DE3918455A1

DE3918455A1 - Verfluessiger fuer ein kaeltemittel einer fahrzeugklimaanlage

Info

Publication number: DE3918455A1
Application number: DE19893918455
Authority: DE
Inventors: Roland Dipl Ing Haussmann
Original assignee: THERMAL WAERME KAELTE KLIMA
Current assignee: THERMAL WAERME KAELTE KLIMA
Priority date: 1989-06-06
Filing date: 1989-06-06
Publication date: 1990-12-20

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verflüssiger für ein Kältemittel einer Fahrzeugklimaanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Derartige Verflüssiger sind handelsüblich. Bisher hat man dabei alle Wärmetauschrohre mit einer gemeinsamen Verrippung mit Lamellen versehen, die gegebe nenfalls auch schon zum Zwecke der Verbesserung des Wärmeüber gangs mit ausstellerartigen Unterbrechungen versehen war. Derar tige ausstellerartige Unterbrechungen waren dabei jeweils so ori entiert, daß ein optimaler Wärmefluß vom Rohr in den Aussteller der betreffenden Unterbrechung erfolgte. Derartige aussteller artige Unterbrechungen verliefen dementsprechend längs der Verbindungslinie von Rohren derselben Rohrreihe oder längs der Verbindungslinie von direkt benachbarten Rohren benachbarter Rohrreihen. Dabei ist jedoch der Wärmefluß zwischen benachbar ten Rohren derselben Rohrreihe oder direkt benachbarter Rohr reihen nicht gemindert. Darüber hinaus ist das Muster derarti ger den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung vergrößernder aus stellerartiger Unterbrechungen gleichmäßig über die ganze Ver rippung verteilt.

Bei diesen bekannten Verflüssigern stellt sich in den Verrippungen zwischen benachbarten gegenläufig durchström ten Rohrreihen wegen deren gut wärmeleitender Verbindung ein mittleres Temperaturniveau ein, welches leistungsmindernd wirkt. Diese Leistungsminderung ist so ausgeprägt, daß ein Kreuzgegen strom, welcher theoretisch erheblich höhere wirksame Temperatur differenz erzeugen kann, praktisch gegenüber einem einfachen Kreuzstrom kaum Leistungsverbesserung bringt. Dieser Effekt wird bei Verflüssigern für ein Kältemittel einer Fahrzeugklima anlage noch dadurch verstärkt, daß die Rohre benachbarter Rohr reihen (jeweils in Strömungsrichtung der Umgebungsluft gerechnet) sehr klein sind und dadurch der über die Verrippung übertragene Wärmefluß zwischen den Rohren benachbarter Rohrreihen besonders groß ist. Im vorliegenden Zusammenhang werden ausschließlich die besonders gravierenden Wärmeverluste über Wärmeleitung betrach tet, während die um eine Größenordnung etwa kleineren Wärmever luste über Strahlung außer Betracht bleiben sollen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verflüssiger der genannten Art die Vorteile eines Betriebs im Kreuzgegenstrom besser als bisher nutzbar zu machen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verflüssiger mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 durch dessen kenn zeichnende Merkmale gelöst.

Im Rahmen der Erfindung wird bewußt von einer gleich mäßigen Auslegung der Verrippung aller Wärmetauschrohre abge gangen und stattdessen eine wärmeleitmäßige Entkopplung von mindestens zwei Baugruppen gewählt, welche im Betrieb des Kreuz gegenstroms jeweils in einer Gegensinnwende durchströmt werden. Dabei kann es im einzelnen offen bleiben, wie die Wärmetausch rohre in jeder einzelnen Baugruppe verschaltet sind, z.B. in jeder Baugruppe im Kreuzstrom oder auch für sich im Kreuzgegen strom. Man kann auch in jeder Baugruppe bekannte derartige Ver schaltungselemente kombinieren. Im Grenzfall könnte man sogar jeder Rohrreihe eine Baugruppe zuordnen und jede Rohrreihe in einer Gegensinnwende durchströmen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß man für praktische Anwendungen meist mit nur zwei wärme leitmäßig entkoppelten Baugruppen auskommen kann, selbst wenn diese Baugruppen einzeln oder beide mehr als eine Rohrreihe ent halten. Bevorzugt sind dabei drei oder vier Rohrreihen, wobei im erstgenannten Fall eine Rohrreihe in einer Baugruppe und die beiden anderen Rohrreihen in einer zweiten Baugruppe angeordnet sind, während im zweitgenannten Fall in jeder der beiden Bau gruppen zwei Rohrreihen angeordnet werden.

Bei einem erfindungsgemäßen Verflüssiger kann sich nicht mehr eine mittlere Temperatur in einer gemeinsamen Ver rippung benachbarter Wärmetauschrohre aus verschiedenen Bau gruppen einstellen, sondern es erfolgt zwischen den beiden Baugruppen ein mehr oder minder ausgeprägter Temperatursprung, der im Grenzfall einer mechanisch vollständigen Trennung der Verrippungen benachbarter Baugruppen am deutlichsten ist.

Die wirksame Temperaturdifferenz zwischen dem Kälte mittel einerseits und der Umgebungsluft andererseits läßt sich bei Auslegung des Verflüssigers gemäß Anspruch 3 noch einmal signifikant erhöhen. Dabei werden für die beiden angesprochenen Baugruppen vorzugsweise Bemessungen gemäß den Ansprüchen 4 und 5 verwendet. Die Bedeutung dieser Maßnahmen wird später anhand von Funktionsdiagrammen der wesentlichen Parameter (Fig. 9 bis 11) noch mehr im einzelnen erläutert.

Bei vollständiger mechanischer und damit automatisch auch wärmeleitmäßiger Entkopplung benachbarter Baugruppen er geben sich Probleme mechanischer Festigkeit des ganzen Verflüs sigers sowie erheblich höhere Herstellungskosten, da praktisch mindestens zwei gesonderte Verflüssiger hergestellt und strö mungsmäßig auf möglichst gleichbleibendem kleinen Raum ver bunden werden müssen.

Ferner sind denkbare Möglichkeiten einer wärmeleit mäßigen Entkopplung noch durchlaufender Verrippungen, wie Ein bau von Isolationsmaterial, Querschnittsschwächung, Widerstands änderung durch Dotierung o. dgl., relativ aufwendig. Derartige Bauweisen sind jedoch bei dem Verflüssiger nach Anspruch 6 be wußt mit einbezogen.

Bevorzugt wird jedoch eine Bauweise nach Anspruch 7, bei der das Material der Verrippung der Wärmetauschrohre be nachbarter Baugruppen wie bei den bekannten Verflüssigern gleich sein kann, durch geeignete Anordnung von Unterbrechungen längs der Verbindungszone zwischen den beiden Baugruppen jedoch dort der Wärmefluß durch Wärmeleitung signifikant herabgesetzt wird. Es hat sich gezeigt, daß selbst bei Ausbildung der Verrippung als Folien mit einer Stärke von weniger als 0,15 mm durch das Zusammenwirken dieser Folien als dichtes Paket noch eine hin reichende mechanische Festigkeit des ganzen Verflüssigers un ter mechanischer Zusammenfassung der Baugruppen, im Grenzfall ohne jede zusätzliche Verfestigungsmaßnahme, erreicht werden kann. Darüber hinaus behält man den Vorteil, die Wärmetausch rohre verschiedener Baugruppen wie bei einem konventionellen Verflüssiger in einem Arbeitsgang verrippen zu können und so die Herstellungsvorteile der bekannten Verflüssiger beizube halten. Bevorzugt werden dabei Bemessungen gemäß Anspruch 8, wobei aber auch noch wärmeleitmäßige Entkopplungen, die ge ringer sind als die Werte gemäß Anspruch 8, noch eine deutli che Erhöhung der Temperaturdifferenz zwischen Kältemittel und Umgebungsluft ergeben können.

Gemäß den Ansprüchen 9 bzw. 10 kann bei den Unter brechungen in der Verbindungszone zwischen benachbarten Bau gruppen das Material der Verrippung entfernt, insbesondere ausgestanzt, sein. In diesem Falle wird man vorzugsweise schmale Schlitze verwenden, um möglichst wenig Verrippungs material einzubüßen. Man kann aber auch gemäß den Ansprüchen 12 und 13 das Material der Verrippung im Bereich der Unter brechungen mit zu Ausstellern nutzen, die zusätzlich den Wärme übergang zwischen Kältemittel und Umgebungsluft fördern.

Es hat sich gezeigt, daß man nicht alle Unterbrechun gen innerhalb der Verbindungszone zwischen benachbarten Bau gruppen neu schaffen muß, sondern daß man die früher erwähnten bekannten ausstellerartigen Unterbrechungen, die bisher nur zur Förderung des Wärmeübergangs vorgesehen waren, in die wärmeleit mäßige Entkoppelung der beiden benachbarten Baugruppen mit ein beziehen kann (Anspruch 14).

Es ist möglich, die Verbindungszone zwischen benach barten Baugruppen als gerade Linie oder geradlinige Zone zu wählen, die parallel zu den Rohrreihen verläuft. Anspruch 15 zeigt aber, daß auch ein polygon- oder wellenförmiger, also insbesondere aus geradlinigen Abschnitten oder Kurvenabschnit ten zusammengesetzter, Verlauf der Verbindungszone zwischen benachbarten Baugruppen sogar bevorzugt sein kann. Dies gilt insbesondere für den Fall, daß die Rohre in Strömungsrichtung der Umgebungsluft gegeneinander versetzt sind und an sich be kannte ausstellerartige Ausnehmungen bekannter Art für die Er höhung des Wärmeübergangs in die zur wärmeleitmäßigen Entkoppe lung zwischen benachbarten Baugruppen vorgesehene Folge der Ausnehmungen mit einbezogen sind (Anspruch 7).

Verschiedene mögliche Anordnungsweisen der Unterbre chungen sind für diesen Fall in den Ansprüchen 16 bis 18 ange sprochen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen noch näher er läutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Rundrohrlamellenwärmetauscher mit Prinzipschaltbild a) und perspektivischer Darstellung der Lamellenblöcke ohne Verschaltung in der Variante b);

Fig. 2 einen Flachrohrverflüssiger in perspektivi scher Ansicht mit Verschaltungsdarstellung.

die Fig. 3 bis 5 verschiedene Ausführungsformen eines Rundrohrverflüssigers mit Darstellung bevorzugter Ver schaltungen der das Kältemittel führenden Wärmetauschrohre;

Fig. 4b eine schematische Darstellung der Ver schaltung der Wärmetauschrohre eines vierreihigen Verflüssigers mit vier Baugruppen;

die Fig. 6 und 7 in Draufsicht auf eine gemeinsame Lamelle zwei verschiedene Anordnungen von Unterbrechungen in der Verbindungszone zwischen benachbarten Baugruppen unter Ein beziehung von an sich bekannten ausstellerartigen Unterbre chungen für die Erhöhung des Wärmeübergangs;

Fig. 8 mögliche Bauformen solcher Unterbrechungen, welche im Rahmen der Erfindung zusätzlich zur wärmeleitmäßigen Entkoppelung vorgesehen sind, in drei Varianten a), b) und c) als ausstellerartige Unterbrechungen, wie sie insbesondere in der Fig. 7 dargestellt sind, oder in der Variante d) als ein facher Schlitz, wie er insbesondere in Fig. 6 dargestellt ist; Ausbildungen mit ausstellerartigen Unterbrechnungen in der An ordnung nach Fig. 6 oder mit schlitzförmigen Unterbrechnungen wie bei der Ausführungsform nach Fig. 7 sind jedoch ebenfalls möglich;

die Fig. 9 bis 11 drei Funktionsdiagramme; dabei

Fig. 11b ein Kältemittelzustandsdiagramm, in welchem Kältemittelkreisläufe eingetragen sind, welche den anhand der Fig. 10 und 11 diskutierten verschiedenen Auslegungen des Ver flüssigers in bezug auf den kältemittelseitigen Druckverlust entsprechen;

die Fig. 12 und 13 schematisierte Verschaltungen der Kältemittel führenden Rohre des Standes der Technik,von dem die Erfindung ausgeht, und zwar nach Fig. 12 im Kreuzstrom und nach Fig. 13 im Kreuzgegenstrom.

In den zur Veranschaulichung der bekannten Verflüssi ger vorgesehenen Fig. 12 und 13 ist die Anströmrichtung der Umgebungsluft durch die Pfeile A veranschaulicht. In beiden Ausführungsbeispielen sind vier Rohrreihen quer zur Anström richtung angeordnet.

Im Kreuzstrombetrieb gemäß Fig. 12 wird das Kälte mittel durch einen Anschluß 2 in einen Sammler 4 eingeleitet, an den die vier Reihen von verrippten Wärmetauschrohren 6 eingangsseitig angeschlossen sind. Alle Wärmetauschrohre 6 haben dabei eine gemeinsame gleichmäßig ausgebildete Ver rippung. Ausgangsseitig sind die vier Reihen von Wärmetausch rohren 6 an einen weiteren Sammler 8 angeschlossen, der mit einem Auslaß 10 des Kältemittels versehen ist. Man erkennt, daß das Kältemittel in den vier Reihen parallel vom Sammler 4 zum Samnler 8 strömt und dabei die anströmende Umgebungs luft kreuzt.

In Fig. 13 ist dieselbe Konfiguration von verrippten Wärmetauschrohren 6 im Kreuzgegenstrom in bezug auf die an strömende Umgebungsluft verschaltet. Dabei sind zwischen den beiden eingangs- und ausgangsseitigen Sammlern 4 und 8 vier Gegensinnwenden dargestellt, in denen das Kältemittel einer seits die anströmende Umgebungsluft kreuzt und andererseits im Gegenstrom zu diesem vom eingangsseitigen Sammler 4 zum ausgangsseitigen Sammler 8 geführt ist.

In der dargestellten Ausführungsform verbindet jede Gegensinnwende jeweils nur zwei benachbarte Rohre einer Reihe. Es ist ebenso bekannt, zur Erhöhung des Druckverlustes in jedem durchströmten Zweig zwischen den Sammlern 4 und 8 die Anzahl der Rohre pro Reihe zu erhöhen bis zu dem Grenzfall, daß zwischen dem eingangsseitigen Anschluß 2 und dem Auslaß 10 nur eine einzige Rohrschlange bzw. Gegensinnwende angeordnet ist.

Die gemeinsame Verrippung aller Wärmetauschrohre durch Folien insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminium legierung mit einer Stärke von weniger als 0,15 mm, üblicher weise bis etwa 0,1 mm, ist mit 12 dargestellt.

Die bekannten Ausführungsformen der Fig. 12 und 13 beziehen sich speziell auf Rundrohrwärmetauscher.

In Fig. 1 wird nun die Erfindung ebenfalls anhand eines Rundrohrwärmetauschers veranschaulicht.

Hier ist der Verflüssiger in zwei Baugruppen 14 und 16 aufgeteilt, von denen jede ohne Beschränkung der Allgemein heit jeweils zwei Rohrreihen enthält. Es ist dabei der Sonder fall von nur zwei Baugruppen 14 und 16 angesprochen, von denen die Baugruppe 14 an der Eintrittsseite des Kältemittels und die Baugruppe 16 an der Austrittsseite des Kältemittels ange ordnet ist, wobei beide Baugruppen als Gegensinnwende geschal tet sind (Darstellungsvariante a)).

In der dargestellten Ausführungsform hat dabei jede Baugruppe für sich eine eigene Verrippung mit Folien aus Al, Cu oder Legierungen dieser Materialien mit einer Stärke von weniger als 0,15 mm bis nach derzeitiger Walztechnik minimal 0,08 mm. Dieselbe Verschaltungsweise kann jedoch auch bei Bau gruppen vorgesehen sein, die gemäß später noch zu erörternden Ausführungsbeispielen gemeinsame Verrippung aus derartigen Folien besitzen.

In Fig. 2 ist die Verschaltung gemäß Fig. 1 auf zwei Baugruppen 14 und 16 übertragen, die hier als Flachrohrwärme tauscher ausgebildet sind und ebenfalls jeweils für sich eige ne Lamellenverrippungen mit Folien besitzen, die hier zweck mäßig Stärken zwischen 0,15 und 0,25 mm besitzen.

Sowohl bei der Ausführungsform nach Fig. 1 als auch bei der nach Fig. 2 ist die Strömungsrichtung des Kältemittels durch Pfeile B gekennzeichnet.

Die die Gegensinnwende beschreibende Rohrverbindung zwischen den beiden Baugruppen 14 und 16 ist ebenfalls bei beiden Ausführungsbeispielen mit 18 bezeichnet.

Während in Fig. 1 die Verschaltung der Rohre der je weiligen Baugruppe 14 oder 16 offen gelassen ist, ist die Ver schaltung bei der Ausführungsform nach Fig. 2 in reinem Kreuz strom in der jeweils einzelnen Baugruppe 14 bzw. 16 vorgesehen.

Durch unterschiedliche Darstellung der Stärke der beiden Baugruppen in Fig. 1 soll veranschaulicht werden, daß die vom Kältemittel zuerst durchströmte erste Baugruppe 14 mit relativ geringem kälteseitigen Druckverlust und die vom Kälte mittel nachfolgend durchströmte zweite Baugruppe 16 mit rela tiv hohem kälteseitigen Druckverlust ausgelegt ist.

Eine entsprechende Auslegung ist bei dem Flachrohr verflüssiger gemäß Fig. 2 durch die Verschaltung der einzelnen Wärmetauschrohre in der jeweiligen Baugruppe 14 und 16 noch verdeutlicht. Der relativ geringe Druckverlust wird hier da durch gewonnen, daß Gruppen verhältnismäßig großer Anzahl von Wärmetauschrohren, hier mit den Anzahlen 5, 4, 4 und 3, zwi schen einzelnen Abteilungen 20 des eingangsseitigen Sammlers 22 hin- und hergeführt werden, wobei die Abteilungen der Sammler durch Zwischenwände 24 abgeteilt sind. In der ausgangsseitigen zweiten Baugruppe 16 ist eine entsprechende Hin- und Herführung von Rohrgruppen vorgesehen, wobei jedoch jede Rohrgruppe nur jeweils zwei Rohre aufweist. Dies ist dadurch realisiert, daß zwei parallel laufende Rohrschlangen ineinandergeschachtelt sind und jeweils durch einfache Rohrbögen miteinander verbunden sind. Durch die Reduzierüng der Anzahl der Rohre pro Gruppe ist hier selbst bei gleichbleibendem Querschnitt der einzelnen Wärmetauschrohre 6 eine erhebliche Vergrößerung des Druckver lustes in der Baugruppe 16 relativ zur Baugruppe 14 erhalten. Man erkennt somit, daß die Anforderungen an den Druckverlust in der jeweiligen Rohrgruppe auch ohne Querschnittsveränderun gen der Wärmetauschrohre allein durch Verschaltungsmittel er reichbar sind.

In den speziellen Verschaltungen der Fig. 3, 3a, 4 und 5 sind bevorzugte Schaltungsbilder der einzelnen Baugrup pen dargestellt, und zwar bei den Ausführungsformen der Fig. 3, 3a und 4 jeweils an einem vierreihigen Verflüssiger und bei der Ausführungsform nach Fig. 5 an einem dreireihigen Verflüs siger.

Bei der ersten Ausführungsform nach Fig. 3 sind in der ersten Baugruppe 14 Kältekreisläufe parallelgeschaltet, wie dies in Fig. 13 bei dem bekannten Verflüssiger für diesen insgesamt dargestellt ist und nicht nur wie in Fig. 3 für eine Baugruppe.

In Fig. 3 ist die zweite Baugruppe von nur zwei parallelgeschalteten Kreisläufen gebildet, so daß dadurch wiederum bei gleichbleibendem Innenquerschnitt der Wärmetausch rohre 6 in der Baugruppe 16 relativ zur Baugruppe 14 der Druck verlust wesentlich erhöht wird.

Fig. 3a variiert diese grundsätzliche Hintereinander schaltung von vier Kreisläufen mit zwei Kreisläufen noch da durch, daß in der Baugruppe 16 noch eine Stufe mit erneut er höhtem Druckverlust mit eingebaut wird, indem eingangsseitig wie im Falle der Fig. 3 zwei Strömungskreisläufe parallelge schaltet werden, die jedoch ausgangsseitig an einen einzigen Strömungskreislauf angeschlossen sind.

In nicht dargestellter Weise könnte man Parallel schaltungen nach Art der Baugruppe 14 auch im Eingangsbereich der Baugruppe 16 fortsetzen oder aber Schaltungsmaßnahmen der bei der Baugruppe 16 dargestellten Art schon in der Baugruppe 14 beginnen.

Bei den beiden Ausführungsformen der Fig. 3 und 3a ist zwischen den beiden Baugruppen 14 und 16 jeweils ein Zwi schensammler 22 zwischengeschaltet.

In Fig. 4a ist zunächst veranschaulicht, daß die Schal tungsmaßnahme gemäß Fig. 3 mit vier Kreisläufen in der Baugruppe 14 und zwei Kreisläufen in der Baugruppe 16 auch durch anders artige Rohrverschaltung gewonnen werden kann. Darüber hinaus ist auf einen Zwischensammler verzichtet, indem die einzelnen Kreis läufe der Baugruppe 14 paarweise durch sog. Dreifüße 26 in die zwei weiterführenden Kreisläufe strömungsmäßig überführt werden.

Es versteht sich, daß die geschilderten Schaltungs maßnahmen auch bei anderen Anzahlen der Kreisläufe in den ein zelnen Baugruppen analog realisiert werden können. Die hier dargestellten Anzahlen und Konfigurationen sind jedoch bevor zugt.

In Fig. 4b ist derselbe Verflüssiger wie in Fig. 4a, jedoch in konsequenter Anwendung der Ansprüche 1 und 3, darge stellt.

Die dargestellten vier Rohrreihen sind alle wärme leitmäßig durch einzelne Baugruppen 54, 56, 58 und 60 entkop pelt.

Zusätzlich wird von den Baugruppen 54, 56 auf 58, 60 der kältemittelseitige Druckverlust durch Zusammenschaltung von jeweils parallelen Kreisläufen 62 auf einen Kreislauf mit tels Dreifuß 26 erhöht.

Bei einem derart verschalteten Verflüssiger ist der Kurzschlußwärmestrom zwischen den Wärmetauschrohren in der La melle minimal.

Das gilt auch für die besonders kompakte nur drei reihige Ausführungsform nach Fig. 5.

Hier ist die Baugruppe 14 analog der von Fig. 3 ge wählt. Es erfolgt hier jedoch ein strömungsmäßiger Übergang des Kältemittels von den vier parallelen Kreisläufen der kältemittelmäßig ersten Baugruppe 14 in nur einen einzigen Kreislauf der Baugruppe 16.

In den Fig. 6 und 7 ist jeweils eine Draufsicht auf eine einzelne Wärmetauschlamelle für eine vierreihige Anordnung von hier nicht dargestellten Wärmetauschrohren dargestellt. Jeweils ein Wärmetauschrohr eines Rohrbündel wärmetauschers wird in üblicher Weise in einer Aufnahmeöff nung 28 der Lamelle 30 angeordnet, welche Teil der Verrippung 12 ist. Die Öffnungen können in üblicher Weise beispielsweise mit Verbindungshülsen zum Anschluß an das jeweilige Wärme tauschrohr ausgebildet sein. Man kann sich die einzelnen Aufnahmeöffnungen 28 dabei stellvertretend für die Anordnung der Sammeltauschrohre vorstellen.

Die einzelnen Lamellen 30 werden in üblicher Weise durch aus der Lamelle herausgearbeitete Distanzhalter 32, bei spielsweise herausgestellte Lappen des Lamellenmaterials, in gegenseitigem Abstand gehalten.

Aus der Anordnung der Aufnahmeöffnungen 28 erkennt man zunächst die Zuordnung zu solchen Verflüssigern, bei denen in Strömungsrichtung der Umgebungsluft die Wärmetauschrohre 6 jeweils hälftig auf Lücke versetzt sind.

In der Lamelle 38 sind zunächst an sich zur Erhö hung des Wärmeübergangs bekannte ausstellerartige Durchbre chungen 34 angeordnet, die sich zwischen benachbarten Auf nahmeöffnungen 28 jeweils längs einer Rohrreihe erstrecken und damit auch quer zu solchen Anschlußöffnungen liegen, welche in der jeweils übernächsten Rohrreihe benachbart sind. Man erkennt dabei sowohl in der Ausführungsform nach Fig. 6 als auch in der nach Fig. 7, daß derartige Unterbrechungen 34 nicht in der Lage sind, benachbarte Rohre aus benachbarten Rohrreihen voneinander wärmeleitmäßig zu entkoppeln.

Für den Zweck dieser wärmeleitmäßigen Entkopplung sind zusätzliche Unterbrechungen 36 vorgesehen, welche bei der Ausführungsform nach Fig. 6 parallel zu den Unterbrechungen 34 zwischen den beiden innen liegenden Rohrreihen verlaufen, bei der Ausführungsform nach Fig. 7 jedoch zusammen mit den Unter brechungen 34 einen Polygonzug beschreiben bzw. unter 45° zur Erstreckung der Reihen von Aufnahmeöffnungen 28 angeordnet sind.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 ist die wärme leitmäßige Entkopplung noch zusätzlich dadurch vergrößert, daß die Unterbrechungen 34 und 36 einander überlappend ange ordnet sind. Man kann jedoch einen guten Effekt auch noch ohne diese Überlappung erreichen, wenn auch die Überlappung wegen der Erhöhung des Wärmeleitwiderstandes bevorzugt ist.

Die Folge der Unterbrechungen 34 und 36 beschreibt dabei die Erstreckungsrichtung einer Verbindungszone 38 zwi schen den beiden Baugruppen 14 und 16 und den diesen jeweils zugeordneten Bereichen 40 und 42 der Lamelle 30.

Ohne Beschränkung der Allgemeinheit sind bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 die Unterbrechungen 36 als einfache Schlitze 44 nach Art der Variante d) von Fig. 8 aus gebildet.

Die Varianten a), b) und c) stellen bevorzugte Aus bildungen der in Fig. 7 eingezeichneten ausstellerartigen zusätzlichen Unterbrechungen 36 dar, die im übrigen aber auch bei den Unterbrechungen 34 an sich bekannt sind.

Bei der Variante a) sind die Materialaussteller ein seitig aus der Lamelle 30 ausgebogene, vorzugsweise gemeinsam jalousieförmig angeordnete, Stege 46.

Bei den Varianten b) und c) sind hingegen die Ma terialaussteller beidseitig über Schnittstellen 48 aus der Verrippung ausgeschnitten, so daß hervorgehobene dachartige Teile 50 entstehen, die jeweils nur stirnseitig mit der La melle 30 einstückig verbunden sind. Die Variante b) beschreibt hier ein Flachdach und die Variante c) ein Giebeldach, wobei vielfältige Formen möglich und auch im Zusammenhang mit den Unterbrechungen 34 üblich sind. Dementsprechend können auch die Unterbrechungen 34 alle in Fig. 8, Varianten a) bis c), ge wählten Formen haben. Im Grenzfall könnte man an diesen Stellen auch einfache Schlitze gemäß der Variante d) abweichend von der Üblichkeit vorsehen, so daß dann sowohl die Unterbrechungen 34 als auch die Unterbrechungen 36 lediglich zur wärmeleitmäßigen Entkoppelung dienen.

Dies gilt gleichermaßen sowohl für die Ausführungs formen der Fig. 6 als auch die der Fig. 7. Analog läßt sich die Anordnung auch auf dreireihige Lamellen oder solche mit anderer Reihenanzahl übertragen.

Die Unterbrechungen 36 und bei Einbeziehung der an sich bekannten Unterbrechungen 34 auch diese sind längs der Verbindungszone 38 jeweils durch relativ schmale Verbindungs stege 52 voneinander getrennt, so daß der Wärmefluß allein durch diese schmalen Verbindungsstege erfolgt und dadurch die mittlere Wärmeleitfähigkeit längs der Verbindungszone 38 ent sprechend dem Verhältnis zwischen Unterbrechung und Verbindungs steg reduziert ist.

In Fig. 9 ist der Temperaturverlauf der durch den Verflüssiger strömenden Umgebungsluft und des zur Umgebungsluft im Kreuzgegenstrom mit drei Gegensinnwenden geführten Kälte mittels dargestellt. Dabei ist das Kältemittel in den Rohren innerhalb einer Baugruppe im Kreuzstrom zur Luft und von Bau gruppe zu Baugruppe in Gegensinnwenden, d.h. im Gegenstrom zur Luft, geführt. Innerhalb einer Baugruppe kann das Kältemittel auch im Kreuzgegenstrom mit einer oder zwei Gegensinnwenden ge führt werden, wenn die Baugruppe aus mehr als einer Rohrreihe besteht. Jedoch wird durch den geringen Abstand der benachbarten Rohre verschiedener Rohrreihen die unterschiedliche Temperatur durch die Lamelle gemittelt, so daß die im Gegensatz zur reinen Kreuzstromführung der Rohre erhöhte Temperaturdifferenz bei Kreuzgegenstrom nicht wirksam wird.

In Fig. 9 ist daher die für die wirksame Temperatur differenz optimierte Lösung dargestellt, bei der jede Rohr reihe eins bis vier gemäß Fig. 4b jeweils einer Baugruppe 54, 56, 58, 60 zugeordnet ist.

Bei einer derartigen Aufteilung eines z.B. vierreihi gen Verflüssigers in ebenfalls vier Baugruppen 54, 56, 58 und 60 kann sich die in Durchströmungsrichtung des Kältemittels ge mäß Fig. 9 abnehmende Kältemitteltemperatur nicht durch Kurz schlußwärmeströme in der Verrippung ausgleichen, sondern es stellt sich der in Fig. 9 durchgezogene Kurvenzug als Verrip pungstemperatur ein, der unterhalb dem ebenfalls dargestell ten Kältemitteltemperaturverlauf liegt.

Bei einem im Kreuzgegenstrom verschalteten Verflüssi ger nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 13 ist, unter Voraus setzung, daß dieselbe Austrittstemperatur erreicht werden soll, die Verrippungstemperatur im Mittel erheblich niedriger, da die Wärme in der Lamelle von den Wärmetauscherrohren mit höherer Temperatur am Verflüssigereintritt zu den Wärmetauscherrohren niedrigerer Temperatur am Verflüssigeraustritt strömt.

Die wirksame Temperaturdifferenz kann anschaulich durch die Fläche zwischen dem Verrippungs- und dem Lufttempe raturverlauf dargestellt werden.

In Fig. 9 ist der Zuwachs der wirksamen Temperatur differenz eines gemäß den Ansprüchen 1 und 3 verschalteten Verflüssigers gegenüber einem ebenfalls in Kreuzgegenstrom verschalteten Verflüssiger nach dem Stand der Technik als schraffierte Fläche (A1) dargestellt.

Im Gegensatz zur wirksamen Temperaturdifferenz eines gemäß dem Stand der Technik verschalteten Verflüssigers, die durch die schraffiert dargestellte Fläche (A2) dargestellt wird, wird durch den erfindungsgemäßen Verflüssiger mehr als eine Ver doppelung der wirksamen Temperaturdifferenz erreicht. Da der dargestellte Temperaturverlauf einem mittleren Betriebszustand einer Fahrzeugklimaanlage entspricht, ist bei kleineren Luftge schwindigkeiten, d.h. einer stärkeren Lufterwärmung, ein noch größerer Zuwachs an wirksamer Temperaturdifferenz durch den erfindungsgemäßen Verflüssiger möglich.

In den Fig. 10 und 11 sind Optimierungskriterien für den kältemittelseitigen Druckverlust dargestellt. Der sich bei unterschiedlichen kältemittelseitigen Druckverlusten einstel lende Temperaturverlauf im Kältemittelkreislauf ist im Kälte mittelzustandsdiagramm in Fig. 11b gezeigt.

Der kältemittelseitige Druckverlust muß in jeder einzelnen Baugruppe so gewählt werden, daß die Austrittstempe ratur des verflüssigten Kältemittels t_KA im Bereich von deren Minimum t_KA1 bis zum Minimum der Sättigungstemperatur t_KE1 des in den Verflüssiger eintretenden Kältemittels liegt.

Die Fig. 10, 11a und 11b werden nachfolgend anhand von Beispielen erläutert.

Wählt man eine Auslegung mit sehr kleinem kältemittel seitigen Druckverlust, z.B. 0,05 bar, so ist der innere Wärme übergangskoeffizient α, der in Fig. 10 über dem kältemittel seitigen Druckverlust qualitativ aufgetragen ist, minimal.

Aus dem minimalen kältemittelseitigen Druckverlust Δ_K resultiert eine maximal wirksame mit Δt_log in Fig. 10 be zeichnete Temperaturdifferenz zwischen dem Kältemittel einer seits und der Umgebungsluft andererseits, da die Sättigungs temperatur im Verlauf des Strömungsweges des Kältemittels nicht abnimmt. Andererseits ist die Wärmedurchgangszahl (in Fig. 10 mit K bezeichnet) durch den minimalen inneren Wärme übergangskoeffizienten klein.

Das für die Verflüssigerleistung entscheidende Pro dukt von Wärmedurchgangszahl mit der wirksamen Temperaturdif ferenz (in Fig. 10 mit K×Δt_log bezeichnet) erreicht daher bei 0,05 bar kältemittelseitigem Druckverlust nicht den maxi malen Wert.

Aus diesem Grund wird in einem vorgegebenen Kälte mittelkreislauf einer Fahrzeugklimaanlage bei konstanten Be triebsbedingungen auch nicht die minimale Verflüssigungstem peratur am Eintritt (in Fig. 11a mit t_KE bezeichnet) erreicht, da aufgrund der kleineren Wärmedurchgangszahl K bei sonst kon stanten Bedingungen (wie äußere Fläche, Umgebungstemperatur etc.) die Sättigungstemperatur des Kältemittels t_KE und der Sättigungsdruck p_KE höher sein müssen als bei einer Auslegung mit höherer Wärmedurchgangszahl. Durch den geringen kälte mittelseitigen Druckverlust wird zusätzlich eine für die Innen raumabkühlung des Kraftfahrzeugs erwünschte Absenkung der Käl temittelaustrittstemperatur (die in Fig. 11a mit t_KA bezeich net ist) verhindert.

Der Kältemittelkreisprozeß, der sich bei einem Ver flüssiger mit kleinen kältemittelseitigen Druckverlusten, z.B. von 0,05 bar, einstellt, ist im Kältemittelzustandsdiagramm in Fig. 11b dargestellt.

Fig. 11b zeigt die Grenzkurve für den flüssigen Zu stand und die Grenzkurve für den gasförmigen Zustand, die im kritischen Punkt aufeinandertreffen und auch mit "Sättigungs linien" bezeichnet werden können.

Der Zustand des Kältemittels wird in erster Linie durch den Kältemitteldruck P und die Enthalpie h beschrieben, die in Fig. 11b als Ordinate bzw. Abszisse aufgetragen sind. Es stellen dar:
Punkt A: Eintritt in den Verdampfer;
Punkt B: Austritt aus dem Verdampfer bzw. Eintritt in den Verichter;
Punkt C: Austritt aus dem Verdichter bzw. Eintritt in den Verflüssiger;

Punkt D: Austritt aus dem Verflüssiger bzw. Eintritt in das Drosselorgan des Kältemittelkreislaufes.

Der bei Verflüssigern mit 0,05 bar kältemittelseiti gem Druckverlust sich einstellende Kreisprozeß ist in Fig. 11b mit A, B, C und D bezeichnet, wobei die Richtung des Kältemittel kreislaufes mit einem Pfeil gekennzeichnet ist. Von den drei dargestellten Kältekreisläufen wird ein mittlerer Eintritts druck p_KE bei Punkt C erreicht, während der Austrittsdruck p_KA und damit auch die durch die Dampfdruckkurve zugeordnete Sätti gungstemperatur im Punkt D weitaus am höchsten ist. Da die Un terkühlung des flüssigen Kältemittels auf Werte unterhalb der dem Druck entsprechenden Sättigungstemperatur bei allen Ver flüssigerkonstruktionen, deren flüssiges Kältemittel ungehindert aus dem Verflüssiger abfließen kann, vergleichbare Werte ein nimmt, ist auch die thermometrisch am Austritt des Verflüssi gers gemessene Kältemittelaustrittstemperatur vergleichsweise hoch. Da die Enthalpie h mit der Temperatur des flüssigen Kältemittels ansteigt, ist die Eintrittsenthalpie des Kälte mittels in den Verdampfer in Punkt A ebenfalls am höchsten.

Aus diesem Grunde steht im Verdampfer bei konstanter Überhitzung des aus dem Verdampfer austretenden Kältemittels (Punkt B) eine vergleichsweise geringe Enthalpiedifferenz Δh_o zur Wärmeaufnahme zur Verfügung, so daß pro kg vom Verdichter umgewälzten Kältemittels weniger Wärme aufgenommen werden kann als bei den beiden anderen mit "bzw." bezeichneten Kälte mittelkreisprozessen. Dies führt wiederum bei sonst konstanten Bedingungen zu einem vergleichsweise hohen Verdampfungsdruck (Punkte A und B) mit daraus resultierender höherer Luftaus trittstemperatur aus dem Verdampfer und schließlich vergleichs weise hoher Innenraumtemperatur.

Erhöht man den kältemittelseitigen Druckverlust auf den für den Verflüssiger optimalen und in den Fig. 10 und 11a mit t_KE1 bezeichneten Wert von ca. 0,7 bar, so fällt die wirk same Temperaturdifferenz in Fig. 10 zwar ab, andererseits nimmt der innere Wärmeübergangskoeffizient α₁ und damit auch die Wärmedurchgangszahl K jedoch zu. Da gemäß Fig. 10 von 0,05 bar kältemittelseitigem Druckverlust bis zum Druckverlust 0,7 bar die Zunahme der Wärmedurchgangszahl größer als die Ab nahme der wirksamen Temperaturdifferenz ist, erreicht das für die Verflüssigerleistung entscheidende Produkt von wirksamer Temperaturdifferenz mit der Wärmedurchgangszahl K×Δt_log beim kältemittelseitigen Druckverlust t_KE1 gemäß Fig. 10 sein Maximum, welches wie schon erläutert gleichbedeutend ist mit dem Minimum der Sättigungstemperatur am Eintritt des Verflüssi gers t_KE gemäß Fig. 11a. Durch den bei t_KE1 um 0,65 bar höheren kältemittelseitigen Druckverlust kommt es zu einer weiteren Absenkung der Sättigungstemperatur am Verflüssigeraustritt t_KA.

Betrachtet man den zuletzt beschriebenen Kältemittel verflüssiger im gesamten Kältekreislauf gemäß Fig. 11b, so er kennt man den minimalen Kältemitteleintrittsdruck p_KE, der gleichbedeutend ist mit der minimal gesättigten Kältemittel eintrittstemperatur t_KE1 in Punkt C′, und den durch das Gefälle nach links dargestellten Druckverlust Δp_K des Verflüssigers mit der Folge, daß der Austrittsdruck p_KA und die Kältemittelaus trittstemperatur niedriger sind, wodurch die dem Verdampfer zur Verfügung stehende Enthalpiedifferenz h_o′ größer als bei einem Verflüssiger mit 0,05 bar kältemittelseitigem Druckver lust ist.

Wie schon erläutert, resultiert daraus eine ver gleichsweise niedrigere Verdampfungs-, Luftaustritts- sowie Fahrzeuginnenraumtemperatur.

Eine darüber hinausgehende Absenkung der Verflüssi geraustrittstemperatur t_KA läßt sich durch eine weitere Erhö hung des kältemittelseitigen Druckverlustes von t_KE1 auf t_KE2 erreichen.

Bei dieser Dimensionierung ist jedoch die von K×Δt_log bestimmte Verflüssigerleistung nicht mehr maximal, da die wirksame Temperaturdifferenz stärker abnimmt als die Wärmedurchgangszahl zunimmt, so daß auch die Sättigungstempe ratur am Verflüssigereintritt ansteigt (siehe Punkt C′′ in Fig. 11b).

Werden jedoch Verdichter mit "steiler Kennlinie", d.h. nahezu förderdruckunabhängigem Fördervolumenstrom, ein gesetzt, so reduziert der gemäß der Dampfdruckkurve mit der Sättigungstemperatur t_KE ansteigende Kältemitteleintritts druck p_KE nicht den Kältemittelmassenstrom, so daß die aus der Kältemittelaustrittstemperatur aus dem Verflüssiger (Punkt D′′ in Fig. 15) resultierende maximale Enthalpiedifferenz Δh_o′′ des Kältemittels im Verdampfer zu einer weiteren Absenkung des Verdampfungsdrucks in Punkt A′′ und B′′ und damit zu der minimal möglichen Luftaustrittstemperatur aus dem Verdampfer sowie maximal möglichen Innenraumabkühlung führt.

Claims

Verflüssiger für ein Kältemittel einer Fahrzeug klimaanlage mit verrippten Wärmetauschrohren (6), durch die das Kältemittel im Kreuzstrom zu anströmender Umgebungsluft geführt ist, wobei die Wärmetauschrohre in mehreren in Anström richtung der Umgebungsluft hintereinander angeordneten Rohr reihen angeordnet sind, deren jeweilige Wärmetauschrohre im Kreuzgegenstrom verschaltet sind, wobei die Verrippung (12) insbesondere aus Folien (30) aus Al, Cu oder Legierungen dieser Materialien mit einer Stärke von weniger als 0,15 mm besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrreihen in mehrere in Anströmrichtung (A) der Umgebungsluft hintereinander angeordnete Baugruppen (14, 16) unterteilt sind, deren Verrippungen (12) mindestens wärmeleitmäßig entkoppelt sind, und daß die Baugruppen (14, 16) kältemittelmäßig in Reihe im Gegenstrom zur Anströmrichtung (A) der Umgebungsluft ver schaltet sind.
2. Verflüssiger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet daß nur zwei Baugruppen (14, 16) vorgesehen sind.
3. Verflüssiger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß eine vom Kältemittel zuerst durchströmte (erste) Baugruppe (14) mit relativ geringem kälteseitigen Druckverlust und eine vom Kältemittel nachfolgend durchströmte (zweite) Bau gruppe (16) mit relativ hohem kälteseitigen Druckverlust ausge legt ist.
4. Verflüssiger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckverlust der ersten Baugruppe (14) so bemessen ist, daß das Produkt einerseits aus wirksamer Temperaturdifferenz (Δt_log ) zwischen Umgebungsluft und Kältemittel und andererseits aus dem Wärmedurchgangskoeffizienten k maximal ist.
5. Verflüssiger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckverlust der zweiten Baugruppe (16) so groß bemessen ist, daß die Austrittstemperatur (t_KA) des verflüssigten Kälte mittels im Bereich von deren Minimum bis zum Minimum der Sätti gungstemperatur (t_KE) des in den Verflüssiger eintretenden Käl temittels liegt.
6. Verflüssiger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Baugruppen (14, 16) über ihre Ver rippung (12) mechanisch verbunden sind, in einer Verbindungszone (38) zwischen jeweils zwei benachbarten Baugruppen (14, 16) aber die mittlere Wärmeleitfähigkeit λ_m unter 50%, vorzugsweise unter 20%, höchstvorzugsweise unter 10%, der Wärmeleitfähigkeit λ des Materials der Verrippung (12) der beiden benachbarten Bau gruppen (14, 16) liegt.
7. Verflüssiger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß (jeweils) zwei benachbarte Baugruppen (14, 16) eine gemeinsame Verrippung (12) besitzen, welche längs der Verbindungszone (38) zwischen den beiden Baugruppen (14, 16) eine Folge von Unterbrechnungen (36) verläuft, zwischen denen Verbindungsstege (52) verbleiben und die jeweils zwischen Paaren von Wärmetauschrohren (6) angeordnet sind, die direkt benach barten Rohrreihen der beiden benachbarten Baugruppen (14, 16) angehören.
8. Verflüssiger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß, in Erstreckungsrichtung der Verbindungszone (38) gemessen, die mittlere Länge der Verbindungsstege (52) weniger als 50%, vorzugsweise weniger als 20%, höchstvorzugsweise weniger als 10%, der mittleren Länge der Unterbrechungen (36) beträgt.
9. Verflüssiger nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn zeichnet, daß Unterbrechnungen (36) als Materiallücken (44), vorzugsweise Ausstanzungen, ausgebildet sind.
10. Verflüssiger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Materiallücken sich längs der Verbindungszone erstrecken de Schlitze (44) sind.
11. Verflüssiger nach einem der Ansprüche 7 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß Unterbrechungen als Materialaussteller (46; 50) ausgebildet sind.
12. Verflüssiger nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich net, daß Materialaussteller einseitig aus der Verrippung (12) ausgebogene, vorzugsweise gemeinsam jalousieförmig angeordnete, Stege (46) sind.
13. Verflüssiger nach Anspruch 11 oder 12, dadurch ge kennzeichnet, daß Materialaussteller (50) beidseitig der Ver rippung (12) ausgeschnitten sind.
14. Verflüssiger nach einem der Ansprüche 7 bis 13 mit in Strömungsrichtung (A) der Umgebungsluft versetzten Wärme tauschrohren (6), dadurch gekennzeichnet, daß in die Folge der Unterbrechungen (36) an sich bekannte Unterbrechungen (34) mit einbezogen sind, die jeweils quer zwischen Paaren von Wärme tauschrohren (6) angeordnet sind, welche unterschiedlichen benachbarten Rohrreihen voneinander getrennter Baugruppen (14, 16) angehören.
15. Verflüssiger nach einem der Ansprüche 6 bis 14, da durch gekennzeichnet, daß die Verbindungszone (38) längs eines Polygon- oder Wellenzugs zwischen den (jeweils) benachbarten beiden Baugruppen (14, 16) verläuft.
16. Verflüssiger nach den Ansprüchen 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß alle Unterbrechungen (34, 36) der Folge einen Polygonzug beschreiben.
17. Verflüssiger nach den Ansprüchen 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß alle Unterbrechungen (34, 36) der Folge zu einander parallel verlaufen.
18. Verflüssiger nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Unterbrechungen (34, 36) der Folge sich gegensei tig überlappen.