DE112018001417T5 - Evaporator of an air conditioning circuit, in particular for a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Ein Verdampfer (1) eines Klimakreislaufs enthält einen Tauscherkörper, einen oberen Kopf (2) mit einem Einlass für die flüssige Phase und einem Auslass für die gasförmige Phase und einen unteren Kopf (3), wobei der Tauscherkörper durch ein Bündel aus zwei Reihen von flachen Wärmeaustauschrohren (6) gebildet ist, die parallel und in Abständen zueinander angeordnet sind, wobei zwischen den flachen Rohren (6) Wärmeaustauschelemente (7) mit mehreren Rippen (11) angeordnet sind. Die Dicke (T) des Tauscherkörpers beträgt weniger als 38 mm, und der Abstand (TP) der Wärmeaustauschrohre zueinander beträgt stets 5,5 bis 9 mm. Der Abstand (FP) der Rippen der Wärmeaustauchelemente zueinander beträgt 1,3 bis 1,5 mm, und die Wärmeaustauschelemente (7) erstrecken sich auf beiden Seiten des Tauscherkörpers in Richtung der Dicke (T) des Verdampfers (1) geringfügig über die Enden der Wärmeaustauschrohre (6) hinaus.An air conditioning evaporator (1) includes an exchanger body, an upper head (2) with an inlet for the liquid phase and an outlet for the gaseous phase and a lower head (3), the exchanger body being formed by a bundle of two rows of flat ones Heat exchange tubes (6) is formed, which are arranged in parallel and at a distance from one another, heat exchange elements (7) having a plurality of fins (11) being arranged between the flat tubes (6). The thickness (T) of the exchanger body is less than 38 mm and the distance (TP) between the heat exchange tubes is always 5.5 to 9 mm. The distance (FP) of the fins of the heat exchange elements to each other is 1.3 to 1.5 mm, and the heat exchange elements (7) extend on both sides of the exchanger body in the direction of the thickness (T) of the evaporator (1) slightly over the ends of the Heat exchange tubes (6).
Description
TechnologiefeldTechnology field
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verdampfer eines Klimakreislaufs, insbesondere für Kraftfahrzeuge, für den Wärmeaustausch zwischen einem in einem Kreislauf mit dem Verdampfer zirkulierenden Kühlmittel und einem gekühlten Medium, meist Luft, das sich von außen durch einen Tauscherkörper bewegt. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Verdampfer eines Klimakreislaufs, der einen Tauscherkörper, einen oberen Kopf mit einem Einlass für die flüssige Phase und einem Auslass für die gasförmige Phase und einen unteren Kopf enthält, wobei der Tauscherkörper durch ein Bündel aus zwei Reihen von flachen Wärmeaustauschrohren gebildet ist, die parallel und in Abständen zueinander angeordnet sind, wobei Wärmeaustauschelemente zwischen diesen flachen Rohren angeordnet sind.The present invention relates to an evaporator of an air conditioning circuit, in particular for motor vehicles, for the heat exchange between a coolant circulating in a circuit with the evaporator and a cooled medium, usually air, which moves from the outside through an exchanger body. More particularly, the invention relates to an air conditioning evaporator that includes an exchanger body, an upper head with an inlet for the liquid phase and an outlet for the gaseous phase, and a lower head, the exchanger body being formed by a bundle of two rows of flat heat exchange tubes is formed, which are arranged in parallel and spaced from each other, heat exchange elements being arranged between these flat tubes.
Stand der TechnikState of the art
Verdampfer eines Klimakreislaufs für Kraftfahrzeuge nach dem Stand der Technik verwenden als Arbeitsmedium im Allgemeinen die Kühlmittel R134a oder R1234yf, deren Betriebsdruck von etwa 3 bar bis maximal 30 bar (in Extremsituationen) variiert.Evaporators of an air conditioning circuit for motor vehicles according to the prior art generally use the coolants R134a or R1234yf as the working medium, the operating pressure of which varies from approximately 3 bar to a maximum of 30 bar (in extreme situations).
Die EU-Richtlinie 2006/40/EG von 2017 schreibt den Einsatz von Kühlmitteln mit einem Treibhauspotenzial (GWP) > 150 (der Referenzwert ist GWP = 1, was dem von CO2 entspricht) in neuen Kraftfahrzeugklimaanlagen vor. Das Kühlmittel R134a mit einem Wert von GWP = 1430 ist daher nach dieser Richtlinie für den Einsatz in neuen Kraftfahrzeugklimaanlagen verboten. Das Kühlmittel R1234yf mit einem Wert von GWP = 4 entspricht der Gesetzgebung.The EU Directive 2006/40 / EC of 2017 prescribes the use of coolants with a global warming potential (GWP)> 150 (the reference value is GWP = 1, which corresponds to that of CO 2 ) in new automotive air conditioning systems. The coolant R134a with a value of GWP = 1430 is therefore prohibited under this directive for use in new automotive air conditioning systems. The coolant R1234yf with a value of GWP = 4 corresponds to the legislation.
Die bestehenden Kopfausführungen sind daher für Niederdruckmedien mit einer maximalen Druckfestigkeit von bis zu 30 bar(g) ausgelegt und nicht für den Einsatz in Hochdrucktauschern geeignet.The existing head versions are therefore designed for low pressure media with a maximum pressure resistance of up to 30 bar (g) and are not suitable for use in high pressure exchangers.
Die Verwendung von CO2 als Kühlmittel ist an sich nicht neu, da dies bereits Mitte des 19. Jahrhunderts begonnen und seinen Höhepunkt in den 1920er Jahren erreicht hat, wobei es von da an in den meisten Anwendungen schrittweise durch synthetische Kühlmittel (FCKW, FKW, HFO usw.) und durch Ammoniak (R717) ersetzt wurde, die bei wesentlich niedrigeren Drücken arbeiten.The use of CO 2 as a coolant is not new per se, since it started in the mid-19th century and reached its peak in the 1920s, and from then on it is gradually replaced by synthetic coolants (CFCs, CFCs, HFO etc.) and has been replaced by ammonia (R717) which operate at much lower pressures.
Insbesondere im Hinblick auf die aktuellen ökologischen und sicherheitstechnischen Anforderungen wurde versucht, das Kühlmittel R744 (CO2) wieder für die Verdampfer eines Klimakreislaufs, insbesondere für Kraftfahrzeuge, einzusetzen. Im Gegensatz zu den in letzter Zeit verwendeten synthetischen Kühlmitteln handelt es sich um einen Naturstoff, der zudem nicht zur Bildung eines Lochs in der Ozonschicht beiträgt, wenig Einfluss auf die globale Erwärmung hat und außerdem billig, leicht verfügbar, korrosionsfest, ungiftig und in üblichen Konzentrationen nicht brennbar ist. Mit einem Wert von GWP = 1 ist es aus Sicht der Gesetzgebung am besten geeignet. Allerdings ist der Druck im Verdampfer bei CO2 deutlich höher als bei den bisherigen Kühlmitteln.In particular with regard to the current ecological and safety requirements, attempts have been made to use the coolant R744 (CO 2 ) again for the evaporators of a climate cycle, in particular for motor vehicles. In contrast to the synthetic coolants used recently, it is a natural product that also does not contribute to the formation of a hole in the ozone layer, has little influence on global warming and is also cheap, readily available, corrosion-resistant, non-toxic and in usual concentrations is not flammable. With a value of GWP = 1, it is the most suitable from the point of view of legislation. However, the pressure in the evaporator is significantly higher with CO 2 than with previous coolants.
Für Wärmetauscher, die mit dem Kühlmittel R744 arbeiten, sind Bauformen bekannt, die aus einem Bündel von Wärmeaustauschrohren bestehen, zwischen denen Wärmeaustauschelemente angeordnet sind, wobei diese Wärmeaustauschrohre zwischen einem oberen Kopf und einem unteren Kopf, die in diesem Industriezweig häufig als oberer und unterer Tank bezeichnet werden, ein Kühlmittel führen.For heat exchangers that work with the coolant R744, designs are known which consist of a bundle of heat exchange tubes between which heat exchange elements are arranged, these heat exchange tubes between an upper head and a lower head, which in this branch of industry are often used as upper and lower tanks a coolant.
Die Abmessungen des Verdampfers werden durch den Raum bestimmt, der zum Heizen oder Kühlen genutzt wird, sowie durch den verfügbaren Raum, der in der Lüftungsanlage des Kraftfahrzeugs ausgelegt ist. Das Höhenmaß des Verdampfers wird wiederum durch das Raummaß in der Lüftungsanlage vorgegeben, und dieses Maß wird direkt vom Hersteller der Anlage vorgegeben. Dieses Maß variiert hinsichtlich der Größe der Anlage in Abhängigkeit von der Größe des Kraftfahrzeugs und dem erforderlichen thermischen Wirkungsgrad. Das Längenmaß des Verdampfers wird wie seine Höhe durch den Raum in der Lüftungsanlage vorgegeben, wobei dieses Maß vom Hersteller dieser Anlage vorgegeben wird.The dimensions of the evaporator are determined by the space that is used for heating or cooling and by the available space that is designed in the ventilation system of the motor vehicle. The height dimension of the evaporator is in turn determined by the space dimension in the ventilation system, and this dimension is specified directly by the manufacturer of the system. This measure varies with regard to the size of the system depending on the size of the motor vehicle and the required thermal efficiency. The length dimension of the evaporator, like its height, is specified by the space in the ventilation system, this dimension being specified by the manufacturer of this system.
So ist z.B. aus dem Dokument
Die bekannten Lösungen sind sowohl hinsichtlich der Widerstandsfähigkeit gegen die erforderlichen hohen Drücke als auch hinsichtlich der Abmessungen nicht zufriedenstellend. Die übermäßige Dicke des Verdampfers erhöht einerseits die Anforderungen an den Bauraum und damit den Fertigungsaufwand und führt andererseits zu einer anspruchsvolleren Montage des Verdampfers und zu einer Steigerung der unerwünschten Wasseraufnahme.The known solutions are unsatisfactory both in terms of their resistance to the high pressures required and in terms of their dimensions. The excessive thickness of the evaporator on the one hand increases the requirements for the installation space and thus the manufacturing effort and on the other hand leads to a more demanding assembly of the evaporator and an increase in unwanted water absorption.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Verdampfer eines Klimakreislaufs, insbesondere für Kraftfahrzeuge, auszugestalten, der den erforderlichen thermischen Wirkungsgrad bei möglichst geringer Dicke des Tauscherkörpers gewährleistet.The aim of the present invention is to design an evaporator of a climatic cycle, in particular for motor vehicles, which ensures the required thermal efficiency with the smallest possible thickness of the exchanger body.
Wesen der ErfindungEssence of the invention
Der erfindungsgemäße Verdampfer eines Klimakreislaufs weist einen Tauscherkörper auf, der durch ein Bündel aus zwei Reihen von flachen Wärmeaustauschrohren gebildet ist, die parallel und in Abständen zueinander angeordnet sind, wobei das obere und das untere Ende der Wärmeaustauschrohre mit dem oberen bzw. unteren Kopf verbunden sind, während zwischen den flachen Rohren über die gesamte Dicke des Tauscherkörpers Wärmeaustauschelemente mit mehreren Rippen angeordnet sind. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass sich die Dicke des Tauscherkörpers, die Abstände der flachen Wärmeaustauschrohre zueinander und die Geometrien der Wärmeaustauschelemente gegenseitig optimieren, so dass bei einem Luftdurchsatz von 600 kg pro Stunde, einer relativen Feuchtigkeit von 40% und einer Lufttemperatur von 40° C eine Kühlleistung von mindestens 15 W pro cm2 Bruttofläche des Tauscherkörpers erreicht wird, wenn CO2 als Kühlmittel verwendet wird.The evaporator of an air conditioning circuit according to the invention has an exchanger body which is formed by a bundle of two rows of flat heat exchange tubes which are arranged in parallel and at a distance from one another, the upper and lower ends of the heat exchange tubes being connected to the upper and lower heads , while heat exchange elements with a plurality of fins are arranged between the flat tubes over the entire thickness of the exchanger body. The essence of the invention is that the thickness of the exchanger body, the spacing of the flat heat exchange tubes to one another and the geometries of the heat exchange elements optimize each other so that with an air throughput of 600 kg per hour, a relative humidity of 40% and an air temperature of 40 ° C a cooling capacity of at least 15 W per cm 2 gross area of the exchanger body is achieved when CO 2 is used as a coolant.
Der Tauscherkörper bezieht sich auf den Kern des Verdampfers, der hinsichtlich der Wärmeübertragung aktiv ist und zwei Reihen von flachen Wärmeaustauschrohren und wellenförmige Wärmeaustauschelementen umfasst, die in den Räumen zwischen den Wärmeaustauschrohren angeordnet sind. Die Wärmeaustauschelemente können, müssen aber nicht auf beiden Seiten des Tauscherkörpers in Richtung der Dicke des Verdampfers geringfügig über die Wärmeaustauschrohre hinausragen. Die Wärmeaustauschelemente bilden mehrere Rippen, die immer zwischen den Wellen des wellenförmigen Wärmeaustauschelements gebildet sind, wobei der Abstand der Rippen der Wärmeaustauschelemente zueinander vorteilhaft 1,3 bis 1,5 mm beträgt. Die Bruttofläche des Tauscherkörpers bezieht sich hier auf das Produkt aus Länge und Höhe des Verdampferkerns in der imaginären Hüllenebene, die die von der Vorderseite aus zugänglichen äußeren Enden der Wärmeaustauschflächen umschließt. Die Bruttofläche des Tauscherkörpers ist somit die Ebene, in der die Enden der flachen Wärmeaustauschrohre oder die Enden der wellenförmigen Wärmeaustauschelemente liegen, wenn sie sich über die Wärmeaustauschrohre hinaus erstrecken.The exchanger body refers to the core of the evaporator, which is active in terms of heat transfer and comprises two rows of flat heat exchange tubes and wave-shaped heat exchange elements which are arranged in the spaces between the heat exchange tubes. The heat exchange elements can, but do not have to protrude slightly beyond the heat exchange tubes on both sides of the exchanger body in the direction of the thickness of the evaporator. The heat exchange elements form a plurality of ribs, which are always formed between the shafts of the wave-shaped heat exchange element, the spacing between the ribs of the heat exchange elements advantageously being 1.3 to 1.5 mm. The gross area of the exchanger body here refers to the product of the length and height of the evaporator core in the imaginary envelope plane, which encloses the outer ends of the heat exchange areas which are accessible from the front. The gross area of the exchanger body is thus the plane in which the ends of the flat heat exchange tubes or the ends of the wave-shaped heat exchange elements lie when they extend beyond the heat exchange tubes.
Die Dicke des Tauscherkörpers beträgt vorteilhafterweise weniger als 38 mm, und der Abstand der Wärmeaustauschrohre zueinander beträgt vorteilhafterweise 5,5 bis 9 mm. Die Dicke des Tauscherkörpers beträgt besonders vorteilhaft 26 bis 34 mm, z.B. 26 mm oder 32 mm.The thickness of the exchanger body is advantageously less than 38 mm, and the distance between the heat exchange tubes is advantageously 5.5 to 9 mm. The thickness of the exchanger body is particularly advantageously 26 to 34 mm, e.g. 26 mm or 32 mm.
Die Dicke des Tauscherkörpers kann dem Abstand von dem äußeren Ende des flachen Wärmeaustauschrohrs einer Reihe zum äußeren Ende des flachen Wärmeaustauschrohrs der anderen Reihe entsprechen. In einer vorteilhaften Ausführungsform erstrecken sich jedoch die Wärmeaustauschelemente in Richtung der Dicke des Verdampfers auf beiden Seiten des Tauscherkörpers geringfügig über die Wärmeaustauschrohre hinaus, d.h. um 1 bis 15%, vorteilhafterweise um 1 bis 4 mm der Dicke des Tauscherkörpers. In dieser vorteilhaften Ausführungsform ist die Dicke des Tauscherkörpers um den Betrag dieser beiden Vorsprünge größer als der Abstand von dem äußeren Ende des flachen Wärmeaustauschrohrs einer Reihe zum äußeren Ende des flachen Wärmeaustauschrohrs der anderen Reihe. Die Dicke des Tauscherkörpers beträgt in diesem Fall vorteilhafterweise 28 bis 34 mm.The thickness of the exchanger body may correspond to the distance from the outer end of the flat heat exchange tube of one row to the outer end of the flat heat exchange tube of the other row. In an advantageous embodiment, however, the heat exchange elements in the direction of the thickness of the evaporator on both sides of the exchanger body extend slightly beyond the heat exchange tubes, i.e. by 1 to 15%, advantageously by 1 to 4 mm of the thickness of the exchanger body. In this advantageous embodiment, the thickness of the exchanger body is greater by the amount of these two protrusions than the distance from the outer end of the flat heat exchange tube of one row to the outer end of the flat heat exchange tube of the other row. In this case, the thickness of the exchanger body is advantageously 28 to 34 mm.
Die Rippen der Wärmeaustauschelemente sind vorteilhafterweise mit Lamellen zum Kippen des Luftstroms versehen, die in Längenrichtung des Tauscherkörpers parallel angeordnet und in der Hälfte des zwischen den flachen Wärmeaustauschrohren liegenden Wärmeaustauschelements, im Abschnitt der Dicke des Tauscherkörpers, der zur ersten Reihe der flachen Wärmeaustauschrohre gehört, zu denjenigen in der Hälfte des zwischen den flachen Wärmeaustauschrohren liegenden Wärmeaustauschelements, im Abschnitt der Dicke des Tauscherkörpers, der zur zweiten Reihe von flachen Wärmeaustauschrohren gehört, entgegengesetzt ausgerichtet sind, so dass sich die von den Lamellen in einer Reihe von Rohren begrenzten Öffnungen entgegengesetzt zu denen in der anderen Reihe von Rohren öffnen.The fins of the heat exchange elements are advantageously provided with fins for tilting the air flow, which are arranged parallel in the longitudinal direction of the exchanger body and in half of the heat exchange element lying between the flat heat exchange tubes, in the section of the thickness of the exchanger body which belongs to the first row of the flat heat exchange tubes those in half of the heat exchange element lying between the flat heat exchange tubes, in the section of the thickness of the exchanger body belonging to the second row of flat heat exchange tubes, are oriented so that the openings delimited by the fins in a row of tubes are opposite to those in FIG open the other row of pipes.
FigurenlisteFigure list
Die Erfindung wird nun anhand besonderer Ausführungsbeispiele, die in den Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Darin zeigen:
-
1 eine Gesamtansicht der Verdampfung gemäß der Erfindung, -
2 eine Detailansicht eines Teils des zusammengesetzten Verdampfers gemäß der Erfindung an der Verbindungsstelle des Ein- und Auslasses, -
3a ein welliges Wärmeaustauschelement in einer Vorderansicht des Verdampfers, -
3b einen Ausschnitt der Ausgestaltung des wellenförmigen Wärmeaustauschelements entlang der Dicke des Verdampfers, -
4 ein flaches Wärmeaustauschrohr im Querschnitt, -
5 einen Ausschnitt der Anordnung der Wärmeaustauschrohre im Verdampfer und -
6 eine grafische Darstellung der Optimierung der Dicke des Tauscherkörpers und der Abstände der flachen Wärmeaustauschrohre zueinander gemäß der Erfindung.
-
1 an overall view of the evaporation according to the invention, -
2nd 2 shows a detailed view of part of the assembled evaporator according to the invention at the connection point of the inlet and outlet, -
3a a wavy heat exchange element in a front view of the evaporator, -
3b a section of the configuration of the wave-shaped heat exchange element along the thickness of the evaporator, -
4th a flat heat exchange tube in cross section, -
5 a section of the arrangement of the heat exchange tubes in the evaporator and -
6 a graphical representation of the optimization of the thickness of the exchanger body and the spacing of the flat heat exchange tubes to each other according to the invention.
Ausführungsbeispiel der ErfindungEmbodiment of the invention
In diesem gesamten Dokument beziehen sich Begriffe, die die Ausrichtung des Verdampfers betreffen, wie etwa oben, unten, vertikal, horizontal usw., auf seine Ausrichtung, wie sie in den Figuren dargestellt ist, siehe z.B.
Ein Kühlmittel strömt durch den Verdampfer
Der Verdampfer
In
Jeder Kopf
Der Kopf
Der Verdampfer
Die Gesamtform des wellenförmigen Wärmeaustauschelements
Die Erfinder waren bei der Durchführung einer Optimierung der Geometrie des Tauscherkörpers überrascht festzustellen, dass eine geringe Dicke
Der Abstand zwischen zwei benachbarten Wärmeaustauschrohren zueinander hat ähnlich wie die Dicke
Der Bereich A in
Der Bereich B in
Der Bereich C in
Der Bereich D in
Der Bereich E in
Ein weiterer wichtiger Parameter des Verdampfers
Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt die Dicke des Tauscherkörpers
Bei der Verwendung von Wärmeaustauschelementen
Obwohl die oben beschriebene Ausführungsform der Erfindung nur in Verbindung mit dem Verdampfer einer Kühlvorrichtung beschrieben wurde, ist es für den Fachmann offensichtlich, dass ein Tauscher mit den in den Patentansprüchen angegebenen Eigenschaften auch für andere Wärmeaustauschanwendungen verwendet werden kann. Although the embodiment of the invention described above has only been described in connection with the evaporator of a cooling device, it is obvious to the person skilled in the art that an exchanger with the properties specified in the patent claims can also be used for other heat exchange applications.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- US 2006185386 [0009]US 2006185386 [0009]
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