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Die
Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für eine Kältemaschine,
mit dem das dem Kältemaschinenkompressor
zugeführte
Kältemittel
vorgewärmt
wird.
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Kältemaschinen,
beispielsweise von Klimaanlagen, wie beispielsweise von Kraftfahrzeugen, werden
häufig
mit so genannten inneren Wärmetauschern
ausgerüstet.
Dazu offenbart die
DE
100 53 000 A1 eine Kältemaschine,
die mit Kohlendioxid als Kältemittel
arbeitet. Die Kältemaschine
ist ins gesamt für
einen hohen Arbeitsdruck und für
einen Berstdruck von 700 bar ausgelegt. Dem Kompressor. wird das
Kältemittel über den
inneren Wärmetauscher
zugeführt,
der ein Wärmetauscherrohr
bildet. Das von der Kältemaschine
verdichtete und im Kondensator abgekühlte Kältemittel wird dann im Gegenstrom wiederum
durch das Wärmetauscherrohr
geführt,
um das dem Kompressor zuströmende
Kohlendioxid aufzuwärmen.
Als Hochdruckkanal für
das verflüssigte Kohlendioxid
weist der als Wärmetauscherrohr
ausgebildete Wärmetauscher
einen Zentralkanal auf, der zur Verbesserung des Wärmeaustauschs
mit einer gerippten Wandung versehen ist. Um den inneren Kanal herum
ist eine Vielzahl von Außenkanälen vorgesehen,
die von einander durch radial orientierte Zwischenwände getrennt
sind. Die Querschnittsfläche
jedes der außen
liegenden Kanäle
ist geringer als die Querschnittsfläche des zentralen Hochdruckkanals.
Die Summe der Querschnittsflächen
der außen
liegenden Niederdruckkanäle
ist größer als
die Querschnittsfläche
des innen liegenden Hochdruckkanals. Das Wärmetauscherrohr wird durch
ein Aluminiumstrangpressprofil gebildet.
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Dieses
Wärmetauscherrohr
ist für
mit hohem Druck arbeitende CO2-Kältemaschinen
geeignet. Es eignet sich jedoch weniger oder nicht für Kältemaschinen,
die mit anderen Kältemitteln
arbeiten. Es verursacht insbesondere auf der Saugseite der Kältemaschine
einen Druckverlust, der bei CO2 und entsprechend
hohen Drücken
keine Rolle spielt. Bei niedrigeren Arbeitsdrücken wird er jedoch spürbar und
führt zu
erheblichen Effizienzverlusten der Kältemaschine.
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Um
eine ausreichende Wärmeübertragung zwischen
dem Hochdruckkanal und dem Niederdruckkanal zu ermöglichen,
ist eine gewisse Rohrlänge
des Wärmetauschers
erforderlich. Um diese in einer Kältemaschine unterzubringen,
ist es insbesondere bei beengten Platzverhältnissen, wie sie in Kraftfahrzeugen
anzutreffen sind, häufig
unumgänglich,
den inneren Wärmetauscher
als U-Rohr oder anderweitig auszuführen. Dies setzt voraus, dass
das Wärmetauscherrohr
ausreichend biegsam ausgebildet ist, so dass es verformt werden
kann, ohne dass seine Kanäle
kollabieren.
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Davon
ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, einen Kältemaschinen-Wärmetauscher
zu schaffen, der sich durch hohe Effizienz auszeichnet, auch wenn
die Kältemaschine
nicht mit CO2 betrieben wird.
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Diese
Aufgabe wird durch den inneren Kältemaschinen-Wärmetauscher gemäß Anspruch
1 gelöst:
Der
Kältemaschinen-Wärmetauscher
ist zum Wärmeaustausch
innerhalb der Kältemaschine
zum Kühlen
des dem Verdampfer zuströmenden
Kältemittels und
zum Wiedererwärmen
des aus dem Verdampfer kommenden Kaltdampf vorgesehen. Er wird aufgrund
seiner Eignung für
diese spezifische Aufgabe als innerer Kältemaschinen-Wärmetauscher
bezeichnet. Erfindungsgemäß besteht
er aus einem Rohr, das einen inneren Niederdruckkanal zum Anschluss
an die Saugseite des Kältemittelkompressors
und Hochdruckkanäle
aufweist, die zu dem Verdampfer führen. Der Niederdruckkanal
weist einen im Wesentlichen zylindrischen, nicht unterteilten Querschnitt
auf. Er kann exakt zylindrisch oder auch davon geringfügig abweichend
z.B. vieleckig, insbesondere mit gerundeten Ecken ausgebildet sein.
Jedenfalls sind entlang seiner Wandung keine Durchmesservariationen
zu verzeichnen, die einen vernachlässigbare Prozentsatz von 5
% bis 10 % übersteigen würden. Idealerweise
sind die Durchmesservariationen kleiner als 10 %, kleiner als 5
%, vorzugsweise viel geringer als 5 %.
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Die
Hochdruckkanäle
sind außen
um den Niederdruckkanal herum angeordnet und stimmen in ihrem Querschnitt
vorzugsweise miteinander überein.
Die Summe der Querschnittsflächen
der außen liegenden
Hochdruckkanäle
bildet eine Außenquerschnittsfläche, die
deutlich geringer ist als die Innenquerschnittsfläche. Durch
diese Maßnahmen
wird erreicht, dass der an die Saugseite des Kältemittelkompressors anzuschließende innenliegende
Niederdruckkanal nahezu keine nennenswerten Druckverluste erzeugt.
Vorzugsweise ist der Querschnitt des Niederdruckkanals mindesten
genau so groß wie
der Querschnitt zu- und abführender
Rohre, wobei die Form des Querschnitts des Niederdruckkanals vorzugsweise
mit der Querschnittsform der anschließenden Rohre übereinstimmt.
Die zu- und abführenden
Rohre haben vorzugsweise einen Durchmesser, der mit dem Durchmesser
gängiger
seriengemäßer Saugleitungen
(mindestens 14 mm) übereinstimmt. Auf
diese Weise werden auch Beschleunigungs- und Diffusorverluste im Übergang
zwischen den Anschlussrohren und dem Niederdruckkanal vermieden oder
minimiert.
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Die
Innenquerschnittsfläche
ist vorzugsweise um mindestens 60% größer als die Außenquerschnittsfläche. Mit
anderen Worten, während
die Innenquerschnittsfläche
als gegeben angesehen werden kann, wird die Außenquerschnittsfläche minimiert.
Die dadurch im Hochdruckkanal auftretenden Druckverluste sind weitgehend
unschädlich
für die Effizienz
der Kältemaschine.
Jedoch wird der Außendurchmesser
des Wärmetauscherrohres
auf diese Weise auf ein Minimum reduziert. 25 mm können als obere
Grenze gesetzt und bei dem erfindungsgemäßen Konzept immer eingehalten
werden. Dadurch werden die sich aus dem beschränkten, zur Verfügung stehenden
Platz ergebenden Forderungen erfüllt
und es wird sichergestellt, dass das Wärmetauscherrohr noch ausreichend
geringe Biegeradien gestattet.
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Die
Wandung des Niederdruckkanal ist vorzugsweise glatt und unverrippt,
um bei nahezu rechteckigem Strömungsprofil
den über
dem Niederdruckkanal auftretenden Druckabfall zu minimieren.
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Vorzugsweise
besteht das Rohr aus extrudiertem Leichtmetall, beispielsweise Aluminium.
Es ist in diesem Fall einstückig
ohne Klebe- oder Schweißstellen
ausgebildet. Es kann endlos gefertigt und auf Länge geschnitten werden. Unterschiedliche Wärmetauscherlängen sind
auf einfache Weise realisierbar. Alternativ kann das Wärmetauscherrohr
aus zwei oder mehreren Teilen bestehen. Z.B. ist es möglich, den
Niederdruckkanal durch ein innen und außen glattes Rohr zu bilden
und dieses in ein äußeres, mit
nach innen weisenden Rippen versehenes Rohr einzufügen. Alternativ
kann der Niederdruckkanal durch ein innen glattes und außen geripptes-
Rohr gebildet sein, das in ein innen glattes Außenrohr eingeschoben ist.
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Auch
können
sowohl Innenrohr als auch Außenrohr
an der Außen-
bzw. Innenseite (d.h. an den einander zugewandten Flächen) mit
z.B. in Längsrichtung
verlaufenden Rippen versehen sein. Die Teile (Außenrohr und Innenrohr) des
gefügten
Wärmetauscherrohr
können
miteinander verklebt, verschweißt,
verpresst oder anderweitig verbunden sein oder auch unverbunden
bleiben. Sie können
aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien bestehen. Während das
innere Rohr z.B. aus Aluminium oder einem anderen Metall bestehen
kann, kann das äußere Rohr
ebenfalls aus Aluminium, einem anderen Metall oder auch Kunststoff,
einem gegebenfalls durch Einlagen, z.B. Gewebeeinlagen, verstärkten Elastomer,
einer Schlauchanordnung oder einem anderen Material bestehen.
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Jeder
Hochdruckkanal wird von einem radial innen liegenden Wandabschnitt,
zwei in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten radial orientierten
Wandabschnitten und einem radial außen liegenden wiederum in Umfangsrichtung
verlaufenden Wandabschnitt begrenzt, wobei der radial innen liegende,
in Umfangsrichtung verlaufende Wandabschnitt länger ist als die radialen Wandabschnitte.
Damit sind die außen
liegenden Hochdruckkanäle
in ihrer in Umfangsrichtung gemessenen Breite größer als in ihrer in Radialrichtung
gemessenen Höhe.
Dies kommt dem Wärmeübergang zugute.
Andererseits bleiben die Querschnittsflächen der Hochdruckkanäle ausreichend
groß,
um eine einfache Fertigung im Strangpressverfahren zu ermöglichen.
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Der
radial innen liegende Wandabschnitt ist vorzugsweise länger als
das Doppelte der radialen Wandabschnitte, weiter vorzugsweise länger als
das Dreifache der radialen Wandabschnitte. Damit ist die Anzahl
der außen
liegenden Hochdruckkanäle
vorzugsweise höchstens
zehn, weiter vorzugsweise höchstens
acht und im am meisten bevorzugten Falle höchstens sechs. Das Wärmetauscherrohr
ist dann rationell zu fertigen, es weist auch in den Hochdruckkanälen verhältnismäßig geringe
Strömungswiderstände auf
und kann auf einigermaßen
geringe Biegeradien gebogen werden, ohne dass die Außenkanäle oder
gar der Innenkanal wesentlich deformiert werden oder gar kollabieren.
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Durch
die Maximierung des Saugkanaldurchmessers und somit die Minimierung
des Ansaugwiderstands des Kompressors verbunden mit der hohen Wärmeübertragung
des ausreichend lang bemessenen Wärmeübertragerrohrs kann die Effizienz
(COP – „Coefficient
of Performance" oder
Leistungszahl) verbessert werden. Bei gleicher Kälteleistung kann die aufgenommene
Antriebsleistung und somit der zugeordnete Kraftstoffverbrauch gesenkt werden.
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Weitere
Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand der Zeichnung, der Beschreibung oder
von Ansprüchen. In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele
der Erfindung veranschaulicht. Es zeigen:
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1 eine
Kältemaschine
mit innerem Wärmetauscher
in Prinzipdarstellung,
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2 den
inneren Wärmetauscher
der Kältemaschine
nach
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1 in
schematisierter Seitenansicht,
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3 den
Wärmetauscher
nach 2 in Querschnittsdarstellung und in einem anderen
Maßstab,
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4 ein
durch ein Anschlussstück
und ein Rohrende gebildetes Ende des Wärmetauschers nach 2 und
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5 eine
abgewandelte Ausführungsform des
Anschlussstücks
des Wärmetauschers
nach 2.
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In 1 ist
eine Kältemaschine 1 veranschaulicht,
wie sie beispielsweise in der Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs oder
auch an anderer Stelle eingesetzt werden kann. Zu der Kältemaschine 1 gehört ein Kompressor 2,
der im Falle eines Kraftfahrzeugs z.B. von dem Motor desselben oder
auch von einem gesonderten Elektromotor oder dergleichen angetrieben
ist. Der Kompressor 2 weist einen Ausgang 3, an dem
unter Druck stehendes Kältemittel
ansteht, und einen Eingang 4 auf, an dem er Kältemittel
mit niedrigem Druck ansaugt. Von dem Ausgang 3 führt eine Druckleitung 5 zu
einem Kühler 6,
an dem das verdichtete und dadurch erwärmte Kältemittel abgekühlt und
kondensiert -wird. Der Kühler 6 wird
deshalb auch als Kondensator bezeichnet. Als Kältemittel kommt beispielsweise
R-134a oder ein anderes so genanntes Sicherheitskältemittel,
d.h. mit niedrigem Druck arbeitendes Kältemittel in Frage.
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Das
Kältemittel
wird an einem Ausgang 7 des Kühlers an eine weitere Druckleitung 8 abgegeben,
die zu einem Hochdruckeingang 9 eines inneren Kältemaschinen-Wärmetauschers 11 führt. Dieser weist
einen Hochdruckausgang 12 auf, der über eine Druckleitung 14 mit
einem Expansionsventil 15 verbunden ist. Dieses entspannt
das Kältemittel,
das in einen Verdampfer 16 eingeleitet wird. Das Kältemittel verdampft
in diesem und nimmt dadurch Umgebungswärme beispielsweise zur Abkühlung von
Luft in einer Klimaanlage oder zu anderen Zwecken auf. Aus dem Verdampfer
wird der entstehende Kältemitteldampf über eine
Niederdruckleitung 17 zu einem Niederdruckeingang 18 des
Kältemaschinenwärmetauschers 11 geführt. Es
durchströmt
diesen im Gegenstrom zu dem über
den Hochdruckeingang 9 zugeführten Kältemittel. Dabei kühlt es das
unter Druck stehende Kältemittel
und erwärmt
sich selbst. An dem Niederdruckausgang 19 wird es erwärmt abgegeben
und über eine
Niederdruckleitung 21 dem Eingang 4 des Kompressors 2 zugeführt. Der
innere Kältemaschinen-Wärmetauscher 11 dient
der Steigerung der Effizienz der Kältemaschine. Es erhöht die Temperatur
des zu dem Kompressor 2 strömenden Kältemittels und somit die Temperatur
an dem Ausgang 3 des Kompressors 2. Somit gibt
der Kondensator bzw. Kühler 6 eine
größere Wärmemenge
ab. Außerdem
senkt der innere Kältemaschinen-Wärmetauscher 11 die
Temperatur des dem Verdampfer 16 zugeführten Kältemittels, wodurch sich in
dem Verdampfer 16 eine bessere Wärmeübertragung zu der Umgebungsluft
ergibt.
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Der
Kältemaschinen-Wärmetauscher 11 ist speziell
auf die Bedürfnisse
der Kältemaschine 1 eingerichtet,
wenn diese mit einem Kältemittel
für niedrigeren
Druck, wie beispielsweise R-134a oder ein anderes so genanntes Sicherheitskältemittel
arbeitet. 2 veranschaulicht den Kältemaschinen-Wärmetauscher 11 gesondert.
Er ist beispielsweise als u-förmig
gebogenes Rohr 22 ausgebildet, dessen beide Schenkel 23, 24 an
ihren oberen Enden voneinander weg gebogen sind, wobei sie dort
auf einer gemeinsamen Achse liegen können. Der Querschnitt des Rohrs 22 ist 3 zu
entnehmen. Das Rohr 22 weist vorzugsweise einen inneren
Hohlraum mit Kreisquerschnitt auf, der einen Niederdruckkanal 25 bildet.
Seine Wandung 26 ist frei von Vertiefungen, Rippen, Vorsprüngen und
sowohl in Umfangsrichtung als auch in Längsrichtung (in 3 senkrecht
zur Zeichenebene) vorzugsweise glatt. Der Niederdruckkanal 25 ist
ein einziger Kanal – er
ist nicht unterteilt; er weist keine Trennwände oder ähnliches auf.
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Um
den Niederdruckkanal 25 herum sind mehrere Hochdruckkanäle 27 (27a, 27b, 27c, 27d, 27e, 27f)
angeordnet. Die Hochdruckkanäle 27 sind von
dem Niederdruckkanal 25 durch einen radial innen liegenden
Wandabschnitt 28 ge trennt, der einem Kreisbogen folgt.
In Umfangsrichtung werden die Hochdruckkanäle 27 von radial gerichteten Wandabschnitten 29, 30 begrenzt,
deren radiale Länge
wesentlich geringer ist als der zwischen ihnen in Umfangsrichtung
zu messende Abstand. Parallel zu dem Wandabschnitt 28 ist
ein weiterer Wandabschnitt 31 vorgesehen, der einem Kreis
folgt und den Hochdruckkanal 27 radial nach außen abschließt.
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Der
Niederdruckkanal 25 nimmt den größten Teil des Querschnitts
des Rohrs 22 ein. Weist das Rohr 22 beispielsweise
einen Außendurchmesser von
25 mm auf, beträgt
der Durchmesser des Niederdruckkanals 25 beispielsweise
15 mm.
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Die
radial zu messende Höhe
der Hochdruckkanäle 27 beträgt z.B.
3 mm bis 4 mm. Der Winkelabstand der Wandabschnitte 29, 30 unter
einander beträgt
vorzugsweise etwa 60°.
Damit liegt der Abstand der Wandabschnitte 29, 30 voneinander ebenfalls
im Bereich von ungefähr
18 mm. Damit ist die Summe der Querschnitte aller Hochdruckkanäle 27a bis 27f deutlich
geringer als die Querschnittsfläche
des Niederdruckkanals 25. Trotz besonders weitem Niederdruckkanal 25 wird
ein äußerst geringer Außendurchmesser
erreicht.
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Dieses
Wärmetauscherrohr
ist hinsichtlich der Effizienz der Kälteanlage 1 optimiert.
Druckverluste an der Saugseite des Kompressors 2, die zu
erheblichen Effizienzverlusten führen
könnten,
werden vermieden. Andererseits wird ein guter Wärmeübergang sicher gestellt und
ein Rohrprofil vorgeschlagen, das sich zuverlässig herstellen und auch in
die 2 veranschaulichte Form biegen lässt.
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Wie 2 zeigt,
ist der Kältemaschinen-Wärmetauscher 22 an
beiden Enden mit Anschlussstücken 32, 34 versehen,
an denen der Hochdruckeingang 9, der Hochdruckausgang 12,
der Niederdruckeingang 18 und der Niederdruckausgang 19 ausgebildet.
Der Aufbau des Anschlussstücks 33 ist in 4 gesondert
veranschaulicht. Er stimmt im Wesentlichen mit dem Aufbau des Anschlussstücks 32 überein.
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Das
Anschlussstück 33 ist
mit dem Rohr 22 verklebt, verschweißt oder anderweitig fluiddicht
verbunden. Dabei ist ein Teil des inneren Wandabschnitts 28 frei
gelegt, so dass er sich weiter in das Anschlussstück 25 hinein
erstreckt als der von dem äußeren Wandabschnitt 31 und
den Wandabschnitten 28, 29 gebildete Teil. In
dem Anschlussstück 33,
das durch einen Aluminiumkörper, Kunststoffkörper oder
dergleichen gebildet sein kann, sind zwei Kammern 34, 35 ausgebildet.
Während
die Kammer 34 eine ringförmige Kammer ist, die mit den
Hochdruckkanälen 27 kommuniziert,
ist die Kammer 35 eine etwa zylindrische kammer, die mit dem
Niederdruckkanal 25 kommuniziert. Beide Kammern 34, 35 sind
jeweils mit Anschlüssen
versehen, die hier den Hochdruckausgang 12 und den Niederdruckeingang 18 bilden.
Der Hochdruckausgang 12 und der Niederdruckeingang 18 können als
Rohranschlüsse
oder, wie dargestellt, auch als Schlauchanschlüsse ausgebildet sein. Wesentlich
ist, dass der Querschnitt der Kammer 35 im Wesentlichen
mit dem Querschnitt des Niederdruckkanals 25 übereinstimmt,
der im Übrigen
auch mit dem Querschnitt des Niederdruckeingangs 18 im
Wesentlichen übereinstimmt.
Auf diese Weise wird das durch den Niederdruckkanal 25 strömende Fluid
im Übergang
von dem Wärmetauscher
zu der anschließenden
Leitung weder beschleunigt noch verzögert. Außerdem geht das Bestreben dahin,
scharfe Kanten und Fluidumlenkungen in dem Niederdruckkanal weitgehend
zu vermeiden, um den Strömungswiderstand
zu minimieren.
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In
dieser Hinsicht ist die in 5 veranschaulichte
Ausführungsform
eines Anschlussstücks 36 optimiert.
Es besteht, wie das vorstehend beschriebene Anschlussstück, aus
Metall, wie beispielsweise Aluminium oder auch aus einem Kunststoff.
Es kann mit dem Rohr 22 verklebt, verlötet oder verschweißt sein,
wobei jeweils eine für
die gewählten
Materialien geeignete Verbindungsart zur dauerhaften fluiddichten
Verbindung gewählt
wird.
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Das
Anschlussstück 36 weist
wiederum eine Kammer 37 für den Hochdruckeingang 9 auf,
die mit den Hochdruckkanälen 27 kommuniziert.
Der Hochdruckeingang 9 zweigt in Radialrichtung ab. Dagegen
mündet
der Niederdruckkanal 25 in eine vorzugsweise zylindrische
Kammer 38, deren Durchmesser mit dem Durchmesser des Niederdruckkanals 25 weitgehend übereinstimmt.
Die Kammer 38 geht in den Niederdruckausgang 19 über, der
als Bohrung mit Innengewinde, als Passsitz für eine einzuschweißende oder
einzuklebende Leitung oder anderweitig ausgebildet sein kann. Er
ist vorzugsweise so bemessen, dass ein Rohr oder Nippel eingeführt und
darin gesichert werden kann, dessen innere Weite mit der inneren
Weite des Niederdruckkanals 25 übereinstimmt, wobei vorzugsweise
ein stufenloser Strömungsübergang
ermöglicht
wird. Ein gleiches Anschlussstück
kann an dem gegenüber
liegenden Ende des Rohrs 22 vorgesehen werden. Dies hat
den Vorzug, dass das unter niedrigem Druck stehende, dem Kompressor
zuströmende
und somit lediglich eine geringe Dichte aufweisende Kältemittel
eine hohe Strömungsgeschwindigkeit
entwickeln kann, wobei Druckverluste weitgehend minimiert werden. Dies
wird erreicht, indem der Niederdruckkanal 25 eine Weite
aufweist, die zumindest so groß oder
größer ist
wie die lichte Weite der Anschlussleitungen, d.h. der Niederdruckleitung 17 und
der Niederdruckleitung 21.
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Ein
die Effizienz einer Kältemaschine 1 erhöhender innerer
Kältemaschinen-Wärmetauscher 11 weist
ein Rohr 22 auf, dessen Niederdruckkanal 25 innen
angeordnet ist und einen wesentlich größeren Querschnitt aufweist
als alle an dem Rohr 22 vorhandenen außen liegenden Hochdruckkanäle 27.
Außerdem
ist die lichte Weite des Niederdruckkanals mindestens so groß wie die
lichte Weite der Anschlussleitungen 17, 21. Die
Wandung des Niederdruckkanals 25 ist vorzugsweise glatt.