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Die
Erfindung betrifft eine Wärmetauschereinheit.
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Wärmetauschereinheiten
werden beispielsweise in Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen in der Nähe des Kältemittelkompressors
eingesetzt, um einerseits das von dem Kompressor kommende durch die
Kompression erwärmte
Fluid vorzukühlen
und um andererseits das dem Kompressor zuzuführende Wärmeträgerfluid etwas anzuwärmen. Letzteres
ist insbesondere bei solchen Klimaanlagen vorteilhaft, die unter
besonders hohem Druck stehen und mit alternativen Kältemitteln,
wie beispielsweise CO2, arbeiten. Die verwendeten Kompressoren sind
relativ empfindlich und nehmen Schaden, wenn das angesaugte Kältemittel
Flüssigkeitstropfen
mitführt.
Der betreffende Wärmetauscher
soll dann möglichst nahe
an dem Kompressor angeordnet sein, um Tröpfchenbildung auf dem Weg von
dem Wärmetauscher
zu dem Kompressor zu vermeiden. Der Wärmetauscher ist deshalb in
der Regel erheblichen Vibrationen ausgesetzt, denen er Stand halten
muss. Außerdem
steht er unter hohem Druck. Kraftfahrzeugkälteanlagen mit alternativen
Kältemitteln
müssen
auf Berstdrücke
bis zu 700 bar ausgelegt sein. Dies stellt insgesamt nicht nur eine
Herausforderung für
die Konstruktion des Wärmetauschers
sondern auch für
seine Anschlusstechnik dar. Außerdem
soll ein solcher Wärmetauscher
bei geringer Baugröße eine
möglichst
hohe Wärmeübertragungskapazität aufweisen.
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Davon
ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Wärmetauschereinheit zu schaffen,
die sich insbesondere für
den Einsatz in Hochdruckanwendungen eignet.
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Diese
Aufgabe wird mit der Wärmetauschereinheit
nach Anspruch 1 gelöst:
Die
erfindungsgemäße Wärmetauschereinheit
weist einen Wärmetauscherkörper auf,
der zwei Flachseiten aufweist und als Flachkörper ausgebildet ist. Längs durchgehende,
parallel zueinander ausgerichtete Durchgangskanäle sind in wenigstens zwei,
vorzugsweise aber drei zueinander parallelen Reihen angeordnet und
mit an den Enden vorgesehenen Anschlüssen verbunden. Dabei sind
vorzugsweise die äußeren, d.h.
den Flachseiten näheren
Durchgangskanäle
mit einem Anschluss und die innen liegenden Kanäle mit einem anderen Anschluss
verbunden. Die Durchgangskanäle
werden somit auf zwei Gruppen aufgeteilt, nämlich eine Gruppe, die an einen
Anschluss angeschlossen ist und eine andere Gruppe, die an einen
anderen Anschluss angeschlossen ist. Die eine Gruppe dient als Saugkanal
und führt
beispielsweise einem Kälte mittelkompressor
das Fluid zu während
die andere Gruppe als Druckkanal dient und das von dem Kältemittelkompressor
kommende komprimierte Fluid führt.
Sie bilden somit einen Druckkanal.
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Die
Kältemittelströmung ist
in den Kanälen relativ
schnell. Insbesondere im Druckkanal können infolge der herrschenden
Temperaturen und Drücke überkritische
Fluidzustände
erreicht werden, in denen das Fluid einen speziellen Aggregatzustand
einnimmt, der sich weder dem gasförmigen noch dem flüssigen Aggregatzustand
zuordnen lässt.
Insbesondere in diesem Fall, aber auch bei anderen Hochdruckanwendungen,
hat es sich als zweckmäßig herausgestellt,
wenn die Saugkanäle
insgesamt einen freien Strömungsquerschnitt
aufweisen, der deutlich größer ist
als der freie Strömungsquerschnitt
auf der Saugseite. Die Zahl der saugseitigen Durchgangskanäle ist vorzugsweise
etwa 1,2 bis 2 mal so groß,
vorzugsweise etwa 1,5 mal so groß wie die Zahl der druckseitigen
Kanäle.
Außerdem
sind die Querschnitte der druckseitigen Kanäle wesentlich geringer als
die Querschnitte der saugseitigen Kanäle. Vorzugsweise sind die saugseitigen
Durchgangskanäle
mit einem rechteckigen oder quadratischen Querschnitt versehen.
Sie weisen glatte, unverrippte Wandungen auf. Die druckseitigen
Durchgangskanäle
sind vorzugsweise rund (kreisrund, oval oder ähnlich), wobei die kreisrunde
Form bevorzugt wird. Die Wandungen sind ebenfalls vorzugsweise glatt,
d.h. ohne Rippen oder sonstige Vorsprünge ausgebildet.
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Der
Wärmetauscherkörper weist
vorzugsweise ein sich in Längsrichtung
nicht änderndes,
d.h. konstantes Querschnittsprofil auf. Vorzugsweise ist er als
Strangpressprofil, beispielsweise als Aluminiumstrangpressprofil,
ausgebildet. Er kann dabei einstückig
ausgebildet sein. Dies ergibt eine einfache, kostengünstige Herstellung.
Er kann jedoch auch zweistückig
ausgebildet sein, wobei beide Teilkörper aus dem gleichen oder
aus unterschiedlichen Materialien aufgebaut sein können.
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Von
einem als Aluminiumstrangpressprofil ausgebildeten Wärmetauscherkörper können in
den Anschlussbereichen äußere Teile
des Körpers
entfernt werden, so dass eine lediglich die inneren Durchgangskanäle enthaltende,
im Querschnitt z.B. rechteckige Zunge oder ein sonstiger Anschlussfortsatz
ausgebildet ist. Diese kann einen in dem Anschlussstück vorgesehenen
schlitzartigen Durchgang durchragen und in diesem abgedichtet gefasst sein.
Auf diese Weise können
mit einem besonders einfachen Anschlussstück die äußeren und die inneren Durchgangskanäle des Wärmetauscherkörpers an
unterschiedliche Anschluss gelegt werden. Außerdem ist es aufgrund der
flächigen
Verbindung zwischen den Flanken des Anschlussfortsatzes und der Schlitzwandung
möglich,
eine zugfeste Verbindung durch Kleben oder Löten oder auch durch anderweitige
Verbindungstechniken zu erreichen, die den mechanischen Beanspruchungen
in dem Motorraum eines Kraftfahrzeugs Stand hält.
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Weitere
Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung oder
aus Ansprüchen. In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele
der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
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1 die
Wärmetauschereinheit
und deren Anschluss an einen Kompressor in schematisierter Darstellung,
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2 die
Wärmetauschereinheit
nach 1 in einer skizzenhaften Perspektivdarstellung,
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3 die
Wärmetauschereinheit
nach 2 in teilweise aufgeschnittener, ausschnittsweiser
Darstellung,
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4 das
Anschlussstück
des Wärmetauschers
nach 2 und 3 in aufgeschnittener Perspektivdarstellung
und
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5 bis 7 Wärmetauscherkörper in unterschiedlichen
Ausführungsformen
für den
Wärmetauscher
nach 2, jeweils in Perspektivdarstellung.
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In 1 ist
ein Ausschnitt einer Kältemaschine 1 veranschaulicht,
die z.B. zu der Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs gehört. Wesentlicher
Bestandteil der Kältemaschine 1 ist
ihr Kältemittelkompressor 2, dem
ein Wärmetauscher 3 vorgeschaltet
ist. Wegen seiner unmittelbaren Nachbarschaft zu dem Kältemittelkompressor 2 wird
er auch als „innerer
Wärmetauscher" bezeichnet. Seine
Funktion besteht lediglich in der Anwärmung des dem Kältemittelkompressor 2 saugseitig
zufließenden
Kältemittels
unter Ausnutzung der Wärme
des den Kältemittelkompressor 2 verlassenden
Kältemittels.
Er wird vorzugsweise im Gegenstrom durchströmt.
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2 veranschaulicht
den Wärmetauscher 3 gesondert,
der im Wesentlichen durch einen endseitig in Anschlussstücken 4, 5 gefassten
Wärmetauscherkörper 6 gebildet
wird. Der Wärmetauscher 3 ist insgesamt
besonders robust und druckfest ausgebildet. Außerdem weist er ein besonders
geringes Bauvolumen auf. Zur Erläuterung
seines Aufbaus wird auf die 3, 4 und 5 verwiesen.
Der in 5 gesondert und im Querschnitt veranschaulichte
Wärmetauscherkörper 6 ist
hier ein einteiliger Körper
mit rechteckigem Querschnitt. Er ist sowohl an seinen beiden Flachseiten 7, 8 als
auch an seinen Schmalseiten 9, 11 jeweils eben
ausgebildet. Beispielsweise kann er durch ein Aluminiumstrangpressprofil
oder ein anderes im Strangguss- oder Strangpressverfahren hergestelltes
Profil gebildet sein. Vorzugsweise besteht er aus Metall, wie Aluminium
oder einer Aluminiumlegierung.
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Der
Wärmetauscherkörper 6 wird
von in drei Reihen 12, 13, 14 angeordneten
Durchgangskanälen 15, 16, 17 durchsetzt.
Beispielsweise sind die Durchgangskanäle 15, 17,
die den Flachseiten 7, 8 jeweils am nächsten liegen,
quadratisch oder rechteckig ausgebildet. Sie weisen vorzugsweise
miteinander übereinstimmende
Querschnitte auf und sind unterein ander durch Zwischenwände 18, 19 getrennt,
deren Dicke geringer ist als eine die Kanäle 15, 17 jeweils von
den Flachseiten 7, 8 und den Schmalseiten 9, 11 trennende
Außenwände 21, 22, 23, 24.
Etwa mittig wird das Profil von einem breiten, parallel zu den Flachseiten 7, 8 angeordneten
Steg 25 durchsetzt, der die Reihe 13 mit den Durchgangskanälen 16 enthält. Die
Breite des Stegs 25 (gemessen senkrecht zu den Flachseiten 7, 8)
stimmt etwa mit der in gleicher Richtung gemessenen Breite der Durchgangskanäle 12, 14 überein.
Die in dem Steg 25 vorzugsweise mittig in einer geraden
Reihe angeordneten Durchgangskanäle 13 sind
vorzugsweise rund ausgebildet.
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Wie 3 veranschaulicht,
ist von dem Wärmetauscherkörper 6 an
seinem von dem Anschlussstück 5 gefassten
Ende 26 ein äußerer Abschnitt
entfernt, wobei der Steg 25 stehen geblieben ist. Auf diese
Weise wird ein Fortsatz 27 in Form einer rechteckigen Zunge
ausgebildet, die außen
eine zu den Flachseiten 7, 8 parallele Flachseite
aufweist. Z.B. kann diese Geometrie erzielt werden, indem von einem
abgelängten
Stück Aluminiumstrangpressprofil mit
dem Querschnitt gemäß 5 ein äußerer Teil abgefräst wird,
der die Außenwände 21, 23 und
die Zwischenwände 18, 19 umfasst.
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Das
zugehörige
Anschlussstück 4 oder 5 ist in 4 gesondert
veranschaulicht. Es ist beispielsweise als einstückiger Körper ausgebildet, der einen Rohrfortsatz 28 mit
rechteckiger Innenkontur zur Aufnahme des Wärmetauscherkörpers 6 aufweist.
Zu der rechteckigen Innenkontur gehört beispielsweise eine Flachseite 29,
an der die Flachseite 8 des Wärmetauscherkörpers 6 ihre
Anlage findet. Der Querschnitt der von der Flachseite 29 sowie
den sonstigen begrenzenden Seiten definierten Einführöffnung 31 stimmt
soweit mit dem Querschnitt des Außenumfangs des Wärmetauscherkörpers 6 überein,
dass sich dieser mit geringem Spiel oder unter geringer Vorspannung
in den Rohrfortsatz 28 einführen lässt.
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An
die Einführöffnung 31 schließt sich
ein etwa zylindrischer Verteilerraum 32 an, der parallel zu
einem ebenfalls zylindrischen Verteilerraum 33 angeordnet
ist. Die Verteilerräume 32, 33 sind
untereinander durch einen schlitzartigen Durchgang 34 verbunden,
der, wie 3 zeigt, zur Aufnahme des Fortsatzes 27 vorgesehen
ist. Entsprechend stimmt sein Querschnitt mit dem Querschnitt des
Außenumfangs
des Fortsatzes 27 überein.
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In
axialer Verlängerung
der Verteilerräume 32, 33 schließt sich
an diese jeweils ein Anschlussbereich 36, 37 an,
der zur Verbindung mit einer äußeren Leitung
eingerichtet ist. Diese kann mittels einer Schraubverbindung, einer
Klemmverbindung oder durch anderweitige Verbindungsmaßnahmen,
wie Anschweißen,
Anlöten,
Einkleben usw. in einem Kopf 38 befestigt werden, der die
Anschlussbereiche 36, 37 umgibt. Das Anschlussstück 4, 5 besteht
vorzugsweise aus einem Metall oder einem druckfesten Kunststoff,
der sich mit dem Wärmetauscherkörper 6 stoffschlüssig verbinden
lässt.
Dabei muss nicht nur eine fluiddichte Verbindung zwischen dem Wärmetauscherkörper 6 und
der Wandung der Einführöffnung 31 sondern
auch eine fluiddichte Verbindung zwischen dem Fortsatz 27 und
der Wandung des Durchgangs 34 erzeugt werden. Dazu kann
das Anschlussstück 4, 5 mit
ein oder mehreren Füllöffnungen 39 versehen
sein, die z.B. eine Planfläche 40 des Durchgangs 34 durchsetzen
und durch die ein Lot oder ein Klebstoff in den jeweiligen Spalt
zwischen dem Wärmetauscherkörper 6 bzw.
dem Fortsatz 27 und den jeweiligen Flächen der Einführöffnung 31 und/oder
des Durchgangs 34 einzufüllen, beispielsweise einzuspritzen,
ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist die Füllöffnung 39 in
Form eines einzigen Schlitzes in dem Anschlussstück 5 so angeordnet,
dass sie in dem Durchgang 34 mündet. Es ist auch möglich, die
Füllöffnung hier
mit einer Nut zu verbinden, die den Durchgang 34 und somit
auch den Fortsatz 27 wie ein Ring umgreift und den eingefüllten Klebstoff
somit wie einen Ring um den Fortsatz 27 legt. In 4 ist
dies schematisch angedeutet. Ein oder mehrere ähnliche Nuten können die
Einführöffnung 31 umgeben
und nach dem Einführen
des Wärmetauscherkörpers 6 von
außen
her durch Injektionsöffnungen
mit Klebstoff gefüllt
werden.
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Bei
der vorstehenden Beschreibung ist davon ausgegangen worden, dass
die Anschlussstücke 4, 5 einstückig ausgebildet
sind. Bedarfsweise können
sie jedoch auch zwei- oder mehrteilig ausgebildet sein. Beispielsweise
kann die in den 3 und 4 schraffierte
Schnittfläche
durch eine Trennfuge ersetzt sein, die die Anschlussstücke 4, 5 längs durchtrennt.
Die Trennfuge kann bei der Montage je nach Materialwahl durch einen
Klebstoff oder ein Lot geschlossen werden und eine fluiddichte,
mechanisch feste Verbindung zwischen den Teilen des Anschlussstücks 4, 5 und
dem Wärmetauscherkörper 6 herstellen.
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Der
insoweit beschriebene Wärmetauscher 3 arbeitet
wie folgt:
Es wird auf 3 verwiesen,
in der das kompressorseitige Anschlussstück 5 veranschaulicht
ist. Das von dem Kältemittelkompressor 2 geförderte Kältemittel gelangt
durch den Anschlussbereich 37 in verdichteter Form in den
Verteilerraum 33, dessen freier Strömungsquerschnitt wesentlich
größer ist
als der freie Strömungsquerschnitt
aller Durchgangskanäle 16, die
hier münden,
zusammen genommen. Das komprimierte Wärmeträgerfluid teilt sich deshalb
relativ gleichmäßig auf
alle Durchgangskanäle 16 auf
und durchströmt
diese in Längsrichtung.
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Gleichzeitig
liefern die in den Verteilerraum 32 mündenden Durchgangskanäle 12, 14 (5) Wärmeträgerfluid
in den Verteilerraum 32, der hier als Sammelraum wirkt.
Das Kältemittelfluid
der Durchgangskanäle 15, 17 strömt somit
im Gegenstrom zu dem Kältemittelfluid
in den Durchgangskanälen 16.
unter Abkühlung
des in den Durchgangskanälen 16 fließenden Wärmeträgerfluids
erwärmt
sich das in den Durchgangskanälen 15, 17 fließende und dem
Kältemittelkompressor 2 zuströmende Kältemittel
etwas, wodurch es aus seinem Nassdampfbereich heraus geführt und
dadurch von Flüssigkeitströpfchen befreit
wird.
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Die
so erreichte „Trocknung", d.h. die Erwärmung des
Kältemittels über seinen
Nassdampfpunkt hinaus, ist durch die Aufteilung des Zuströmkanals auf
sehr viele Durchgangskanäle
mit geringem Einzelquerschnitt sehr wirksam. Es wird eine Aufteilung auf
mehr als zehn, vorzugsweise mehr als 20, Durchgangskanäle 15, 17 bevorzugt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
sind 48 Durchgangskanäle
vorhanden. Dadurch kann mit einer geringen Erwärmung des zuströmenden Wärmeträgerfluids
ausgekommen werden. Dank der großen inneren Oberfläche des
Wärmetauschers
bleiben flüssige
Kältemittelpartikel
an der Wandung der Durchgangskanäle 15, 17 hängen und
verdampfen dort.
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In 6 ist
ein abgewandeltes Profil des Wärmetauscherkörpers 6 veranschaulicht.
Es unterscheidet sich von den gemäß 5 durch
zusätzliche,
an den Schmalseiten 9, 11 vorgesehene kreisabschnittsförmige Kanäle 41, 42,
die insgesamt zu einem ovalen Querschnitt des Außenumrisses des Wärmetauscherkörpers 6 führen. Der
Vorzug dieser Aus führungsform
liegt in dem Wegfall scharfer Kanten zwischen den Flachseiten 7, 8 und
den Schmalseiten 9, 11, was einerseits die Herstellung
der Kontur der Einführöffnung 31 und
andererseits deren Abdichtung erleichtert.
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Unter
Beibehaltung der Außenkontur
gemäß 6 oder
auch ausgehend von der Außenkontur gemäß 5 kann
der Wärmetauscherkörper 6,
wie 7 veranschaulicht, zweiteilig ausgebildet sein. Beispielsweise
kann der Steg 25 als gesondertes Teil 43 gefertigt
sein, das in ein Teil 44 eingeschoben ist. Letzteres umfasst
lediglich die Außenwände 21, 22, 23, 24 sowie
die Zwischenwände 18, 19.
Zwischen beiden Teilen 43, 44 kann ein geringes
Spiel vorhanden sein, um das Einschieben des Teils 43 in
das Teil 44 zu erleichtern. Es ist jedoch auch möglich, hier
einen Presssitz vorzusehen, um den Wärmeübergang zwischen dem Teil 43 und
den Zwischenwänden 18, 19 zu
erleichtern. Die Zwischenwände 18, 19 können alternativ
auch an das Teil 43 ungeformt sein. Während die erst genannte Variante
den Vorteil für
sich hat, dass beim Anschluss der Anschlussstücke 4, 5 keine
mechanische Bearbeitung des Teils 43 erforderlich ist,
hat die zweite Variante den Vorteil für sich, dass der Wärmeübergang
zwischen dem Teil 43 und den Zwischenwänden 18, 19 verbessert
ist.
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Ein
Wärmetauscher 3,
der insbesondere für die
Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs oder auch andere Hochdruckanwendungen
geeignet ist, weist einen Wärmetauscherkörper 6 in
Form eines Hohlprofilkörpers
auf, der mehrere in Reihen angeordnete, zueinander parallele Durchgangskanäle 15, 16, 17 aufweist.
die Durchgangskanäle
sind jeweils reihenweise angeordnet, so dass durch Entfernen von
Partien des Wärmetauscherkörpers 6 die
Mündungen der
Durchgangskanäle 15, 17 gegen
die Mündungen der
Durchgangskanäle 16 axial
versetzt werden können.
Dies schafft die Voraussetzung für
ein geometrisch einfaches und strömungsgünstiges Anschlussstück, das
die Mündungen
der Durchgangskanäle 15, 17 auf
eine Sammelkammer und die Mündungen der
Durchgangskanäle 16 auf
eine andere Sammelkammer zusammenfasst.