DE4020591A1

DE4020591A1 - Waermetauscher des gleichstrom-typs fuer fahrzeuge

Info

Publication number: DE4020591A1
Application number: DE19904020591
Authority: DE
Inventors: Kunihiko Nishishita
Original assignee: Diesel Kiki Co Ltd
Current assignee: Bosch Corp
Priority date: 1990-06-28
Filing date: 1990-06-28
Publication date: 1992-01-02
Anticipated expiration: 2010-06-29
Also published as: FR2664368B1; DE4020591C2; FR2664368A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher des Gleichstrom-Typs, wie etwa ausgeführt in der Form eines Kondensors.

Der Wärmetauscher des Gleichstromtyps, wie etwa ausgeführt in der Form eines Kondensors, umfaßt herkömmlicherweise eine Vielzahl von flachen Röhren und gewellten Rippen, welche abwechselnd aufeinandergelegt sind, ein Einlaß-Kopfrohr, mit welchem die flachen Röhren an ihrem Ende verbunden sind, und ein Auslaß- Kopfrohr, mit welchem die flachen Röhren an ihrem anderen Ende verbunden sind. Ebenso ist es wohl bekannt, die jeweilige Kopfröhre mit Einteilungen darin zu versehen, so daß ein zick-zack-artig gefalteter Fluß des Kühlmittels entlang einer Vielzahl von Pfaden, die zwischen den zwei Kopfrohren definiert sind, bewirkt wird, mit einem Wärmetausch-Wirkungsgrad, der höher ist als der, der mit dem herkömmlichen Wärmetauscher des Schlangen-Typs erzielt wird, wobei in vorteilhafter Weise eine benötigte Menge von Kühlmittel verringert wird (z. B. Japanese Patent Application Disclosure Gazettes Nos. 1988-34 466 und 1988-2 43 688).

Jedoch hat es sich selbst in derartig verbesserten Wärmetauschern des Gleichstrom-Typs als schwierig erwiesen, die insgesamte Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers zu verbessern, selbst wenn jeweilige Entwurf-Faktoren separat voreingestellt werden, weil ein Strömungswiderstand von kühlender Luft und ein Wärmeabstrahlwert auf der einen Seite und ein Durchflußwiderstand des Kühlmittels und ein Wärmeaustauschwirkungsgrad auf der anderen Seite zueinander in enger Beziehung stehen.

Dementsprechend ist es eine vorrangige Aufgabe der Erfindung, einen Wärmetauscher vorzusehen, welcher es möglich macht, dessen gesamte Leistungsfähigkeit zu verbessern.

Die oben dargelegte Aufgabe wird entsprechend der Erfindung gelöst durch Erstellung eines Wärmetauschers des Gleichstrom-Typs, der eine Vielzahl von flachen Röhren und gewellten Rippen, die abwechselnd aufeinandergelegt sind, ein Einlaß-Kopfrohr, mit welchem die flachen Röhren an ihrem einen Ende verbunden sind, ein Auslaß-Kopfrohr, mit welchem die flachen Röhren an ihrem anderen Ende verbunden sind, und Einteilungen umfaßt, welche in den jeweiligen Kopfröhren vorgesehen sind, so daß ein Fluß des Kühlmittels in zick-zack- artig gefalteter Weise entlang einer Vielzahl von zwischen den zwei Kopfröhren definierten Pfaden aufgebaut wird, und dadurch gekennzeichnet ist, daß

a) jede der gewellten Rippen eine Höhe B im Bereich von B=7 bis 10 mm hat;
b) jede der gewellten Rippen eine Weite C im Bereich von C=14 bis 25 mm, gemessen in der Richtung parallel zu einem Luftstrom, hat;
c) jede der gewellten Rippen eine Wanddicke D im Bereich von D=0,12 bis 0,14 mm hat;
d) jede der gewellten Rippen einen Abstand E hat, welcher einer Entfernung zwischen jedem Paar benachbarter Wellungen entspricht, in einem Bereich von E=2,0 bis 4,0 mm;
e) jede der flachen Röhren eine Höhe F in einem Bereich von F=1,5 bis 2,5 mm hat;
f) jede der flachen Röhren eine Weite G in einem Bereich von G=12 bis 23 mm, gemessen in der Richtung parallel zum Luftstrom, hat;
g) Pfade definiert sind, deren Anzahl P_s in dem Bereich von P_s=3 bis 6 liegt; und
h) die Anzahlen von flachen Röhren in den jeweiligen Pfaden von der der Einströmung nächsten Seite zu der der Ausströmung nächsten Seite ungefähr um dieselbe Anzahl abnehmen, und die Anzahl von Röhren, welche den der Einströmung nächsten Pfad definieren, ungefähr doppelt so groß wie die Anzahl der Röhren ist, die den der Ausströmung nächsten Pfad definieren.

Die anderen Eigenschaften, Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen deutlich.

In den Figuren zeigen:

Fig. 1 bis 11 ein erläuterndes Ausführungsbeispiel der Erfindung, in welchen

Fig. 1 eine Frontalansicht des Wärmetauschers ist;

Fig. 2 ein Schnitt des Kopfrohres entlang der Linie II-II in Fig. 1 ist;

Fig. 3 eine Schnittansicht entlang einer Linie III-III in Fig. 2 ist;

Fig. 4 eine Seitenansicht der in Fig. 3 dargestell ten flachen Röhren und gewellten Rippen ist;

Fig. 5 ein graphisches Diagramm einer Flachheit gegen einen Durchflußwiderstand ist;

Fig. 6 ein graphisches Diagramm einer Rippenhöhe gegen einen Wärmeaustausch-Wirkungsgrad ist;

Fig. 7 ein graphisches Diagramm einer Rippenweite gegen einen Wärmeaustausch-Wirkungsgrad ist;

Fig. 8 ein graphisches Diagramm einer Rippenwand stärke gegen einen Wärmeaustausch-Wirkungs grad ist;

Fig. 9 ein graphisches Diagramm eines Rippen abstandes gegen einen Wärmeaustausch wirkungsgrad ist;

Fig. 10 ein graphisches Diagramm einer Röhrenhöhe gegen einen Wärmeaustausch-Wirkungsgrad ist; und

Fig. 11 ein graphisches Diagramm der Anzahl von Pfaden gegen den Durchflußwiderstand ist.

Ein Wärmeaustauscher 1 entsprechend diesem Ausführungsbeisiel umfaßt, wie in Fig. 1 gezeigt, eine Vielzahl von flachen Röhren 2 und gewellten Rippen 3, die abwechselnd aufeinandergelegt sind, ein Einlaß-Kopfrohr 4, mit welchem diese flachen Röhren 2 an ihrem einen Ende verbunden sind, und Auslaß-Kopfrohr 5, mit welchem die flachen Röhren an ihrem anderen Ende verbunden sind. Die jeweiligen Kopfrohre 4 und 5 haben ihre vertikal gegenüberliegenden Enden durch Abdeckungen 6 bzw. 7 verschlossen. Ein Einlaß-Anschluß 8 ist mit dem Einlaß-Kopfrohr 4 an seinem oberen Ende verbunden, und ein Auslaß-Anschluß 9 ist mit dem Auslaß-Kopfrohr 5 an seinem unteren Ende verbunden. Sowohl die Einlaß- wie auch die Auslaß-Kopfrohre 4, 5 enthalten Einteilungen 10 darin, welche angepaßt sind, eine Vielzahl von Pfaden zu definieren, von denen jeder durch eine Vielzahl von flachen Röhren 2 definiert wird. In diesem Ausführungsbeispiel sind solche Pfade festgelegt, deren Anzahl P_s=5 ist. Somit sieht die Erfindung einen Wärmetauscher des Gleichstrom-Typs vor, in welchem ein Fluß von Kühlmittel in vielfach zick-zack-artig gefalteter Weise entlang einer Vielzahl von Pfaden P_s1 bis P_s5 zwischen dem Einlaß-Anschluß 8 und dem Auslaß- Anschluß 9 aufgebaut wird.

Jedes der Kopfrohre 4, 5 besteht, wie in Fig. 2 im Schnitt gezeigt, aus einer Wanne 12 und einer Endplatte 13, welche beide im Querschnitt kreisförmig gebogen sind, so daß die beiden Komponenten zusammen einen elliptischen Querschnitt bilden, der von einem kleineren Durchmesser x und einem größeren Durchmesser y definiert wird. Jede Endplatte 13 wird mit einer Vielzahl von Röhren-Einsetzöffnungen 13a ausgebildet, in welche die Enden der jeweiligen flachen Röhren 2 eingesetzt und zu einer Einheit mit der Endplatte 13 durch Löten verbunden werden.

Verschiedene Faktoren wie eine Flachheit A der jeweiligen Kopfröhren 4, 5, eine Höhe B, eine Weite C, eine Wandstärke D und ein Abstand E der gewellten Rippen 3, eine Höhe F und eine Weite G der flachen Röhre 2, die Anzahl P_s der Pfade und die Anzahl der Röhren 2, welche die jeweiligen Pfade definieren, werden gewählt wie unten beschrieben.

Die Flachheit A der jeweiligen Kopfröhren 4, 5 wird von dem Verhältnis des kleineren Durchmessers x (d. h., eine Tiefendimension des Röhreninneren, auch Röhrenhöhe genannt) zu dem größeren Durchmesser y des elliptischen Querschnittes definiert, wie in Fig. 2 dargestellt, nämlich, x/y. Die Flachheit A wird bevorzugterweise in einem Bereich von 0,65 bis 0,8 gewählt, und dieses spezielle Ausführungsbeispiel verwendet A=0,8.

Der oben erwähnte Bereich der Flachheit A wird im Blick auf eine Beziehung zwischen dem Kühlmittel- Durchflußwiderstand ΔP_r und dem Kühlmittel- Einspareffekt gewählt. Spezieller steht die Flachheit A zu dem Kühlmittel-Durchflußwiderstand ΔP_r in einer Beziehung wie durch eine charakteristische Kurve der Fig. 5 angedeutet, und diese charakteristische Kurve schlägt vor, daß der Durchflußwiderstand ΔP_r bevorzugterweise weniger als 1(kg/cm²) für den Minimalwert der Flachheit A sein sollte. Solch ein Erfordernis bestimmt den Minimalwert von A=0,65. Solch ein Wert des Durchfluß- Widerstandes ΔP_r kleiner als 1 (kg/cm²) wird auch generell für die Konstruktion des Wärmetauschers benötigt. Der Maximalwert der Flachheit A wird auf der anderen Seite durch Inbetrachtziehen der Tatsache gegeben, daß, je kleiner die Flachheit A ist, desto größer die Kühlmittelkapazität ist. Insbesondere wird der oben erwähnte Maximalwert von A=0,8 so gewählt, um den Kühlmittel-Einspareffekt mit einem Grenzwert der Kühlmittelkapazität in der Größenordnung von 2/3 bezüglich des Wärmetauschers des Schlangen-Typs mit vergleichbarer Leistungsfähigkeit gewählt, zum Beispiel 400 mm³.

Die Höhe B der gewellten Rippe 3 entspricht, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, einer Entfernungsdimension zwischen jedem Paar der benachbarten Röhren 2, und bevorzugter weise 7 bis 10 mm. In diesem speziellen Ausführungsbeispiel ist B=8 mm. Solch ein Bereich wird hinsichtlich einer Beziehung zwischen der Rippenhöhe B und dem Wärmeaustausch-Wirkungsgrad Q des Wärmetauschers 1 gewählt, wie von einer charakteristischen Kurve der Fig. 6 angedeutet. Somit wird der Bereich gewählt, um 90% oder mehr des Maximalwertes α des Wirkungsgrades Q zu erzielen. Der Wirkungsgrad Q (Kcal/h m²) wird als Verhältnis eines Wärmeabstrahlwertes Ha (Kcal/h) zu einem Flußwiderstand ΔP_a(mm Ag) kühlender Luft, die durch den Wärmetauscher fließt, ausgedrückt, daß heißt Q=Ha/ΔP_a. Mit anderen Worten, je höher der Lufströmungswiderstand ΔP_a, desto geringer ist der Wärmeaustausch-Wirkungsgrad Q.

Die Weite C der Rippe 3 ist eine Dimension, die entlang der Strömungrichtung der fließenden Luft gemessen wird, wie in Fig. 3 durch einen Pfeil N angedeutet, und wird bevorzugtermaßen in einem Bereich von C=14 bis 25 mm gewählt. In diesem speziellen Ausführungsbeispiel ist C= 20 mm. Solch ein Bereich wird im Blick auf eine Beziehung zwischen der Rippenweite C und dem Wirkungsgrad Q des Wärmeaustauschers gewählt, wie durch eine charakteristische Kurve der Fig. 7 angedeutet, und so, um 90% oder mehr des maximalen Wirkungsgrades Q zu erzielen.

Die Wandstärke D der Rippe 3 wird bevorzugtermaßen in einem Bereich von D=0,12 bis 0,14 mm gewählt, und in diesem speziellen Ausführungsbeispiel ist D=0,13 mm. Solch ein Bereich wird in Betracht einer Beziehung zwischen der Wandstärke D und dem Wirkungsgrad Q des Wärmeaustauschers gewählt, wie durch eine charakteristische Kurve der Fig. 8 angedeutet. Obwohl diese charakteristische Kurve vorschlägt, daß die Wandstärke D bevorzugtermaßen so klein wie möglich sein sollte, schlägt eine Kurve 1 der Aufbaustabilität vor, daß die Stabilität des Aufbaus abrupt sinkt, wenn die Wandstärke D den Wert 0,12 mm unterschreitet. Somit wird der Bereich der Wandstärke D wie oben angedeutet gewählt.

Der Abstand E der Rippe 3 ist eine Entfernung zwischen jedem Paar von den benachbarten Wellungen, wie in Fig. 4 gezeigt, und wird bevorzugtermaßen in einem Bereich von E=2,0 bis 4,0 mm gewählt. In diesem speziellen Ausführungsbeispiel ist E=3,6 mm. Solch ein Bereich wird auf der Grundlage einer Beziehung zwischen dem Rippenabstand E und dem Wirkungsgrad Q des Wärmetauschers gewählt, wie durch eine charakteristische Kurve der Fig. 9 angedeutet, und so, um 90% oder mehr des maximalen Wirkungsgrades Q zu erzielen.

Die Höhe F der flachen Röhre 2 ist, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, eine Dimension, die in Richtung der Stapelung gemessen wird und bevorzugtermaßen in einem Bereich von F=1,5 bis 2,5 mm gewählt wird. In diesem speziellen Ausführungsbeispiel ist F=2 mm. Solch ein Bereich wird auf der Basis einer Beziehung zwischen der Röhrenhöhe F und dem Wirkungsgrad Q des Wärmetauschers gewählt, wie durch eine charakteristische Kurve der Fig. 10 angedeutet. Diese charakteristische Kurve deutet an, daß die Röhrenhöhe F von weniger als 1,5 mm eine Massenfertigung der Röhren 2 durch Fließpressen sehr schwierig machen würde, und deshalb sollte der Minimalwert für F=1,5 mm sein. Die charakteristische Kurve deutet auch an, daß der Maximalwert α des Wirkungsgrades Q (Kcal/h m²), wie in Fig. 6 dargestellt, mit der Röhrenhöhe F=2,0 mm erzielt wird. Somit wird das Maximum von F=2,5 mm unter Berücksichtigung des zentralen Wertes der Röhrenhöhe F=2,0 mm gewählt, wie in Fig. 10 gezeigt.

Die Weite G der flachen Röhre 2 ist, wie in Fig. 3 gezeigt, eine Dimension, die entlang der Richtung gemessen wird, in welche die Kühlluft durch die Röhre 2 fließt, und wird bevorzugtermaßen in einem Bereich von G=12 bis 23 mm gemessen. In diesem speziellen Ausführungsbeispiel ist G=18 mm. Diese Röhrenweite G wird definiert als die Dimension, welche der oben erwähnten Rippenweite abzüglich 2 mm entspricht, das heißt, die Wandstärke der Rippe abzüglich jeweils 1 mm an gegenüberliegenden Kanten davon. Die Röhrenweite G wird in dieser Weise dimensioniert, weil die gegenüberliegenden Kanten der Röhre 2 sich über die Rippe 3 hinaus erstrecken würden, und beschädigt werden könnten, wenn die Röhrenweite G größer als die Rippenweite C ist, während eine extrem schmale Röhrenweite G den Wirkungsgrad Q des Wärmetauschers verschlechtern würde. Der Bereich der Röhrenweite G, wie oben angegeben, vermeidet beide Möglichkeiten.

Die jeweiligen Pfade umfassen eine Vielzahl der flachen Röhren 2, die durch die Einteilungen 10 definiert sind, und die Anzahl P_s solcher Pfade wird bevorzugtermaßen in einem Bereich von P=3 bis 6 gewählt. In diesem speziellen Ausführungsbeispiel ist P_s=5, wie in Fig. 1 gezeigt. Der Bereich von 3 bis 6 wird auf der Grundlage einer Beziehung zwischen der Anzahl P_s der Pfade und dem Wirkungsgrad Q des Wärmetauschers gewählt, wie durch eine charakteristische Kurve der Fig. 11 angedeutet. Diese charakteristische Kurve deutet an, daß der Wirkungsgrad Q mit der Anzahl P_s der Pfade wächst, und der Bereich von P_s=3 bis 6 stellt ein ausreichendes Niveau des Wirkungsgrades Q mit einem Durchflußwiderstand ΔP_r weniger als 1 sicher.

Die Anzahl der flachen Röhren 2, welche jeden Pfad ausmachen, ist so gewählt, daß die flachen Röhren 2 graduell im wesentlichen um die gleiche Anzahl von der der Einströmung nächsten Seite zu der der Ausströmung nächsten Seite abnehmen, und die Anzahl der flachen Röhren 2, welche den ersten und obersten Pfad auf der Einlaß-Seite bilden, im wesentlichen doppelt so groß wie die Anzahl der flachen Röhren ist, welche den letzten und untersten Pfad auf der Auslaß-Seite bilden. Zum Beispiel werden fünf Pfade in diesem speziellen Ausführungsbeispiel vorgesehen, und, wie in Fig. 1 gezeigt, die Anzahl der flachen Röhren, welche die jeweiligen Pfade P_s bis P_s5 bilden, sind 8, 7, 6, 5 bzw. 4, nämlich, die Anzahl der flachen Röhren verringert sich sukzessive um eins zu der der Ausströmung nächsten Seite hin, so daß die Anzahl der flachen Röhren, welche den ersten Pfad P_s1 bilden, doppelt so groß wie die Anzahl der flachen Röhren ist, welche den letzten und fünften Pfad P_s5 bilden.

Solch eine Anordnung basiert auf der Tatsache, daß generell bei dem Wärmetauscher wie dem Kondensor das Kühlmittel in den Wärmetauscher in gasförmigem Zustand mit relativ großem Volumen eintritt, und den Wärmeaustauscher in im wesentlichen verflüssigten Zustand mit einem relativ geringen Volumen verläßt. Spezieller wird während des Passierens durch den Wärmeaustauscher das Kühlmittel vom gasförmigen Zustand in den gasförmigen/flüssigen Zweiphasenzustand kondensiert, während der Wärmeaustausch in dem Wärmetauscher stattfindet, und demzufolge verringert sich das benötigte Volumen des Kühlmittels graduell, das heißt, die benötigte Anzahl von flachen Röhren verringert sich dementsprechend auch. Die Erfahrung hat gelehrt, daß die flachen Röhren, welche jeden Pfad definieren, bevorzugtermaßen sukzessive um die gleiche Anzahl von der der Einströmung nächsten Seite zu der der Ausströmung nächsten Seite verringert werden. Es wurde ebenso experimentell gefunden, daß die Anzahl der flachen Röhren, die den Auslaßpfad definieren, bevorzugtermaßen die Hälfte der flachen Röhren, welche den Einlaßpfad bilden, ist, und daß eine exzessive Verringerung der Anzahl der flachen Röhren, die den Auslaßpfad definieren, in einem exzessiven Drosselungseffekt und einem nachteiligen Anwachsen des Durchflußwiderstandes resultieren würden.

Wie aus der vorangehenden Beschreibung deutlich wurde, umfaßt das dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung die gewellten Rippen und die flachen Röhren, welche zuvor in den jeweiligen optimalen Bereichen dimensioniert wurden, und die Anzahl von Pfaden ebenso wie die Anzahl von flachen Röhren, die die jeweiligen Pfade definieren, welche ebenso optimal gewählt werden, so daß der Durchflußwiderstand des Kühlmittels und der Flußwiderstand der Kühlluft reduziert werden können, während der Wärmeaustauschwirkungsrad verbessert wird, und dadurch ein Wärmeaustauscher mit einer insgesamt hohen Zuverlässigkeit erhalten wird.

Es versteht sich, daß, obwohl das spezielle Ausführungsbeispiel mit fünf Pfaden beschrieben worden ist, und oben dargestellt wurde, ein anderes Ausführungsbeispiel einer Vier-Pfad-Anordnung ebenso möglich ist, welche von der der Einströmung nächsten Seite zu der der Ausströmung nächsten Seite P_s1=12, P_s2=10, P_s3=8 und P_s4=6 umfaßt.

Entsprechend der Erfindung werden die jeweiligen dimensionalen Bereiche der Rippenhöhe B, der Rippenweite C, der Rippenwandstärke D, des Rippenabstandes E, der Röhrenhöhe F und der Röhrenweite G in Erwägung des Flußwiderstandes der Kühlluft und des Wärmeabstrahlwertes auf der einen Seite gewählt, und die Anzahl der Pfade P_s und die Anzahl der flachen Röhren, die jeden Pfad bilden, werden in Erwägung des Durchflußwiderstandes des Kühlmittels ebenso wie dem Wärmeaustauschwirkungsgrad verteilt, so daß die Wärmeaustauschleistung insgesamt verbessert werden kann, während der Strömungswiderstand und der Durchflußwiderstand des Wärmeaustauschers reduziert werden.

Claims

Wärmetauscher des Gleichstrom-Tpys, welcher eine Vielzahl von flachen Röhren und gewellten Rippen, die abwechselnd aufeinander gelegt sind, ein Einlaß- Kopfrohr, mit welchem die flachen Röhren an ihrem einen Ende verbunden sind, ein Auslaß-Kopfrohr, mit welchem die flachen Röhren an ihrem anderen Ende verbunden sind, und in welchen jeweiligen Kopfröhren Einteilungen vorgesehen sind, so daß ein zick-zack- artig vielfach gefalteter Fluß von Kühlmittel entlang einer Vielzahl von Pfaden, die zwischen den beiden Kopfröhren definiert sind, aufgebaut wird, umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß
- a) jede der gewellten Rippen eine Höhe B im Bereich von B=7 bis 10 mm hat;
- b) jede der gewellten Rippen eine Weite C im Bereich von C=14 bis 25 mm, gemessen in der Richtung parallel zu einem Luftstrom, hat;
- c) jede der gewellten Rippen eine Wanddicke D im Bereich von D=0,12 bis 0,14 mm hat;
- d) jede der gewellten Rippen einen Abstand E hat, welcher einer Entfernung zwischen jedem Paar benachbarter Wellungen entspricht, in einem Bereich von E=2,0 bis 4,0 mm;
- e) jede der flachen Röhren eine Höhe F in einem Bereich von F=1,5 bis 2,5 mm hat;
- f) jede der flachen Röhren eine Weite G in einem Bereich von G=12 bis 23 mm, gemessen in der Richtung parallel zum Luftstrom, hat;
- g) Pfade definiert sind, deren Nummer P_s in dem Bereich von P_s=3 bis 6 liegt; und
- h) die Anzahlen von flachen Röhren in den jeweiligen Pfaden von der der Einströmung nächsten Seite zu der der Ausströmung nächsten Seite ungefähr um dieselbe Anzahl abnehmen, und die Anzahl von Röhren, welche den der Einströmung nächsten Pfad definieren, ungefähr doppelt so groß wie die Anzahl der Röhren ist, die den der Ausströmung nächsten Pfad definieren.