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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen Wärmekreislauf mit zumindest einem solchen Wärmeübertrager.
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Bei Wärmepumpenanwendungen und Wärmeübertragern, die nur einen einzigen Durchgang haben, besteht bei ungünstigen Außenbedingungen das Problem, dass diese leicht einfrieren. Diese Situation kann durch eine Erhöhung des Drucks am Einlass der Kältemittelrohre (nach einem Expansionsgerät) gelöst werden. Ein höherer Druck bedeutet eine höhere Sättigungstemperatur, was zur Verzögerung der Frostbildung beiträgt. Eine einfache Erhöhung des Einlassdrucks ist nicht ohne weiteres möglich, da der gewünschte Auslassdruck ein fester Wert ist und jede Änderung, die den Druckabfall des Kältemittels erhöht, ohne den Wärmeübergangskoeffizienten zu verbessern, sich negativ auf die Leistung auswirkt. Da der Auslass ein fester Wert ist und der Druckanstieg am Einlass nach einem Expansionsapparat (einschließlich des Verteilers) erfolgen muss, muss der Druckanstieg von etwas im Wärmeüebrtragerblock selbst kommen, um den Leistungsverlust zu minimieren. Die Hinzufügung eines Druckabfalls innerhalb des Ausgangsverteilers durch eine Vorrichtung, die gemeinhin als „Gassammler“ bezeichnet wird, verringert die Leistung um etwa 3-4 % pro Grad Sättigungstemperaturverlust, der mit dem Druckverlust einhergeht. Durch den geringfügig höheren Kältemitteldruckabfall in den Kernrohren selbst kann der potenzielle Verlust wieder aufgefangen werden. Dies kann zum Beispiel durch eine mäanderförmige oder mehrschleifige Strömung durch den Wärmeübertrager erreicht werden.
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Aus der
EP 1 710 525 A1 ist ein gattungsgemäßer Wärmeübertrager für ein Kraftfahrzeug mit zwei Flachrohren und insgesamt drei Sammlern bekannt, wobei ein Durchfluss von einem ersten Sammler über ein erstes Flachrohr in einen Rücklaufverteiler und von diesem über ein zweites Flachrohr in den zweiten Sammler erfolgt. Die Flachrohre sind dabei an ihren Längsenden um 90° verdrillt. In Richtung einer Luftdurchströmung sind dabei die einzelnen Flachrohre bzw. jeweils ein Paar von Flachrohren nacheinander angeordnet, was einen erhöhten Luftdruckabfall bei der Durchströmung bewirkt.
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Aus der
EP 1 762 808 A1 ist ein weiterer gattungsgemäßer Wärmeübertrager bekannt, mit einem ersten Sammler über den Fluid in erste Flachrohre zu einem gegenüberliegenden Rücklaufverteiler und von dort zurück über zweite Flachrohre in einen zweiten Sammler geleitet werden. Die beiden Sammler sind dabei in Richtung einer Luftdurchströmung nacheinander angeordnet. Die einzelnen Flachrohre sind gebogen, wobei jeweils zwei Flachrohre in einer gemeinsamen Öffnung im Rücklaufverteiler eingebunden sind. Hierdurch ist jedoch ein Wärmeübertrag nicht optimal zu gestalten. Auch sind die einzelnen Flachrohre in Richtung einer Luftdurchströmung gesehen zumindest bereichsweise nacheinander angeordnet, wodurch sich ein Luftdruckabfall beim Durchströmen des Wärmeübertragers erhöht.
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Aus der
CN 103 644 685 A ist ein weiterer Wärmeübertrager mit zwei Zulaufsammlern und zwei Ablaufsammlern bekannt. Hierdurch entsteht jedoch eine vergleichsweise teure und komplexe Konstruktion. Zudem findet hier keine Vermischung eines Kältemittels statt, da die bekannte Lösung lediglich zwei Wärmeübertragerkreisläufe in einer gemeinsame Wärmeübertragerfläche zeigt.
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Aus der
US 2018/0340746 A ist ein Wärmeübertrager mit einem ersten Verteiler und einem zweiten Verteiler bekannt, die auf der gleichen Seite des Wärmeübertragers angeordnet sind und eine Vielzahl von flachen Wärmeübertragerrohren aufweist. Die Wärmeübertragerrohre verlaufen demzufolge im Wesentlichen U-förmig. Eine Durchmischung eines Kältemittels erfolgt hierbei nicht.
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Aus der
CN 109 595 951 A ist ebenfalls ein Wärmeübertrag mit zwei Einlasssammlern und zwei Auslasssammlern bekannt, wobei zwischen einem Einlasssammler und einem Auslasssammler jeweils Flachrohre angeordnet sind und sämtliche Flachrohre zumindest bereichsweise in einer Ebene verlaufen. Außerdem findet hier keine Vermischung eines Kältemittels statt, da die bekannte Lösung lediglich zwei Wärmetauscherkreise in einem gemeinsamen Wärmetauscherbereich aufweist.
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Aus der
US 2019/0049194 A ist ein Wärmeübertrager mit ebenfalls zwei Einlasssammlern und zwei Auslasssammlern bekannt, wobei zwischen jeweils einem Einlasssammler und einem Auslasssammler Flachrohre angeordnet sind. Die Flachrohre sind dabei an einem Längsende verjüngt, das heißt sie haben einen Einlauf bzw. Auslauf lediglich auf einer Teilfläche einer Stirnfläche, um damit in den jeweiligen zugehörigen Einlasssammler bzw. Auslasssammler eingesteckt zu werden. Im mittleren Bereich eines Wärmeübertragerblocks weiten sie sich auf und sind demzufolge in Durchströmungsrichtung der Luft parallel zueinander angeordnet. Auch hier sind jedoch prinzipiell zwei voneinander getrennte Kreisläufe vorhanden.
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Generell besteht bei den aus dem Stand der Technik bekannten Wärmeübertragern das Problem, dass es keine Lösung für einen einzigen Flüssigkeitskreislauf mit hohem Druckabfall gibt, der eine Umverteilung oder Vermischung des Kältemittels innerhalb des Wärmeübertragers ermöglicht und gleichzeitig den Luftdruckabfall des Wärmetauschers nicht stark erhöht.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Wärmeübertrager der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem Wärmeübertrager, insbesondere bei einem mittels Kältemittel betriebenen Wärmeübertrag, einen (Kältemittel-)Druckabfall innerhalb zu erhöhen, ohne dabei gleichzeitig einen Druckabfall einer Luftdurchströmung zu erhöhen und dadurch einen Druckabfall innerhalb des Wärmeübertragers bei gleichbleibender bzw. sogar unter Umständen erhöhter Wärmeübertragerleistung zu erreichen. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager besitzt dabei erste Flachrohre, die mit einem ersten Längsende in zugehörigen ersten Öffnungen eines ersten Sammlers und mit einem gegenüberliegenden zweiten Längsende in zugehörigen zweiten Öffnungen eines zweiten Sammlers aufgenommen sind. Darüber hinaus vorgesehen sind zweite Flachrohre, die mit einem ersten Längsende in zugehörigen dritten Öffnungen eines dritten Sammlers und mit einem gegenüberliegenden zweiten Längsende in zugehörigen vierten Öffnungen eines zweiten Sammlers aufgenommen. In dem zweiten Sammler besitzen die zweiten und vierten Öffnungen dieselbe Geometrie und sind beabstandet zueinander angeordnet, so dass jedes Flachrohr mit einem jeweiligen Längsende in einer einzigen und von anderen Öffnungen separaten Öffnung aufgenommen ist. Die zweite und die vierte Öffnung des zweiten Sammlers wechseln sich ab, so dass sich die ersten und die zweiten Flachrohre gleichzeitig abwechseln. Erfindungsgemäß weisen nur die ersten Flachrohre oder beide Flachrohre einen abgewinkelten, gefalteten oder gebogenen Endbereich auf, um von dem ersten Sammler oder von dem ersten und dritten Sammler aufgenommen zu werden. Durch den sogenannten U-Flow eines Fluids innerhalb des Wärmeübertrages kann somit ein erhöhter Druckabfall im Vergleich zu einem lediglich einfach durchströmten Wärmeübertrager erreicht werden, wobei durch die voneinander beabstandeten und zugleich im Wesentlich in einer Ebene liegenden Flachrohre mit dazwischen angeordneten Wärmeübertragungsrippen, die zum Wärmeaustausch mit der vorbeiströmenden Luft dienen, eine leicht durchgängige Luftströmung gewährleistet werden kann, wodurch eine hohe Wärmeübertragerleistung und gleichzeitig ein geringer Druckabfall der den Wärmeübertrager durchströmenden Luft bewirkt werden können. Der zweite Sammler, beispielsweise ein Rücklaufverteiler, nimmt dabei die ersten und zweiten Flachrohre alternierend mit einem Standardabstand zwischen den einzelnen Flachrohren auf, während der erste und dritte Sammler, beispielsweise ein Einlass- und ein Auslassverteiler, lediglich die Hälfte der Öffnungen aufweisen, die zudem mit doppeltem Standardabstand zueinander angeordnet sind. Der Zulauf und der Rücklauf in bzw. aus dem Wärmeübertrager liegen somit auf einer Seite, während auf der gegenüberliegenden Seite lediglich der zweite Sammler, das heißt der Rücklaufverteiler, angeordnet ist. Dieser kann prinzipiell oben oder unten angeordnet werden. Mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager ist somit eine hohe Wärmeübertragerleistung bei geringem Luftdruckabfall der den Wärmeübertrager durchströmenden Luft und gleichzeitig erhöhtem Druckabfall beispielsweise eines Kältemittels im Wärmeübertrager durch den U-Flow möglich. Hierdurch kann somit die Wärmeübertragerleistung zumindest gehalten, vorzugsweise sogar erhöht und gleichzeitig ein Frostrisiko gesenkt werden. Zudem kann mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager eine gleichmäßige Verteilung des Fluids im Wärmeübertrager erreicht werden, da die einzelnen Flachrohre vorzugsweise alternierend angeordnet sind und zugleich eine Vermischung des im Wärmeübertrager strömenden Fluids, beispielsweise einem Kältemittel im zweiten Sammler, das heißt im Rücklaufverteiler, erfolgt. Durch die alternierende Anordnung der einzelnen Flachrohre kann auch eine Abtauleistung erhöht und dadurch ein Abtauzyklus verkürzt und die Gesamtenergieeffizienz des Wärmeübertragers erhöht werden.
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Der abgewinkelte, gebogene oder gefaltete Bereich ist so abgewinkelt, gebogen oder gefaltet, dass der erste Sammler oder der erste und der dritte Sammler in Breitenrichtung des Luftstroms außerhalb oder neben der Ebene angeordnet werden können, wodurch eine Anordnung des ersten und dritten Sammlers beispielsweise nebeneinander möglich ist. Insgesamt kann mit einer derartigen Anordnung ein Wärmeübertragerblock geschaffen werden, der über einen Großteil seiner Höhe nur eine Ebene aufweist und dadurch vergleichsweise flach baut.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind die ersten Flachrohre ungerade und die zweiten Flachrohre gerade ausgebildet oder es sind sowohl die ersten als auch die zweiten Flachrohre gebogen, gefaltet bzw. abgewinkelt ausgebildet. Insbesondere bei der zweiten Ausführungsform bietet sich der große Vorteil, dass die einzelnen Flachrohre identisch ausgebildet werden können, was die Herstellungskosten senkt, und lediglich um 180° gedreht in den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager eingebaut werden müssen. In diesem Fall liegen der erste Sammler und der dritte Sammler in Durchströmungsrichtung der Luft gesehen hintereinander.
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Zweckmäßig beträgt eine Höhe L1 des abgebogenen, gefalteten oder abgewinkelten Bereichs der ersten Flachrohre maximal die Hälfte einer Höhe L der ersten Flachrohre, vorzugsweise sogar maximal 20 % der Gesamthöhe L der ersten Flachrohre. Je geringer die Höhe L1 des abgebogenen bzw. abgewinkelten Bereichs der ersten Flachrohre ist, umso größer ist eine parallele Anordnung der ersten und zweiten Flachrohre in einer gemeinsamen Ebene, wodurch ein vergleichsweise flach bauender Wärmeübertrager erreicht werden kann.
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Zweckmäßig weist/weisen der erste Sammler, der zweite Sammler und/oder der dritte Sammler vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt auf. Durch die kreisförmige Ausbildung kann eine strömungsoptimierte Form, insbesondere ohne Ecken und Kanten, geschaffen werden. Der kreisförmige Querschnitt ist ebenfalls eine druckoptimierte Form, die insbesondere einem hohen Innendruck standhält.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind/ist zumindest einer der Sammler und/oder die ersten und/oder zweiten Flachrohre und/oder die dazwischen angeordneten Wärmeübertragungsrippen aus Aluminium ausgebildet. Aluminium besitzt einen vergleichsweise hohen Wärmeleitkoeffizienten, wodurch eine hohe Wärmeübertragungsrate erreichbar ist. Zudem ist Aluminium leicht, was insbesondere bei einem Einsatz des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers auf der Straße oder im Straßenverkehr von Vorteil ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist der erste Sammler näher am zweiten Sammler angeordnet als der dritte Sammler, oder umgekehrt. Hierdurch kann bezüglich einer Höhe eine leicht versetzte Anordnung des ersten und zweiten Sammlers erreicht werden, wodurch insgesamt eine flachere Bauweise des Wärmeübertragers erreicht werden kann.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, einen Wärmekreislauf, beispielsweise einen Kühlmittelkreislauf oder einen Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage oder einem Kühlsystem, insbesondere für einen Kühlanhänger eines Kraftfahrzeugs, mit zumindest einem solchen Wärmeübertrager entsprechend den vorherigen Absätzen auszurüsten. Hierdurch lässt sich die Gefahr des Gefrierens deutlich reduzieren, eine Wärmeübertragerleistung jedoch auf zumindest gleichem Niveau halten.
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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 einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager,
- 2 eine weitere mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers mit abgewinkelten ersten Flachrohren,
- 3 eine Ausführungsform analog zur 2, jedoch mit ersten und zweiten abgewinkelten, abgebogenen oder gefalteten Flachrohren.
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Entsprechend den 1 bis 3 weist ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager 1 für insbesondere einen Kühlanhänger eines Kraftfahrzeugs 2, erste Flachrohre 3 auf, die mit einem ersten Längsende 4 in zugehörigen ersten Öffnungen 5 eines ersten Sammlers 6, beispielsweise eines Einlassverteilers oder eines Auslassverteilers, und mit einem gegenüberliegenden zweiten Längsende 7 in zugehörigen zweiten Öffnungen 8 eines zweiten Sammlers 9, beispielsweise eines Rücklaufverteilers, aufgenommen sind. Darüber hinaus vorgesehen sind zweite Flachrohre 10, die mit einem ersten Längsende 11 in zugehörigen dritten Öffnungen 12 eines dritten Sammlers 13, beispielsweise eines Auslassverteilers oder eines Einlassverteilers aufgenommen sind.
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Erfindungsgemäß weisen nun entweder nur die ersten Flachrohre 3 einen abgewinkelten, gefalteten bzw. abgebogenen Endbereich 14 auf (vgl. die 1 und 2) oder beide Flachrohre 3, 10 weisen einen derartigen abgewinkelten Endbereich 14 auf (vgl. 3). Die zweiten Flachrohre 10 sind darüber hinaus mit einem gegenüberliegenden zweiten Längsende 15 in zugehörigen vierten Öffnungen 16 des zweiten Sammlers 9 aufgenommen, wobei die zweiten Öffnungen 8 und die vierten Öffnungen 16 abwechselnd voneinander beabstandet angeordnet sind, sodass dazwischen Wärmeübertragungsrippen 18 angeordnet werden können. Im Allgemeinen bedeutet dies, dass die Öffnungen 8 und 16 einer 2n und 2n+1 Anordnung folgen, wobei n ≥ 0.
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Mit der erfindungsgemäß gewählten Ausführungsform des Wärmeübertragers 1 kann durch die U-förmige Umlenkung eines Fluidstroms, beispielsweise eines Kältemittels, innerhalb des Wärmeübertragers 1 vom ersten Sammler 6 über die ersten Flachrohre 3, den zweiten Sammler 9, die zweiten Flachrohre 10 und den dritten Sammler 13, ein höherer Druckabfall erreicht werden, der die Gefahr eines Gefrierens des in dem Wärmeübertrager 1 strömenden Fluids reduziert. Durch die alternierende Anordnung der Flachrohre 3, 10 kann eine Abtauleistung erhöht und dadurch ein Abtauzyklus verkürzt und eine Gesamtenergieeffizienz des Wärmeübertragers 1 erhöht werden. Durch das Einmünden beider Flachrohre 3, 10 in den zweiten Sammler 9 kann auch eine Vermischung des im Wärmeübertrager 1 strömenden Fluids, beispielsweise des Kältemittels, und damit eine Vergleichmäßigung der Temperatur im Wärmeübertrager 1 erreicht werden. Durch den Umstand, dass die Flachrohre 3, 10 zumindest überwiegend in einer Ebene angeordnet sind (vgl. 1) kann darüber hinaus ein Druckabfall einer den Wärmeübertrager 1 durchströmenden Luftströmung minimiert und dadurch der Wirkungsgrad des Wärmeübertragers 1 erhöht werden. Durch einen Abstand der zweiten Öffnungen 8 von den vierten Öffnungen 16 kann zudem ein deutlich verbessertes Umströmen der einzelnen Flachrohre 3, 10 und damit ein höherer Wärmeübertrag und eine höhere Wärmeübertauscherleistung erreicht werden.
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Zweckmäßig kann eine Höhe L1 des abgebogenen, gefalteten oder abgewinkelten Bereichs 14 maximal die Hälfte einer Gesamthöhe L der ersten Flachrohre 3 bzw. beider Flachrohre 3, 10 betragen, wobei besonders bevorzugt vorgesehen sein kann, dass eine Höhe L1 des abgebogenen oder abgewinkelten Bereichs 14 der ersten Flachrohre 3 bzw. beider Flachrohre 3, 10, maximal 20% der Gesamthöhe L der ersten Flachrohre 3 bzw. beider Flachrohre 3, 10 beträgt. Hierdurch kann ein vergleichsweise großer Bereich L - L1 geschaffen werden, in welchem die beiden Flachrohre 3, 10 übereinander gestapelt und parallel zueinander angeordnet sind und dadurch einen lediglich geringen Luftdruckabfall bewirken. Die Minimierung der Höhe „L1“ maximiert in einfacher Weise die verfügbare Wärmeübertragungsfläche. Dies führt zu einer erhöhten Leistung und Effizienz.
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Der erste Sammler 6 kann dabei entsprechend der Ausführungsformen gemäß der 2 auch näher am zweiten Sammler 9 angeordnet sein, als der dritte Sammler 13, wodurch sich eine hinsichtlich einer Tiefe optimierte, da flachere Form des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 ergibt, was insbesondere in Motorräumen von großem Vorteil ist. Bei der Ausführungsform gemäß der 3 sind der erste und dritte Sammler 6, 13 in Durchströmungsrichtung 17 nacheinander angeordnet, was den großen Vorteil bietet, dass eine für den Wärmeübertrag zur Verfügung stehende Fläche nicht beeinträchtigt ist. Die Ausführungsform gemäß der 3 bietet darüber hinaus den großen Vorteil, dass die ersten und zweiten Flachrohre 3, 10 identisch ausgebildet und lediglich um 180° verdreht alternierend in den zweiten Sammler 9 eingesteckt werden müssen.
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Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager 1 kann insbesondere in einen Wärmekreislauf 17, beispielsweise in einen Kühlmittelkreis oder einen Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage oder eines Kühlsystems eines Kühlanhängers eines Kraftfahrzeugs 2, eingebunden sein und dort aufgrund seiner hohen Wärmeübertragerleistung und seiner reduzierten Frostgefahr deutliche Vorteile bringen. Auch kann der erfindungsgemäße Wärmeübertrager 1 in Wärmepumpenanwendungen eingesetzt werden, beispielsweise als Verdampfer oder als Kondensator, wobei bei einer Verdampferfunktion der erste Sammler 6 einen Einlassverteiler und der zweite Sammler 13 einen Auslassverteiler darstellt. Im Kondensatorbetrieb ist dies umgekehrt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1710525 A1 [0003]
- EP 1762808 A1 [0004]
- CN 103644685 A [0005]
- US 2018/0340746 A [0006]
- CN 109595951 A [0007]
- US 2019/0049194 A [0008]
