein verlängert werden. Die Anschluss-Strömungskanäle 9h enden innerhalb des Kombinationsanschlusselements 11h und münden in ein gemeinsames Volumen. Im Kombinationsanschlusselement 11h wird das erste Fluid je nach Strömungsrichtung aufgeteilt oder vermischt.
In den Bereichen der Rippen der Vorrichtung 1h ist das Kombinationsanschlusselement 11h mit Stegen ausgebildet, welche sich jeweils von der äußeren Wandung in Richtung des Radius bis zu einem Kreisring erstrecken, welcher im Bereich der Wandung des inneren Rohres der Vorrichtung 1h angeordnet ist. Der Kreisring umfasst im Bereich des inneren Rohres als ein erster Strömungspfad 2h einen Anschluss-Strömungskanal 9h mit kreisrundem Strömungsquerschnitt. Die Stege und der Kreisring liegen an den zueinander ausgerichteten Stirnseiten der Vorrichtung 1h und des Kombinationsanschlusselements 11h an den Rippen und dem inneren Rohr der Vorrichtung 1h an.
Das Kombinationsanschlusselement 11h weist um die im Kern angeordneten Anschluss-Strömungskanäle 9h herum sowie im Inneren des Kreisrings jeweils einen Ringkanal als Anschluss-Strömungskanäle 10h der zweiten Strömungspfade 3h auf, welche, wie die Stege, in Richtung der Stirnseite des Kombinationsanschlusselements 11h offen sind und mit den in den Stegen ausgebildeten Kanälen und den kreisrunden Strömungskanälen 5h der zweiten Strömungspfade 3h der Vorrichtung 1h ein gemeinsames Volumen umschließen. Die in der Wandung des inneren Rohres ausgebildeten Strömungspfade 3h münden an den Stirnseiten der Vorrichtung 1h und des Kombinationsanschlusselement 11h in einen inneren Ringkanal und die in der Wandung des äußeren Rohres ausgebildeten Strömungspfade 3h münden an den Stirnseiten der Vorrichtung 1h und des Kombinationsanschlusselements 11h in einen äußeren Ringkanal ein. Die in den Rippen ausgebildeten Strömungspfade 3h münden an den Stirnseiten der Vorrichtung 1h und des Kombinationsanschlusselements 11g jeweils in einen in einem Steg ausgebildeten Kanal ein.
Der innere Ringkanal und der äußere Ringkanal sind zudem über die in den Stegen ausgebildeten Kanäle fluidtechnisch miteinander verbunden. Der äußere Ringkanal ist mit einer Austrittsöffnung versehen, welche im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung L ausgerichtet ist und in welche die nicht dargestellte Verbindungsleitung einmündet. In den Ringkanälen und in den in den Stegen ausgebildeten Kanälen des Kombinationsanschlusselements 11h wird das zweite Fluid je nach Strömungsrichtung aufgeteilt oder vermischt.
6e zeigt eine Vorrichtung 1i zur Wärmeübertragung mit koaxial zueinander angeordneten ersten und zweiten Strömungspfaden 2i, 3i in einer perspektivischen Ansicht in einem Querschnitt mit aus einem kreisrunden Strömungskanal 4i und teilkreisringförmigen Strömungskanälen 4i, 5i ausgebildeten Strömungspfaden 2i, 3i, welche von innen nach außen benachbart als Kreisringe angeordnet sind. Ausschließlich der im Zentrum der Vorrichtung 1i angeordnete Strömungskanal 2i weist einen kreisrunden Strömungsquerschnitt auf.
Im Unterschied zur Vorrichtung 1e aus 5 sind anstelle von zwei koaxial zueinander und um den inneren kreisrunden Strömungsquerschnitt angeordnete sowie aus teilkreisringförmigen Strömungskanälen 4e, 5e ausgebildete Strömungspfade 2e, 3e drei Strömungspfade 2i, 3i ausgebildet.
Das Kombinationsanschlusselement 11i entspricht im Wesentlichen dem Kombinationsanschlusselement 11h aus 6d. Der wesentliche Unterschied der Kombinationsanschlusselemente 11h, 11i liegt in der Ausbildung der Stege, welche in Richtung der Stirnseite des Kombinationsanschlusselements 11i geschlossen sind und lediglich fluidtechnische Verbindungen zwischen den Ringkanälen ausbilden. Die Stege liegen zudem nicht zwingend an den zueinander ausgerichteten Stirnseiten der Vorrichtung 1i und des Kombinationsanschlusselements 11i an den Rippen und dem inneren Rohr der Vorrichtung 1i an.
Die Vorrichtungen 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 1i sind insbesondere auf als auf Koaxialrohrwärmeübertrager ausgebildete Wärmeübertrager gerichtet, wobei die angewendeten Mechanismen, Materialien und Designs auch für andere Arten von Wärmeübertragern anwendbar sind.
Die Vorrichtungen 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 1i ermöglichen eine Verwendung als innerer Wärmeübertrager eines Kältemittelkreislaufs, welcher für verschiedene Kältemittel, wie R1234yf, R1234ze, R134a, R290, R600a, R600, R717, R744, R32, R152a, R1270, R1150 und deren Gemische, einsetzbar ist.
Bezugszeichenliste

1a, 1b, 1c', 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 1i: Vorrichtung
2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i: erster Strömungspfad
3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g, 3h, 3i: zweiter Strömungspfad
4a, 4b, 4c', 4c, 4d, 4e, 4f, 4g, 4h, 4i: Strömungskanal erster Strömungspfad
5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f, 5g, 5h, 5i: Strömungskanal zweiter Strömungspfad
6, 6f: Anschlusselement erster Strömungspfad
7, 7f: Anschlusselement zweiter Strömungspfad
8: Verbindungsleitung zweites Fluid
9f, 9g, 9h, 9i: Anschluss-Strömungskanal erster Strömungspfad
10f, 10g, 10h, 10i: Anschluss-Strömungskanal zweiter Strömungspfad
11g, 11h, 11i: Kombinationsanschlusselement
L: Längsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 20040027744 A [0008]
JP 3059203 U [0009]

Claims

Vorrichtung (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 1i) zur Wärmeübertragung, insbesondere in einem Kältemittelkreislauf, aufweisend mindestens einen ersten Strömungspfad (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i) und mindestens einen zweiten Strömungspfad (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g, 3h, 3i), welche in einem Querschnitt senkrecht zu einer Längsrichtung (L) der Vorrichtung (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 1i) koaxial zueinander angeordnet sind, wobei die Strömungspfade (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g, 3h, 3i) jeweils mindestens einen Strömungskanal (4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f, 4g, 4h, 4i, 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f, 5g, 5h, 5i) aufweisen und eine Wandung des mindestens einen Strömungskanals (4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f, 4g, 4h, 4i, 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f, 5g, 5h, 5i) mindestens eines Strömungspfades (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g, 3h, 3i) aus einem Kunststoff ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungspfade (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2g, 2h, 2i, 3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3f, 3g, 3h, 3i) jeweils aus einer Vielzahl von Strömungskanälen (4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f, 4g, 4h, 4i, 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f, 5g, 5h, 5i) ausgebildet sind.
Vorrichtung (1a, 1b, 1c, 1f, 1g, 1h) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Strömungspfad (2a, 2b, 2c, 2f, 2g, 2h, 3a, 3b, 3c, 3g, 3h) aus einer Vielzahl von Strömungskanälen (4a, 4b, 4c, 4f, 4g, 4h, 5a, 5b, 5c, 5g, 5h) mit jeweils einem kreisrunden Strömungsquerschnitt ausgebildet ist.
Vorrichtung (1a, 1b, 1c) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wandung des mindestens einen Strömungskanals (5a, 5b, 5c) mindestens eines zweiten Strömungspfades (3a, 3b, 3c) aus einem Metall ausgebildet ist.
Vorrichtung (1a, 1b, 1c) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Strömungskanal (4a, 4b, 4c, 5a, 5b, 5c) mit einer separaten Wandung ausgebildet ist, wobei die Wandungen benachbart angeordneter Strömungskanäle (4a, 4b, 4c, 5a, 5b, 5c) aneinander anliegen.
Vorrichtung (1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 1i) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Strömungskanal (4d, 4e, 4f, 4g, 4h, 4i, 5d, 5e, 5f, 5g, 5h, 5i) von einer Wandung begrenzt ausgebildet ist, wobei jeweils benachbart angeordnete Strömungskanäle (4d, 4e, 4f, 4g, 4h, 4i, 5d, 5e, 5f, 5g, 5h, 5i) durch eine gemeinsame Wandung voneinander getrennt sind.
Vorrichtung (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1g, 1h, 1i) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Strömungspfad (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2g, 2h, 2i) im Bereich einer Symmetrieachse der Vorrichtung (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1g, 1h, 1i) angeordnet ist sowie im Querschnitt eine kreisrunde Form aufweist, und dass Strömungskanäle (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5g, 5h, 5i) eines zweiten Strömungspfades (3a, 3b, 3c, 3d, 3e, 3g, 3h, 3i) koaxial um den ersten Strömungspfad (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2g, 2h, 2i) angeordnet sind, welche in der Gesamtheit eine Kreisringform aufweisen.
Vorrichtung (1b, 1c, 1d, 1e, 1g, 1h, 1i) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von der Symmetrieachse nach außen Strömungskanäle (4b, 4c, 4d, 4e, 4g, 4h, 4i) eines ersten Strömungspfades (2b, 2c, 2d, 2e, 2g, 2h, 2i) koaxial um Strömungskanäle (5b, 5c, 5d, 5e, 5g, 5h, 5i) eines zweiten Strömungspfades (3b, 3c, 3d, 3e, 3g, 3h, 3i) angeordnet sind, welche in der Gesamtheit eine Kreisringform aufweisen, sodass mindestens ein zweiter Strömungspfad (3b, 3c, 3d, 3e, 3g, 3h, 3i) von zwei ersten Strömungspfaden (2b, 2c, 2d, 2e, 2g, 2h, 2i) begrenzt angeordnet ist, und dass Strömungskanäle (5b, 5c, 5d, 5g, 5h, 5i) eines weiteren zweiten Strömungspfades (3b, 3c, 3d, 3g, 3h, 3i) koaxial um Strömungskanäle (4b, 4c, 4d, 4g, 4h, 4i) eines ersten Strömungspfades (2b, 2c, 2d, 2g, 2h, 2i) angeordnet sind, welche in der Gesamtheit eine Kreisringform aufweisen.
Vorrichtung (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1g, 1h, 1i) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f, 4g, 4h, 4i, 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f, 5g, 5h, 5i) einreihig oder mehrreihig angeordnet sind.
Vorrichtung (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 1i) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f, 4g, 4h, 4i, 5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 5f, 5g, 5h, 5i) in der Längsrichtung (L) parallel zueinander ausgerichtet angeordnet sind.
Vorrichtung (1c, 1d, 1e, 1g, 1h, 1i) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Strömungspfad (2c, 2d, 2e, 2g, 2h, 2i, 3c, 3d, 3e, 3g, 3h, 3i) im Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung (L) kreisringförmig ausgebildet ist, wobei der Strömungspfad (2c, 2d, 2e, 2g, 2h, 2i, 3c, 3d, 3e, 3g, 3h, 3i) durch in Richtung eines Radius ausgerichtet angeordnete Stege in teilkreisringförmige Strömungskanäle (4c, 4d, 4e, 4g, 4h, 4i, 5c, 5d, 5e, 5g, 5h, 5i) unterteilt ist.
Vorrichtung (1g, 1h) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in den Stegen Strömungskanäle (4g, 5h) ausgebildet sind.
Vorrichtung (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 1i) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass an den Stirnseiten jeweils ein Anschlusselement (6, 6f) für den ersten Strömungspfad (2f) und ein Anschlusselement (7, 7f) für den zweiten Strömungspfad (3f) oder ein Kombinationsanschlusselement (11g, 11h, 11i) angeordnet sind, in welchen - die Strömungskanäle (4f, 4g, 4h, 4i) der ersten Strömungspfade (2f, 2g, 2h, 2i) in Längsrichtung (L) fortführend ausgebildete Anschluss-Strömungskanäle (9f, 9g, 9h, 9i) angeordnet sind und - mindestens ein Ringkanal als Anschluss-Strömungskanal (10f, 10g, 10h, 10i) der zweiten Strömungspfade (3f, 3g,3h, 3i) ausgebildet ist, welcher die Volumen der zweiten Strömungskanäle (5f, 5g, 5h, 5i) miteinander verbindet.
Vorrichtung (1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 1i) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkanal eine Austrittsöffnung aufweist, in welche eine Verbindungsleitung einmündet.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 als einen inneren Wärmeübertrager in einem Kältemittelkreislauf, insbesondere einer Klimaanlage zum Konditionieren der Luft eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges.