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Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Zur Steigerung der Effizienz einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs kann ein interner Wärmeübertrager in einen Kältekreislauf des Kraftfahrzeugs eingebaut sein. Der Kältekreislauf umfasst dabei üblicherweise einen Verdampfer und/oder einen Chiller sowie einen Kondensator. In dem internen Wärmeübertrager werden dann Sauggas aus dem Verdampfer und/oder dem Chiller und Kondensat aus dem Kondensator in einen wärmeübertragenden Kontakt gebracht.
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Aus
DE 10 2007 015 186 A1 und
DE 10 2005 056 650 A1 sind interne Wärmeübertrager mit koaxial ineinander angeordneten Rohren - sogenannte koaxiale Rohr-Wärmeübertrager - bereits bekannt. In einem Kraftfahrzeug mit einem riemenbetriebenen Verdichter ist der koaxiale Rohr-Wärmeübertrager in der Saugleitung nach dem Verdampfer und/oder dem Chiller mit geringem Aufwand realisierbar, da hier baulich bedingt lange Rohrleitungen zwischen dem Verdampfer und dem riemenbetriebenen Verdichter notwendig sind.
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Ist der Verdichter elektrisch, so ist dieser nicht mehr an den Motor gebunden und an beliebiger Stelle im Kraftfahrzeug einbaubar. Aus Kostengründen werden dabei lange Rohrleitungen vermieden. Bei einem batterieelektrischen Kraftfahrzeug verkürzen sich zudem durch den fehlenden Motor die Motorhauben und entsprechend auch die Rohrleitungen. Der koaxiale Rohr-Wärmeübertrager kann also nur noch mit hohem Aufwand eingebaut werden.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, für einen Wärmeübertrager der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, bei der die beschriebenen Nachteile überwunden werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Wärmeübertrager für ein Kraftfahrzeug flach und dadurch besonders kompakt auszubilden. Der Wärmeübertrager weist dabei ein Wärmeübertragerrohr mit einem von einem ersten Fluid durchströmbaren Innenkanal und einem von einem zweiten Fluid durchströmbaren Außenkanal auf. Der Innenkanal und der Außenkanal sind parallel zueinander ausgerichtet und der Innenkanal ist koaxial in dem Außenkanal angeordnet. Der Wärmeübertrager weist einen Innen-Einlass zum Einleiten des ersten Fluids in den Innenkanal und einen Innen-Auslass zum Ausleiten des ersten Fluids aus dem Innenkanal auf. Zudem weist der Wärmeübertrager einen Außen-Einlass zum Einleiten des zweiten Fluids in den Außenkanal und einen Außen-Auslass zum Ausleiten des zweiten Fluids aus dem Außenkanal auf. Erfindungsgemäß weist das Wärmeübertragerrohr quer zu einer in dem Wärmeübertragerrohr vorliegenden Strömungsrichtung einen rechteckigen Querschnitt vorzugsweise mit abgerundeten Kantenecken auf. Der Außenkanal umgibt den Innenkanal. Das erste Fluid und das zweite Fluid durchströmen den Innenkanal und den Außenkanal vermischungsfrei und stehen in einem wärmeübertragenden Kontakt miteinander. In dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager ist das Wärmeübertragerrohr quaderförmig bzw. nahe quaderförmig ausgebildet. Wird eine quer zur Strömungsrichtung definierte Breite des Wärmeübertragerrohrs vergrö-ßert, so wird auch eine Kontaktfläche zum Wärmeübertrag zwischen den beiden Fluiden vergrößert. Dabei kann eine in Strömungsrichtung definierte Länge des Wärmeübertragerrohrs konstant bleiben oder reduziert sein. Dadurch kann eine kompakte, einfache und kostengünstige Bauweise des Wärmeübertragers erreicht werden.
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Das Wärmeübertragerrohr kann aus einem Extrusionsprofil geformt und dadurch kostengünstig und fertigungstechnisch einfach hergestellt werden. Das Wärmeübertragerrohr bzw. das Extrusionsprofil können metallisch, insbesondere aus Aluminium, sein.
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Bei einer möglichen Ausgestaltung des Wärmeübertragers kann eine quer zur Strömungsrichtung definierte Breite des Wärmeübertragerrohrs größer als eine quer zur Strömungsrichtung definierte Höhe des Wärmeübertragerrohrs sein. Die Breite des Wärmeübertragerrohrs kann dabei zumindest doppelt so groß sein als die Höhe des Wärmeübertragerrohrs sein.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Wärmeübertragerrohr einen parallel zur Strömungsrichtung ausgerichteten quaderförmigen Flachabschnitt und zwei parallel zur Strömungsrichtung ausgerichtete und quer zur Strömungsrichtung beidseitig an den Flachabschnitt anschließende Rundabschnitte aufweisen. In dem Flachabschnitt sind der Innenkanal und der Außenkanal flach ausgebildet. Eine quer zur Strömungsrichtung definierte Höhe des Innenkanals und eine quer zur Strömungsrichtung definierte Höhe des Außenkanals sind in dem Flachabschnitt jeweils konstant. In dem Wärmeübertragerrohr ist der Innenkanal koaxial in dem Außenkanal angeordnet, so dass der Flachabschnitt des Wärmeübertragerrohrs einen Abschnitt des Innenkanals und zwei Abschnitte des Außenkanals aufweist. Der Abschnitt des Innenkanals ist dabei zwischen den beiden Abschnitten des Außenkanals angeordnet. In den jeweiligen Rundabschnitten des Wärmeübertragerrohrs, die als Teilkreisabschnitte ausgebildet sein können, gehen die beiden Abschnitte des Außenkanals jeweils ineinander über.
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Das Wärmeübertragerrohr kann zudem eine den Innenkanal von außen umlaufende Innenwandung und eine den Außenkanal von außen umlaufende Außenwandung aufweisen. In dem Flachabschnitt des Wärmeübertragerrohr können die Innenwandung und die Außenwandung plattenförmig und zueinander parallel ausgerichtet sein. In dem Wärmeübertragerrohr ist der Innenkanal koaxial in dem Außenkanal angeordnet, so dass der Flachabschnitt des Wärmeübertragerrohrs zwei Abschnitte der Innenwandung und zwei Abschnitte der Außenwandung aufweist. Die beiden Abschnitte der Innenwandung sind dabei zueinander benachbart und zwischen den beiden Abschnitten der Außenwandung angeordnet. In den jeweiligen Rundabschnitten des Wärmeübertragerrohrs gehen die beiden Abschnitte der Außenwandung und die beiden Abschnitte der Innenwandung jeweils integral ineinander über.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Wärmeübertragers kann der Innen-Einlass durch eine durchgehende Öffnung in dem Wärmeübertragerrohr und ein Leitungsstück geformt sein. Die Öffnung kann dabei von außen durch den Außenkanal hindurch in den Innenkanal führen und das Leitungsstück kann in die Öffnung eingesetzt sein. Analog kann der Innen-Auslass durch eine durchgehende Öffnung in dem Wärmeübertragerrohr und ein Leitungsstück geformt sein. Die Öffnung kann aus dem Innenkanal durch den Außenkanal hindurch nach außen führen und das Leitungsstück in die Öffnung eingesetzt sein. Das jeweilige Leitungsstück trennt dabei fluiddicht den Außenkanal von dem Innenkanal und kann ein Rohrstück oder ein einseitig offener Napf sein. Das Leitungsstück und das Wärmeübertragerrohr können metallisch und miteinander verlötet sein. Um die Herstellung zu vereinfachen, können der Innen-Einlass und der Innen-Auslass in dem Flachabschnitt des Wärmeübertragerrohrs ausgebildet sein. Dabei können der Innen-Einlass an einem Längsende des Wärmeübertragerrohrs und der Innen-Auslass an einem gegenüberliegenden Längsende des Wärmeübertragerrohrs geformt sein.
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Um die Festigkeit des Wärmeübertragerrohrs und die Leistung des Wärmeübertragers zu verbessern, kann der Innenkanal durch wenigstens zwei zueinander parallel ausgerichtete Innenteilkanäle geformt sein. Die zueinander benachbarten Innenteilkanäle können dabei durch jeweils einen Steg voneinander getrennt sein. Der Steg kann dabei zwischen zwei Abschnitten einer den Innenkanal von außen umlaufenden Innenwandung angeordnet sein und die genannten Abschnitte miteinander verbinden. Ist das Wärmeübertragerrohr als ein Extrusionsprofil geformt, so können die Stege integral bzw. aus einem Materialstück mit der Innenwandung des Wärmeübertragerrohrs geformt sein.
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Alternativ zu den Stegen kann der Wärmeübertrager wenigstens ein separates Einlegteil aufweisen. Das separate Einlegteil kann in dem Innenkanal angeordnet und dadurch können die jeweiligen Innenteilkanäle gebildet sein. Das separate Einlegteil kann beispielweise ein Turbulator in Form eines Wellblechs sein. Das separate Einlegteil kann metallisch und mit dem Wärmeübertragerrohr verlötet sein. Dazu kann das separate Einlegteil lotplattiert sein. Vorzugsweise ist das separate Einlegeteil kürzer als das Wärmeübertragerrohr, um ein Verteilen des ersten Fluids aus dem Innen-Einlass in die Innenteilkanäle und ein Sammeln des ersten Fluids aus den Innenteilkanälen zu dem Innen-Auslass zu unterstützen.
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Um die Festigkeit des Wärmeübertragerrohrs und die Leistung des Wärmeübertragers zu verbessern, kann der Außenkanal durch wenigstens zwei zueinander parallel ausgerichtete Außenteilkanäle geformt sein. Die zueinander benachbarten Außenteilkanäle können durch jeweils einen Steg voneinander getrennt sein. Der Steg kann zwischen einer den Innenkanal von außen umlaufenden Innenwandung und einer den Außenkanal von außen umlaufenden Außenwandung angeordnet sein und die Außenwandung mit der Innenwandung verbinden. Ist das Wärmeübertragerrohr als ein Extrusionsprofil geformt, so können die Stege integral bzw. aus einem Materialstück mit der Innenwandung und der Außenwandung geformt sein.
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Alternativ zu den Stegen können die jeweiligen Außenteilkanäle des Außenkanals durch wenigstens ein separates in dem Außenkanal angeordneten Einlegeteil des Wärmeübertragers gebildet sein. Das separate Einlegteil kann ein Turbulator in Form eines Wellblechs sein. Das separate Einlegteil kann metallisch und mit dem Wärmeübertragerrohr verlötet sein. Dazu kann das separate Einlegteil lotplattiert sein. Das separate Einlegeteil kann kürzer als das Wärmeübertragerrohr sein, um ein Verteilen des zweiten Fluids aus dem Außen-Einlass in die Außenteilkanäle und ein Sammeln des zweiten Fluids aus den Außenteilkanälen zu dem Außen-Auslass zu vereinfachen.
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Bei einer möglichen Ausführungsform des Wärmeübertragers ist vorgesehen, dass der Wärmeübertrager zwei Deckel aufweist und der Innenkanal quer zur Strömungsrichtung beidseitig mittels der jeweiligen Deckel fluiddicht geschlossen ist. Zudem ist vorgesehen, dass der Wärmeübertrager zwei Schließdeckel aufweist und der Außenkanal quer zur Strömungsrichtung beidseitig mittels der jeweiligen Schließdeckel fluiddicht geschlossen ist. Quer zur Strömungsrichtung entspricht die Form des Deckels der Kontur des Innenkanals bzw. einer den Innenkanal von außen umlaufenden Innenwandung des Wärmeübertragerrohrs. Die Form des Schließdeckels entspricht quer zur Strömungsrichtung der Kontur des Außenkanals bzw. einer den Außenkanal von außen umlaufenden Außenwandung des Wärmeübertragerrohrs. Der Deckel ist dabei mit dem Schließdeckel so überdeckt, dass der Außenkanal zwischen dem Deckel und dem Schließdeckel durchströmbar bleibt. Der Deckel und/oder der Schließdeckel können metallisch und mit dem Wärmeübertragerrohr verlötet sein. Dazu können der Deckel und/oder der Schließdeckel lotplattiert sein. Der in den Außenkanal führende Außen-Einlass kann dabei in dem einen Schließdeckel und der aus dem Außenkanal nach außen führender Außen-Auslass kann in dem anderen Schließdeckel geformt sein.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung kann der Wärmeübertrager ein interner Wärmeübertrager für einen Kältemittel-Kreislauf mit einem Kondensator und einem Verdampfer und/oder einem Chiller sein. Der Innenkanal kann dabei ein Hochdruckrohr zum Durchströmen von Kondensat aus dem Kondensator und der Außenkanal kann ein Niederdruckrohr zum Durchströmen von Sauggas aus dem Verdampfer und/oder dem Chiller sein. Durch die kompakte Bauweise kann der Wärmeübertrager auch in einem Kraftfahrzeug mit kurzen Rohrleitungen eingebaut sein. Insbesondere kann der Wärmeübertrager in einem Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Verdichter oder in einem batterieelektrischen Kraftfahrzeug eingebaut sein.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch
- 1 eine teilweise Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers;
- 2 eine Ansicht des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers.
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1 zeigt eine teilweise Schnittansicht und 2 zeigt eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1. Die in 1 und 2 nicht unmittelbar sichtbaren Elemente sind mit unterbrochenen Linien gezeichnet. Der Wärmeübertrager 1 weist dabei ein Wärmeübertragerrohr 2, zwei Deckel 3a und 3b und zwei Schließdeckel 4a und 4b auf. Der Wärmeübertragerrohr 2 weist dabei einen Innenkanal 5 und einen Außenkanal 6 auf, wobei der Innenkanal 5 koaxial in dem Außenkanal 6 angeordnet ist. Das Wärmeübertragerrohr 2 wird dabei in eine Strömungsrichtung SR durchströmt, wobei in dem Innenkanal 5 ein erstes Fluid und in dem Außenkanal 6 ein zweites Fluid einander entgegengerichtet - wie in 2 mit Pfeilen angedeutet - strömen.
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Das Wärmeübertragerrohr 2 weist zudem eine den Innenkanal 5 von außen umlaufende Innenwandung 5a und eine den Außenkanal 6 von außen umlaufende Außenwandung 6a auf. Die Innenwandung 5a trennt dabei den Innenkanal 5 von dem Außenkanal 6 und die Außenwandung 6a trennt den Außenkanal 6 von der Umgebung. Die jeweiligen Deckel 3a und 3b schließen den Innenkanal 5 und die jeweiligen Schließdeckel 4a und 4b schließen den Außenkanal 6 jeweils quer zur Strömungsrichtung SR beidseitig fluiddicht. Dabei sind die Deckel 3a und 3b an der Innenwandung 5a und die Schließdeckel 4a und 4b an der Außenwandung 6a festgelegt. Der jeweilige Schließdeckel 4a bzw. 4b überdeckt dabei den jeweiligen Deckel 3a bzw. 3b so, dass der Außenkanal 6 zwischen dem jeweiligen Deckel 3a bzw. 3b und dem Schließdeckel 4a bzw. 4b durchströmbar bleibt.
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Zum Einleiten und Ausleiten des ersten Fluids in den Innenkanal 5 weist der Wärmeübertrager 1 einen Innen-Einlass 7a und einen Innen-Auslass 7b auf. Der Innen-Einlass 7a bzw. der Innen-Einlass 7b ist jeweils durch eine durchgehende Öffnung 8 in dem Wärmeübertragerrohr 2 - also in der Außenwandung 6a und in der Innenwandung 5a - und ein Leitungsstück 9 geformt. Die Öffnung 8 führt dabei von außen durch den Außenkanal 6 hindurch in den Innenkanal 5 und das Leitungsstück 9 ist in die Öffnung 8 eingesetzt und grenzt die Öffnung 8 von dem Außenkanal 6 fluiddicht ab. Der Innen-Einlass 7a und der Innen-Auslass 7b sind dabei in dem Wärmeübertragerrohr 2 an gegenüberliegenden Längsenden geformt, so dass der Innenkanal 5 - wie in 2 mit Pfeilen angedeutet ist - in Strömungsrichtung SR durchströmbar ist.
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Zudem weist der Wärmeübertrager 1 für den Außenkanal 6 einen Außen-Einlass 10a zum Einleiten des zweiten Fluids und einen Außen-Auslass 10b zum Ausleiten des zweiten Fluids auf. Der Außen-Einlass 10a bzw. der Außen-Auslass 10b ist jeweils durch eine Öffnung 11 gebildet. Der Außen-Einlass 10a und der Außen-Auslass 10b sind dabei in den Schließdeckeln 4a und 4b geformt, so dass der Außenkanal 6 - wie in 2 mit Pfeilen angedeutet ist - in Strömungsrichtung SR durchströmbar ist.
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Das Wärmeübertragerrohr 2 weist quer zur Strömungsrichtung SR einen rechteckigen Querschnitt mit abgerundeten Kantenecken auf. Das Wärmeübertragerrohr 2 ist also quaderförmig, wobei die in Strömungsrichtung SR ausgerichteten Kanten des quaderförmigen Wärmeübertragerrohrs 2 abgerundet sind. Die quer zur Strömungsrichtung SR definierte Breite B des Wärmeübertragerrohrs 2 ist dabei größer als die quer zur Strömungsrichtung SR definierte Höhe H des Wärmeübertragerrohrs 2. Das Wärmeübertragerrohr 2 kann dabei in einen quaderförmigen Flachabschnitt 12 und zwei Rundabschnitte 13 aufgeteilt sein. Der Flachabschnitt 12 geht dabei quer zur Strömungsrichtung SR beidseitig in die jeweiligen Rundabschnitte 13 über. In dem Flachabschnitt 12 sind die Innenwandung 5a und die Außenwandung 6a plattenförmig ausgebildet und parallel und beabstandet zueinander ausgerichtet. Dabei sind in dem Flachabschnitt 12 zwei Abschnitte der Außenwandung 6a und zwei Abschnitte der Innenwandung 5a angeordnet.
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Zum Verbessern der Festigkeit des Wärmeübertragerrohrs 2 und der Leistung des Wärmeübertragers 1 sind der Innenkanal 5 durch mehrere Innenteilkanäle 16 und der Außenkanal 6 durch mehrere Außenteilkanäle 17 gebildet. Dazu ist in dem Innenkanal 5 ein separates Einlegteil 14 - hier ein Turbulator in Form eines Wellblechs - angeordnet, das den Innenkanal 5 in die mehreren Innenteilkanäle 16 aufteilt. In dem Außenkanal 6 sind dazu Stege 15 geformt, die den Außenkanal 6 in die mehreren Außenteilkanäle 17 aufteilen.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist das Wärmeübertragerrohr 2 metallisch und als Extrusionsprofil geformt. Zudem sind die Deckel 3a und 3b und die Schließdeckel 4a und 4b metallisch und mit dem Wärmeübertragerrohr 2 verlötet. Die beiden Leitungsstücke 9 sind auf gleiche Weise metallisch und mit dem Wärmeübertragerrohr 2 verlötet. Die Stege 15 in dem Außenkanal 6 sind integral mit der Innenwandung 5a und der Außenwandung 6a geformt. Das separate Einlegteil 14 in dem Innenkanal 5 ist metallisch und kann mit der Innenwandung 5 verlötet sein.
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Der Wärmeübertrager 1 kann als ein interner Wärmeübertrager in einem Kältemittel-Kreislauf mit einem Kondensator und einem Verdampfer und/oder einem Chiller verwendet werden. Dabei kann der Innenkanal 5 ein Hochdruckrohr zum Durchströmen von Kondensat aus dem Kondensator und der Außenkanal 6 ein Niederdruckrohr zum Durchströmen von Sauggas aus dem Verdampfer und/oder dem Chiller sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007015186 A1 [0003]
- DE 102005056650 A1 [0003]
