DE19758886B4 - Two-flow and single-tube brazed flat tube evaporator in the air direction for an automotive air conditioning system - Google Patents
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Abstract
Zweiflutiger und in Luftrichtung einreihiger hartverlöteter Flachrohrverdampfer aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung für eine Kraftfahrzeugklimaanlage, bei dem zulaufseitig ein Verteiler (24, 28) des Kältemittels auf die Eingänge einzelner Flachrohre (2) oder insbesondere Gruppen derselben angeordnet ist und die Flachrohre stranggepresste mehrkammerige Rohre sind, zwischen denen Zickzacklamellen (12) sandwichartig eingeschachtelt sind, wobei die Stirnfronten der Zickzacklamellen (12) abstromseitig über die benachbarten Stirnseiten (6) der Flachrohre (2) überstehen, wobei – die Bautiefe (B) des Verdampfers mindestens 25 mm und höchstens 50 mm beträgt; und – der von einer Zickzacklamelle (12) eingenommene Zwischenraum (LH) zwischen zwei benachbarten Flachrohren (2) mehr als 6 mm und weniger als 8 mm beträgt.Double-finned and air-line single-brazed flat tube evaporator made of aluminum or an aluminum alloy for an automotive air conditioning system, in which a distributor (24, 28) of the refrigerant on the inlet side of individual flat tubes (2) or in particular groups thereof is arranged and the flat tubes are extruded multi-chambered tubes, between which zigzag fins (12) are sandwiched, the front fronts of the zigzag fins (12) projecting over the adjacent end faces (6) of the flat tubes (2), wherein - the depth (B) of the evaporator is at least 25 mm and at most 50 mm ; and - the space (LH) occupied by a zigzag blade (12) between two adjacent flat tubes (2) is more than 6 mm and less than 8 mm.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen zweiflutigen und in Luftrichtung einreihigen hartverlöteten Flachrohrverdampfer aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung für eine Kraftfahrzeugklimaanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Ein derartiger zweiflutiger Flachrohrverdampfer ist neben weiteren mehr als zweiflutigen Ausführungsformen aus der
Aus der
Auf dem Markt befindliche Flachrohrverdampfer einer solchen Bauart haben mit soeben erst bekannt gewordenen Prototypen eine Bautiefe von 60 mm, während die Bautiefe standardmäßig bei vergleichbaren Plattenverdampfern 66 bis etwa 100 mm beträgt.On the market flat tube evaporator of such a type have only just become known prototypes a depth of 60 mm, while the overall depth is comparable to comparable plate evaporators 66 to about 100 mm.
Wie schon die gattungsgemäße Veröffentlichung zeigt, bestand bisher das Bestreben, den Wirkungsgrad dann, wenn dies erwünscht ist, im Übergang auf mehr als zweiflutige Verdampfer zu erhöhen.As already shown in the generic publication, there has been a desire to increase the efficiency, if desired, in the transition to more than double-flow evaporator.
Darüber hinaus hat man sich sowohl bei zweiflutigen als auch bei mehr als zweiflutigen Verdampfern bemüht, die einzelnen Flachrohre mit einem möglichst gleich bleibenden Verhältnis von flüssigem zu gasförmigem Kältemittel zu beschicken und hierfür, wie dies auch schon gattungsgemäß vorgesehen ist, zulaufseitig das Kältemittel auf die Eingänge von Gruppen von Flachrohren zu verteilen. Äquivalent hierzu ist in der Gattung auch die momentan nicht aus dem Stand der Technik für Flachrohrverdampfer nachweisbare Idee miteinbezogen, diese Verteilung auch noch in Bezug auf jedes einzelne Flachrohr vorzunehmen. Eine derartige Verteilung auf einzelne Rohre eines Verdampfers, nicht jedoch ausdrücklich eines Flachrohrverdampfers, ist an sich aus der
Bei allen derartigen Verteilungen des zulaufseitigen Kältemittels auf Flachrohre erfolgt zugleich eine Verteilung auf alle Kammern des jeweiligen Flachrohres, die sich in Richtung der Bautiefe des Verdampfers hintereinander erstrecken. Die Bautiefe des Verdampfers ist dabei im Grenzfall mit der entsprechenden Breitendimension des Flachrohres identisch. Die Breitendimension des Flachrohres kann jedoch auch etwas geringer sein, insbesondere, wenn man einen entsprechenden stirnseitigen Überstand der Verrippung durch die Zickzacklamellen miteinbezieht.In all such distributions of the inlet-side refrigerant on flat tubes at the same time a distribution to all chambers of the respective flat tube, which extend in the direction of the depth of the evaporator in a row. The depth of the evaporator is identical in the limiting case with the corresponding width dimension of the flat tube. However, the width dimension of the flat tube may also be slightly lower, in particular if one includes a corresponding front projection of the ribbing by the zigzag fins.
Nun ist gerade beim Einbau von Bauteilen in Kraftfahrzeuge ein Hauptproblem immer der verfügbare Einbauraum im Kraftfahrzeug. Es besteht daher generell bei Bauelementen zum Einbau in Kraftfahrzeuge das Bestreben, die Außendimensionen bei vorgegebener Nutzleistung minimal zu halten. Es ist dabei als selbstverständlich vorauszusetzen, dass dieser Grundgedanke auch bei all den bekannten gattungsgemäßen Flachrohrverdampfern, die sich auf dem Markt befinden, zugrunde lag. Daraus ist herzuleiten, dass die Fachwelt bisher bei derartigen Flachrohrverdampfern bei Berücksichtigung aller Anforderungen eine Bautiefe von weniger als 60 nun nicht als geeignet in Betracht zog.Now is just the installation of components in motor vehicles, a major problem always the available installation space in the vehicle. It is therefore generally the case of components for installation in motor vehicles endeavor to keep the outer dimensions minimal for a given output. It is to be taken for granted that this basic idea was also based on all the known generic flat-tube evaporators which are on the market. It can be deduced from this that experts in such flat-tube evaporators have not considered a depth of less than 60 mm to be suitable in consideration of all requirements.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass diese Annahme auf einem Vorurteil beruht.The invention is based on the recognition that this assumption is based on a prejudice.
Die Erfindung beruht vielmehr auf der Erkenntnis, dass selbst bei sonst gleichbleibenden Parameter bekannter gattungsgemäßer Flachrohrverdampfer eine Verringerung der Bautiefe mindestens teilweise dadurch kompensiert wird, dass dabei der Wirkungsgrad der Verteileinrichtung erhöht wird. Denn bei verringerter Bautiefe braucht zulaufseitig das Kältemittel nur auf eine geringere Zahl von Kammern der Flachrohre pro vom Verteilkanal gespeister Eintrittskammer verteilt zu werden.Rather, the invention is based on the finding that even with otherwise constant parameters known generic flat tube evaporator, a reduction of the depth is at least partially compensated by the fact that while the efficiency of the distribution device is increased. Because with a reduced structural depth on the inlet side, the refrigerant needs to be distributed only to a smaller number of chambers of the flat tubes per inlet chamber fed by the distribution channel.
In diesem Sinne beschreibt die Erfindung einen Weg, statt über den Weg der Erhöhung der Anzahl der Fluten über die Zweiflutigkeit hinaus eine Optimierung durch Verringerung der Bautiefe zu erhalten.In this sense, the invention describes a way instead of obtaining over the path of increasing the number of floods beyond the Zweiflutigkeit an optimization by reducing the depth.
Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad eines gattungsgemäßen zweiflutigen Flachrohrverdampfers in einer konstruktiv besonders einfachen Weise zu erhöhen.Accordingly, the invention has for its object to increase the efficiency of a generic double-flow flat tube evaporator in a structurally particularly simple manner.
Diese Aufgabe wird bei einem Flachrohrverdampfer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst; dabei wird nicht nur ein geringer Bautiefenbereich ausgewählt, sondern zusätzlich der von einer Zickzacklamelle eingenommene Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Flachrohren wertemäßig festgelegt.This object is achieved in a flat tube evaporator with the features of
Die Bedeutung dieser Wertekombination lässt sich am besten beispielsweise erklären. Wenn man also beispielsweise von der kleinsten konventionellen Bautiefe von 60 mm stattdessen im Sinne eines mittleren Wertes der erfindungsgemäßen Kombination auf 42 mm übergeht und dabei auch den Zwischenraum zwischen den Flachrohren kleiner als üblich oder jedenfalls im erfindungsgemäßen Wertebereich wählt, erhält man eine Konfiguration, bei der die für ein Kraftfahrzeug wesentliche Einsparung an Bautiefe weitgehend durch eine relativ große Anzahl nebeneinander angeordneter Flachrohre kompensiert wird. Diesem Effekt überlagert sich die schon erörterte bessere Verteilung des Kältemittels im günstigen Sinne. Die konstruktiv besonders einfache Bauart des erfindungsgemäßen zweiflutigen Flachrohrverdampfers ist schon daran zu erkennen, dass die Erhöhung des relativen Wirkungsgrades eine gerade bei dem geringen Einbauraum von Kraftfahrzeugen wesentliche deutliche Einsparung an Bautiefe ermöglicht, ohne die Wärmeleistung des Verdampfers verschlechtern zu müssen. Dabei erfolgt auch eine Einsparung an Baumaterial in Bautiefenrichtung und durch Mehrflutigkeit bedingte Längsquerwände werden entbehrlich.The meaning of this combination of values can best be explained, for example. If, for example, one goes from the smallest conventional construction depth of 60 mm instead to 42 mm in the sense of an average value of the combination according to the invention and thereby also the space between the flat tubes smaller than customary or at least selects in the value range according to the invention, one obtains a configuration in which the essential for a motor vehicle saving in construction depth is largely compensated by a relatively large number of juxtaposed flat tubes. This effect is superimposed on the already discussed better distribution of the refrigerant in a favorable sense. The structurally particularly simple design of the twin-flow flat-tube evaporator according to the invention can already be seen from the fact that the increase in the relative efficiency allows a significant savings in overall depth, especially in the small installation space of motor vehicles, without having to degrade the heat output of the evaporator. There is also a saving of building material in Bautiefenrichtung and caused by Mehrflutigkeit longitudinal transverse walls are unnecessary.
Die
Die
In den weiteren Unteransprüchen erfolgt eine begleitende Optimierung von im Zusammenhang mit der Erfindung als wesentlich erkannten Parametern, die es im Zusammenspiel sogar ermöglichen, die Wärmeleistung von marktüblichen gattungsgemäßen Flachrohrverdampfern nicht nur zu erreichen, sondern sogar etwas zu übertreffen.In the further subclaims there is an accompanying optimization of parameters which are recognized as essential in connection with the invention and which, in interaction, even make it possible not only to achieve the heat output of commercially available generic flat tube evaporators, but even to exceed them somewhat.
Neben der schon erwähnten Bautiefe und dem jeweils von einer Zickzacklamelle eingenommenen Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Flachrohren (Ansprüche 2 und 3) erfolgt dabei eine begleitende Optimierung auf die zwischen ihren Flachseiten gemessene Dicke der Flachrohre (Ansprüche 4 bis 7), die Wandstärke der Flachrohre zwischen ihrer Außenfläche und ihrer jeweiligen inneren Kammer (Ansprüche 8 bis 12) und auf die Teilung der Zickzacklamellen (Ansprüche 13 bis 17). Die Länge der Flachrohre hat sich demgegenüber als unkritisch erwiesen und kann dem entsprechenden Platzangebot im Kraftfahrzeug angepasst werden.In addition to the above-mentioned depth and each occupied by a zigzag lamella between two adjacent flat tubes (
Im Rahmen der Erfindung wird, teilweise abweichend von dem Gebrauch in einigen Fachfirmen, unter Teilung der Abstand benachbarter Scheitel derselben Zickzacklamelle verstanden bzw. der Wiederholungsabstand gleicher Phasen der Zickzackwellung.In the context of the invention, partly deviating from the use in some specialist companies, the spacing of adjacent vertexes of the same zigzag lamella is understood as being divided, or the repetition distance between identical phases of the zigzag lapping.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to schematic drawings. Show it:
Der in
Die Flachrohre
Die Flachrohre
Der gegenseitige Abstand benachbarter Flachseiten
Jedes Flachrohr
Jede Zickzacklamelle
Die äußere Beaufschlagung der als Wärmetauschrohre des Verdampfers dienenden Flachrohre
Die innere Beaufschlagung jedes Flachrohres
Die Zuleitung des Kältemittels in den Verdampfer erfolgt entsprechend dem Zulaufpfeil Z in
Der zulaufseitige Anschlußstutzen
Die in Strömungsrichtung des Kältemittels zweite Flut aller Flachrohre kommuniziert mit einer gemeinsamen Austrittskammer
Die Ausgangskammer
Der Strömungsaustritt kann wie der Eintrittsstutzen
Im Diagramm der
Die gesamte Kurvenschar (LH) gilt für eine Rohrdicke d = 1,8 mm und eine Lamellenteilung T = 2,8 mm.The total set of curves (LH) applies to a pipe thickness d = 1.8 mm and a fin pitch T = 2.8 mm.
So kann z. B. ein Verdampfer mit einer Bautiefe von 60 mm auf eine solche von ca. 30 mm verkleinert werden, wenn der von der Lamelle eingenommene Zwischenraum (LH) von 9 mm auf 5 mm reduziert wird und eine Rohrdicke von d = 1,8 mm zum Einsatz kommt. Trotz erheblich geringerer äußerer Fläche, aber auch bei geringerer innerer Wärmeübertragungsfläche wird diese Leistungsgleichheit bei halbierter Bautiefe (B) erreicht, da die fehlende innere und äußere Wärmeübertragungsfläche durch eine verbesserte Kältemittelverteilung in den Flachrohren reduzierter Bautiefe (B) und durch erheblich höhere Wärmeübergangszahlen sowohl auf der Innen- als auch auf der Außenseite kompensiert wird.So z. B. an evaporator with a depth of 60 mm to be reduced to one of about 30 mm when the space occupied by the lamella (LH) is reduced from 9 mm to 5 mm and a tube thickness of d = 1.8 mm Use comes. Despite significantly lower outer surface, but also with lower internal heat transfer surface this power equality at half the depth (B) is achieved because the missing inner and outer heat transfer surface by an improved refrigerant distribution in the flat tubes reduced depth (B) and by significantly higher heat transfer coefficients both on Inside and on the outside is compensated.
Durch die Bautiefenhalbierung entstehen beim Einsatz des Verdampfers in Kraftfahrzeugklimaanlagen erhebliche Vorteile bezüglich des Einbauraumes und des Gewichtes.Due to the Bautiefenhalbierung arise when using the evaporator in automotive air conditioning significant advantages in terms of installation space and weight.
Bei der Reduzierung des von der Lamelle eingenommenen Zwischenraumes (LH) muss gemäß
Bei den in Kraftfahrzeugen vorgegebenen Bauräumen und Luftvolumenströmen sollte daher eine luftseitige Versperrung von 22% nicht überschritten werden. Dies bedeutet, dass bei Reduzierung des von der Lamelle eingenommenen Zwischenraumes (LH) ebenfalls die Rohrdicke (d) reduziert werden muss. Bei einem Zwischenraum (LH) von 5 mm sollte daher eine Rohrdicke (d) von 1–1,5 mm und bei einem Zwischenraum (LH) von z. B. 7 mm eine solche von 1,5–2 mm zum Einsatz kommen.Therefore, an air-side obstruction of 22% should not be exceeded for the installation spaces and air volume flows specified in motor vehicles. This means that when reducing the space occupied by the lamella (LH), the tube thickness (d) must also be reduced. With a clearance (LH) of 5 mm, therefore, a tube thickness (d) of 1-1.5 mm and at a gap (LH) of z. B. 7 mm such a 1.5-2 mm are used.
Neben der luftseitigen Versperrung der Flachrohre, die entscheidend für den Kondenswasserablauf, aber auch für den luftseitigen Druckverlust ist, ist weiterhin die Strömungsfläche (F) von entscheidender Bedeutung.In addition to the air-side obstruction of the flat tubes, which is crucial for the condensate drain, but also for the air-side pressure loss, the flow area (F) is also crucial.
Für eine maximale Leistung muss einerseits die innere Wärmeübergangszahl sehr hoch sein, was durch eine hohe Strömungsgeschwindigkeit und einen kleinen Strömungsquerschnitt (F) erreicht wird, und andererseits darf auch der kältemittelseitige Druckverlust durch eine zu hohe Strömungsgeschwindigkeit nicht zu groß werden, da sonst die wirksame Temperaturdifferenz zwischen dem Kältemittel und der anströmenden Umgebungsluft zu stark reduziert wird. Für das Maximum des Produkts zwischen der wirksamen Temperaturdifferenz und der inneren Wärmeübergangszahl ist für den mittleren Leistungsbereich der Kraftfahrzeugklimaanlagen eine Strömungsfläche (F) von 400–600 mm2 erforderlich. Diese Mindestströmungsfläche (F) kann bei Reduzierung der Bautiefe (B) gemäß
Bei gleichzeitiger Verringerung der Rohrdicke (d) in Verbindung mit einer verkleinerten Wandstärke (w) kann auch bei reduziertem Zwischenraum (LH) ein Anstieg der luftseitigen Versperrung (V) vermieden werden.With simultaneous reduction of the pipe thickness (d) in connection with a reduced wall thickness (w), an increase of the air-side obstruction (V) can be avoided even with a reduced clearance (LH).
Durch die aufeinander abgestimmte Auslegung des Zwischenraumes (LH), der Rohrdicke (d) sowie der Wandstärke des Rohres (w) kann die in
Überraschenderweise ist bei Flachrohrverdampfern der im Oberbegriff beschriebenen Bauart der Einfluss der Lamellenteilung bei kleinen Bautiefen erheblich stärker als bei sonst üblichen großen Bautiefen von mehr als 60 mm. Diese Wirkung kann zusätzlich zu den Einflüssen des Zwischenraumes (LH), der Rohrdicke (d) und der Wandstärke (w) bei Verdampfern mit kleinen Bautiefen nutzbar gemacht werden, so dass gerade im Bereich der Bautiefen von 20–40 mm eine erhebliche Steigerung im Wärmetauscherwirkungsgrad durch eine engere Lamellenteilung von T = 2 mm bis T = 3 mm erreicht wird, die bei bisher üblichen Bautiefen von mehr als 60 mm nicht absehbar war.Surprisingly, with flat tube evaporators of the type described in the preamble, the influence of the fin pitch at small depths is considerably greater than usual large depths of more than 60 mm. This effect can in addition to the influences of the space (LH), the tube thickness (d) and the wall thickness (w) in evaporators with small depths can be harnessed, so that just in the depths of 20-40 mm a significant increase in heat exchange efficiency is achieved by a tighter slat pitch of T = 2 mm to T = 3 mm, which was not foreseeable at usual building depths of more than 60 mm.
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