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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Austausch
von Wärme,
insbesondere für
ein Kraftfahrzeug.
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Aus
dem Stand der Technik sind Wärmetauscher
bekannt, welche eine Vielzahl von Durchflusseinrichtungen aufweisen,
welche im wesentlichen in zwei verschiedenen Ebenen angeordnet sind.
Dabei fließt
ein Kältemittel
abschnittsweise durch einzelne Gruppen von Durchflußeinrichtungen.
Da sich die Temperatur des Kältemittels
während
des Durchlaufs durch den Wärmetauscher
stark verändert
und daher das Kältemittel
in einzelnen Durchflußeinrichtungen stark
unterschiedliche Temperaturen aufweisen kann, ist eine thermische
Trennung der beiden Ebenen der Durchflußeinrichtungen nötig. Diese
thermische Trennung wird im Stand der Technik beispielsweise durch
einen relativ großen
Abstand zwischen den beiden Ebenen bewältigt.
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Ferner
wird durch die thermische Trennung zusätzlicher Bauraum in der Tiefe
des Wärmetauschers
benötigt,
wodurch auch zusätzliche
Kosten verursacht werden.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den für einen
Wärmetauscher
benötigten Bauraum
zu verringern. Dies wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch
1 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Austausch von Wärme, insbesondere
für ein
Kraftfahrzeug mit wenigstens einer Zuführung und wenigstens einer
Ableitung für
ein flüssiges
und/oder gasförmiges
Kältemittel,
einer Vielzahl von Durchflußeinrichtungen,
wobei wenigstens ein erster Anteil dieser Vielzahl von Durchflußeinrichtung
in einer ersten Ebene, und ein zweiter Anteil dieser Vielzahl von Durchflußeinrichtungen
in einer zweiten, zu der ersten Ebene im wesentlichen parallelen
Ebene angeordnet ist.
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Daneben
ist wenigstens eine erste und eine zweite Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung
vorgesehen, wobei die erste und die zweite Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung
an den Endabschnitten der einzelnen Durchflußeinrichtungen angeordnet ist.
Dabei fließt
das Kältemittel
in wenigstens einem ersten Längsabschnitt
der Vorrichtung im wesentlichen (parallel) gleichzeitig durch im
wesentlichen alle in diesem Längsabschnitt
befindlichen Durchflußeinrichtungen.
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Unter
Durchflußeinrichtungen
werden Einrichtungen verstanden, welche ein insbesondere flüssiges und/oder
gasförmiges
Kältemittel
hindurchfließen
kann.
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Unter
dem Begriff in einer Ebene angeordnet wird verstanden, dass die
Durchflußeinrichtungen zwar
Ausdehnungen in eine zu dieser Ebene senkrecht stehenden Richtung
haben können,
jedoch im wesentlichen mit ihrer kompletten Längsausdehnung in der betreffenden
Ebene liegen.
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Bei
einer Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung handelt es sich um
solche Einrichtungen, mittels derer ein aus den Durchflußeinrichtungen austretendes
Kältemittel
gesammelt werden und/oder auf bevorzugt mehrere Durchflußeinrichtungen
verteilt werden kann.
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Unter
einem Längsabschnitt
der Vorrichtung wird ein geometrischer in Längsrichtung der Sammel- und/oder
Verteilungseinrichtungen gebildeter Abschnitt verstanden, unter
Einbeziehung der in diesem Abschnitt befindlichen Durchflußeinrichtungen.
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Unter
im wesentlichen gleichzeitig wird verstanden, dass zu einem vorgegebenen
Zeitpunkt im wesentlichen ein Bereich jeder der in dem Längsabschnitt
befindlichen Durchflußeinrichtungen
von dem Kältemittel
durchströmt
wird, wobei das Kältemittel dabei
im wesentliche konstante thermodynamische Eigenschaften aufweist.
Anders ausgedrückt,
werden die sich in dem betreffenden Längsabschnitt befindenden Durchflußeinrichtungen
parallel geschaltet.
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Umgekehrt
würde ein
nicht gleichzeitiges Durchströmen
zweier Abschnitte bedeuten, dass zuerst ein erster und dann ein
zweiter Abschnitt der Vorrichtung von dem Kältemittel durchströmt werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist der erste Längsabschnitt
der erste in Strömungsrichtung
des Kältemittels
von diesem durchflossene Abschnitt. Dies bedeutet, dass es sich
bei dem ersten Längsabschnitt
bzw. den diesem Längsabschnitt
zugeordneten Durchflußeinrichtungen
um diejenigen Durchflußeinrichtungen
handelt, die, nachdem das Kältemittel
durch die Zuführung
in die Vorrichtung gelangt ist, als erste von dem Kältemittel durchströmt werden.
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Während des
Verlaufs des Kältemittels
durch die Vorrichtung zum Austausch von Wärme, weist dieses insbesondere
nach dem Eintritt durch die Zuführung
einen starken Temperaturgradienten auf. Da gerade in diesem Abschnitt
jedoch sämtliche
Durchflußeinrichtungen
im wesentlichen gleichzeitig durchströmt werden, treten zwischen
den einzelnen Durchflußeinrichtungen
nur geringfügige
Temperaturunterschiede auf, so daß diese Durchflußeinrichtungen nicht
voneinander thermisch getrennt werden müssen.
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Im
Stand der Technik werden die in dem ersten Längsabschnitt befindlichen Durchflußeinrichtungen
zeitlich hintereinander durchströmt,
bzw. in Reihe geschaltet, so daß zwangsläufig erhebliche
Temperaturunterschiede in den einzelnen Durchflußeinrichtungen auftreten, wodurch
eine thermische Trennung nötig
wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist wenigstens eine Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung einen
Abschnitt auf, innerhalb dessen die Flußrichtung des Kältemittels
eine Komponente in einer senkrecht auf der Längsrichtung der Sammel- und/oder
Verteilungseinrichtung stehenden Komponente aufweist. Dies bedeutet,
daß das
Kältemittel
in wenigstens einem Abschnitt nicht nur in Längsrichtung der Sammel- und/oder
Verteilungseinrichtung fließt,
sondern auch in einer zu diesen Richtungen senkrechten Richtung.
Dabei ist dieser Abschnitt nicht nur im Bereich Zuführung und/oder
der Ableitung für
das Kältemittel
vorgesehen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind mehrere erste und/oder mehrere zweite Sammel-und/oder Verteilungseinrichtungen
vorgesehen. Dabei sind an den oberen und unteren Endabschnitten
der in den wenigstens zwei Ebenen angeordneten Durchflußeinrichtungen
je zwei Verteilungs- und/oder Sammeleinrichtungen vorgesehen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist im wesentlichen jede Durchflußeinrichtung entweder in der
ersten Ebene oder in der zweiten Ebene angeordnet. Ferner können die
Durchflußeinrichtungen
auch in mehreren als zwei Ebenen angeordnet werden.
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Bevorzugt
weisen wenigstens zwei Durchflußeinrichtungen
einen unterschiedlichen Strömungsquerschnitt
auf. Das Kältemittel
fließt,
wie oben ausgeführt,
in wenigstens einem ersten Abschnitt der Vorrichtung im wesentlichen
gleichzeitig durch im wesentlichen alle in diesem Längsabschnitt befindlichen
Durchflußeinrichtungen
das Kältemittel. Daher
können
in diesem Bereich anstelle von Durchflußeinrichtungen, die jeweils
paarweise in zwei Ebenen angeordnet sind, auch eine Durchflußeinrichtung vorgesehen
sein, welche bevorzugt eine vergrößerte Breite aufweist. Dabei
ragt in diesem ersten Längsabschnitt
der Vorrichtung wenigstens eine Durchflußeinrichtung zumindest teilweise
sowohl in die erste, als auch in die zweite Ebene. Bevorzugt werden
dabei zwei Strömungseinrichtungen
in unterschiedlichen Ebe nen, welche einander gegenüberstehen,
zu einer Durchflußeinrichtung
zusammengefaßt.
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Dabei
weisen bei diesen Ausführungsformen die
Strömungseinrichtungen,
welche in dem ersten Längsabschnitt
angeordnet sind, im wesentlichen den doppelten Strömungsquerschnitt
verglichen mit dem der übrigen
Durchflußeinrichtungen
auf. Unter im wesentlichen dem doppelten Strömungsquerschnitt wird verstanden,
dass der Strömungsquerschnitt
dieser Durchflußeinrichtungen
einen Faktor von 1,5 bis 3 größer ist
als der der anderen Strömungseinrichtungen,
besonders bevorzugt um einen Faktor von 1,7 bis 2,5, und besonders
bevorzugt von 1,8 bis 2,3.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist wenigstens eine Sammel- und/oder
Verteilungseinrichtung wenigstens abschnittsweise in wenigstens
einem ersten und einem zweiten Sammel- und/oder Verteilungsbereich
unterteilt, wobei in den ersten Sammel- und/oder Verteilungsbereich
die Endabschnitte des ersten Anteils der Durchflusseinrichtungen
und in den zweiten Sammel- und/oder Verteilungsbereich die Endabschnitte
des zweiten Anteils der Vielzahl von Durchflusseinrichtungen münden. In diesem
Fall weist die Vorrichtung nur zwei Sammel- und/oder Verteilungseinrichtungen
auf, welche jedoch wenigstens teilweise durch eine in Längsrichtung
der Sammel- und Verteilungseinrichtung verlaufende Trennwand voneinander
abgetrennt sind.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist zwischen dem ersten und dem zweiten Verteilungsbereich wenigstens
eine Strömungsverbindung
vorgesehen, durch welche das Kältemittel
fließen
kann. Auf diese Weise wird erreicht, dass das Kältemittel von den Durchflusseinrichtungen,
die in einer Ebene angeordnet sind, auch in Durchflusseinrichtungen, die
in der anderen Ebene angeordnet sind, gelangen kann.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist wenigstens eine Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung wenigstens
eine Trenneinrichtung auf, welche ein Fließen des Kältemittels in Längsrichtung
im wesentlichen verhindert. Durch diese Trenneinrichtung wird verhindert,
dass das Käl temittel
nach dem Eintritt in die Vorrichtung eine Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung
im wesentlichen entlang ihrer gesamten Länge sofort durchströmen kann.
Vielmehr wird das Kältemittel
abschnittsweise durch einzelne Bereiche der Durchflußeinrichtungen
geführt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weisen die Durchflußeinrichtungen
einen im wesentlichen flachrohrartigen Querschnitt auf. Unter im wesentlichen
flachrohrartig wird verstanden, dass im Querschnitt betrachtet,
die Ausdehnung in einer Richtung wesentlich größer ist, als die Ausdehnung in
einer zu dieser Richtung senkrecht stehenden Richtung. Unter flachrohrartig
würde daher
beispielsweise ein rechteckförmiger
Querschnitt verstanden, bei welchem die Längsseiten wesentlich länger sind als
die Querseiten. Bevorzugt ist der Querschnitt der Durchflußeinrichtung
aus einer Gruppe von Querschnitten ausgewählt, welche rechteckförmige, elipsenförmige Mischformen
sowie Mischformen aus derartigen Querschnitten aufweist. In einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
weisen die Durchflußeinrichtungen
zwei oder mehrere Strömungskanäle für das Kältemittel
auf.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind in Längsrichtung
zwischen den einzelnen Durchflußeinrichtungen
turbolenzerhöhende
Einrichtungen vorgesehen, wie beispielsweise Kühlrippen und dergleichen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist wenigstens eine Durchflußeinrichtung
vorgesehen, die mit wenigstens je einem Abschnitt im wesentlichen
aller Sammel- und Verteilungseinrichtung in Strömungsverbindung steht. Bevorzugt
ist diese Durchflußeinrichtung
im ersten Längsabschnitt
der Vorrichtung angeordnet, das heißt in dem Bereich, in dem das
Kältemittel
im wesentlichen gleichzeitig durch alle Strömungseinrichtung fließt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist wenigstens eine Durchflußeinrichtung
vorgesehen, welche mit lediglich je einem Abschnitt zweier Sammel-
und/oder Verteilungseinrichtungen in Strömungsverbindung steht.
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Weitere
Vorteile und Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den beiliegenden Zeichnungen.
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Darin
zeigen:
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1 eine
Vorrichtung zum Austausch von Wärme
gemäß dem Stand
der Technik;
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2 die
Kältemittelführung in
einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3 die
Kältemittelführung in
einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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4 die
Kältemittelführung in
einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und;
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5 die
Kältemittelführung in
einer vierten Ausführungsform
der Erfindung.
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1 zeigt
eine Vorrichtung zum Austausch von Wärme nach dem Stand der Technik.
Die Vorrichtung weist eine Zuführung 1 und
eine Ableitung 2 für
das Kältemittel
auf. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine erste Sammel- und Verteilungseinrichtung
und Bezugszeichen 6 eine zweite Sammel- und Verteilungseinrichtung.
Auch am unteren Ende der Vorrichtung zum Austausch von Wärme sind
zwei Sammel- und Verteilungseinrichtungen 8 und 9 vorgesehen.
Die Bezugszeichen 7, 7' und 7'' bezieht sich
auf Durchflusseinrichtungen, durch welche das Kältemittel fließen kann.
Das Bezugszeichen 10 kennzeichnet zwischen zwei einzelnen
Durchflusseinrichtungen angeordnete Kühlrippen.
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Bei
der Vorrichtung gemäß dem Stand
der Technik fließt
das Kältemittel
zunächst
durch die Zuführung 1 in
die Sammel- und/oder Verteilungseinrich- tung 5, bzw. den
Abschnitt 5a der Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung 5.
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Im
Inneren der Sammel- und Verteileinrichtung 5 gelangt das
Kältemittel
bis zu einer Trennwand, die in etwa auf Höhe der Verbindungseinrichtung
im Inneren der Sammel- und Verteileinrichtung 5 angeordnet
ist. Von dort aus fließt
das Kältemittel nach
unten in die Sammel- und Verteilungseinrichtung 8, welche
nur teilweise gezeigt ist.
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Innerhalb
der Sammel- und Verteilungseinrichtung 8 kann sich das
Kältemittel über deren
gesamte Längsausdehnung
verteilen und gelangt über die
Durchflusseinrichtungen 7 wieder nach oben in denjenigen
Bereich der Sammel- und Verteilungseinrichtung 5, die links
in der Strömungsverbindung 13 angeordnet
ist. Durch die Strömungsverbindung 13 fließt das Kältemittel
in die Sammel- und Verteileinrichtung 6, welche ebenfalls
auf Höhe
der Strömungsverbindung 13,
genauer gesagt in der Zeichnung links von der Strömungsverbindung 13 eine weitere
Trenneinrichtung aufweist, die auch diese Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung
in zwei Abschnitte 6a und 6b aufteilt. Im Abschnitt 6b der
Sammel- und Verteileinrichtung 6 gelangt das Kältemittel durch
(nicht gezeigte) Durchflusseinrichtungen 7 in Sammel- und
Verteilungseinrichtung 9, und von dort wieder nach oben
in den Abschnitt 6b der Sammel- und Verteilungseinrichtung 6.
Von hier gelangt das Kältemittel
schließlich über die
Ableitung 2 aus der Vorrichtung. Zwischen den Durchflusseinrichtungen 7 und
den weiteren, hinter diesen (nicht gezeigten) Durchflusseinrichtungen
ist, da die einzelnen Durchflusseinrichtungen abschnittsweise hintereinander durchströmt werden,
eine thermische Trennung nötig.
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2 zeigt
die Kältemittelführungen
in einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung zum Austausch von Wärme besteht aus
einem mindestens zweireihigen System (das heißt in wenigstens zwei hintereinander
liegenden Rohren, welche die Bautiefe bilden). Das Medium bzw. das
Kältemittel
tritt in die Vorrichtung im Bereich 1 und 2 ein, wobei beide Bereiche
in Strömungsverbindung
stehen. Nach der im wesentlichen gleichzeitigen Durchströmung der
Flachrohre 21a und 21b strömt das Medium in die Bereiche
3 und 4, welche ebenfalls miteinander in Strömungsverbindung stehen. Aus
diesen beiden Bereichen ist ein Weiterströmen des Mediums nur in dem
Bereich 5 möglich.
Zu diesem Zweck ist zwischen dem Bereich 3 und dem Bereich 8 eine
Trenneinrichtung, wie beispielsweise eine Trennwand (nicht dargestellt)
vorgesehen, die ein Fließen
des Medium in Längsrichtung
verhindert. In dieser Ausführungsform
wird im weiteren Verlauf des Strömungsmittels
die Vorrichtung nur noch einreihig durchströmt.
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Zunächst fließt das Strömungsmittel
vom Bereich 5 über
die Durchflussein- richtungen 23 in den Bereich 6 und von
dort durch eine Strömungsverbindung 24 in
den Bereich 7. Von dort fließt
das Strömungsmittel über die
Durchflusseinrichtungen 25 in den Bereich 8.
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Von
dem Bereich 8 wird das Kältemittel
diagonal in den Bereich 9 weitergeleitet, wobei unter diagonal hier
zu verstehen ist, dass die Strömungsrichtung
des Kältemittels
sowohl eine Komponente in Längsrichtung
der Durchflusseinrichtung 11 als auch in einer senkrecht
dazu liegenden Richtung aufweist. Es ist jedoch auch nicht möglich, das
Kältemittel
derart von dem Bereich 8 in den Bereich 9 zu überführen, daß dessen Strömungsrichtung
in dem Verbindungsbereich 26 im wesentlichen senkrecht
zu der Längsrichtung
der Sammel- und/oder Verteilungseinrichtungen verläuft.
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Von
einem Bereich 9 aus strömt
das Medium, das heißt
das Kältemittel über Durchflusseinrichtungen 27 in
den Bereich 10 und von dort über
eine Strömungsverbindung
in den Bereich 11 und werden über
die Durchflusseinrichtungen 29 in den Bereich 12, wovon
es über
die Ableitung 30 aus der Vorrichtung abfließt.
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3 zeigt
die Kältemittelführung in
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Wie im Falle von 2 gelangt
das Kältemittel zunächst im
wesentlichen gleichzeitig in die Bereiche 1 und 2 und von dort über die
Durchflusseinrichtungen 21a und 21b in die Bereiche
3 und 4. Von dort aus gelangt das Kältemittel, wie im Falle des
Ausführungsbeispiels
von 2 zunächst
in den Bereich 5 und dann in die Bereiche 6, 7 und 8. Im Gegensatz
zu der Ausführungsform
von 2 ist die Vorrichtung in der in 3 gezeigten
Ausführungsform
in vier Abschnitte unterteilt, wobei sich ein dritter Abschnitt
im wesentlichen analog dem zweiten Abschnitt an diesem zweiten Abschnitt
anschließt.
Das Kältemittel fließt über eine
Strömungsver bindung 26 in
den Bereich 9, und von dort über
die Durchflusseinrichtungen 28 in den Durchströmbereich 10,
und von dort über
eine Strömungsverbindung 29 in
den Bereich 11.
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Von
dort gelangt das Kältemittel über die Durchflusseinrichtungen 30 in
den Bereich 12, und von dort führt
eine diagonale Strömungsverbindung 31 in
den Bereich 13. In dem Bereich 13 gelangt das Kältemittel über eine weitere Kältemittelführung 32 in den
Bereich 14 und von dort im wesentlichen gleichzeitig über die
Durchflusseinrichtungen 33a und 33b in die Bereiche
15 und 16, von wo aus es über
die Ableitung 34 abfließen kann.
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4 zeigt
die Kältemittelführung in
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
Dabei gelangt, wie in den vorangegangenen Ausführungsbeispielen, das Kältemittel über die
Zuführung
in die Bereiche 1 und 2, und von dort über die Durchflusseinrichtungen 21a und 21b in
die Bereiche 3 und 4.
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Vom
Bereich 4 aus fließt
das Kältemittel
in den Bereich 5 und über
eine Strömungsverbindung 22b in
den Bereich 6.
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Anschließend fließt das Kältemittel
im wesentlichen gleichzeitig durch die Durchflusseinrichtungen 23a und 23b in
die Bereiche 7 und 8. Vom Bereich 8 aus fließt das Kältemittel in den Bereich 9,
und von dort über
Durchflusseinrichtungen 26 in den Bereich 10.
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Vom
Bereich 10 aus fließt
das Kältemittel über eine
Strömungsverbindung 27 in
den Bereich 11, und von dort über
Durchflusseinrichtungen 28 in den Bereich 12. Vom Bereich
12 aus fließt
das Kältemittel
in den Bereich 13, und dort über
die Durchflusseinrichtungen 30 in den Bereich 14, und dann über die
Strömungsverbindung 31 in
die Durchflusseinrichtungen 32 in den Bereich 16 und von
dort aus der Vorrichtung über
die Ableitung 33 ab.
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5 zeigt
die Kältemittelführung in
einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Die Kältemittelführung bis
zu dem Bereich 5 entspricht den oben genannten Ausführungsformen.
Im Unterschied zu den oben genannten Ausführungsformen gelangt das Kältemittel
nun über
die Durch flusseinrichtungen 23 in die Bereiche 6 und 7,
und von dort über
die Durchflusseinrichtungen 24 in den Bereich 8, und von
dort über
eine diagonale Strömungsverbindung 25 in
die Durchflusseinrichtungen 26, von dort in die Bereiche
10 und 11 und in die Durchflusseinrichtungen 27 und schließlich in
die Ableitung 28.
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Neben
den gezeigten Ausführungsformen sind
jedoch noch weitere Kältemittelführungen
möglich.
So können
beispielsweise mehrere Abschnitte hintereinander geschaltet werden,
in welchen das Kältemittel
im wesentlichen gleichzeitig durch die Durchflusseinrichtungen der
unterschiedlichen Ebenen fließen
kann. Allen Ausführungen
ist jedoch gemein, dass im ersten Abschnitt nach der Zuleitung das
Kältemittel
gleichzeitig durch die zueinander parallel angeordneten Durchflusseinrichtungen,
die in den Figuren jeweils mit den Buchstaben a und b gekennzeichnet
wurden, fließt.
Nach diesen ersten Abschnitten ist eine beliebige Führung des
Kältemittels möglich, wobei
auch, wie in 5 gezeigt ist, das Kältemittel
entlang der Längsrichtung
in die Sammel- und Verteilungseinrichtungen zurückfließen kann. Die Zuführung für das Kältemittel
kann auch an anderen Positionen der Vorrichtungen vorgesehen sein, wie
beispielsweise an den Bereichen 3 oder 4 oder an den übrigen Bereichen.
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Daneben
können
mehr oder weniger Abschnitte vorhanden sein, wie beispielsweise
4, 5 oder 6 Abschnitte. Diese weiteren Abschnitte können einreihig
oder auch zweireihig durchströmt
sein.