DE4020591C2

DE4020591C2 - Mehrfachdurchfluß-Kondensator

Info

Publication number: DE4020591C2
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: 1995-12-07
Anticipated expiration: 2010-06-29
Also published as: DE4020591A1; FR2664368B1; FR2664368A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Mehrfachdurchfluß-Kondensator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Kondensator ist aus der EP 0 255 313 A2 bekannt. Dieser bekannte Kondensator weist in drei Pfaden angeordnete flache Rohre auf, und die Anzahl der flachen Rohre vom obersten Pfad zu den darunterliegenden Pfaden nimmt ab. Obwohl somit bei dem bekannten Kondensator die Rohre in eine Mehrzahl von übereinander angeordneten Abteilungen und daraus resultierenden Strömungspfaden unterteilt sind, ist es jedoch auch bei diesem Kondensator schwierig, die Leistungsfähigkeit zu verbessern, selbst wenn konstruktive Einflußfaktoren separat voreingestellt werden, da der Strömungswiderstand der kühlenden Luft, der Wärmeabstrahlwert und der Durchflußwiderstand des Kühlmittels sowie der Wärmeaustauschwirkungsgrad in komplizierter Wechselbeziehung zueinander stehen.

Ähnliche Probleme treten bei einem weiteren aus der DE-OS 36 06 253, dortige Fig. 6, bekannten Kondensator auf.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kondensator der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, in welchem die Gesamtleistungsfähigkeit verbessert ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Dadurch wird es möglich, den Durchflußwiderstand des Kühlmittels und den Flußwiderstand der Kühlluft zu reduzieren, wobei es gleichzeitig möglich ist, den Wärmeaustauscherwirkungsgrad zu verbessern und dadurch insgesamt die Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Kondensators bei hoher Zuverlässigkeit zu verbessern.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Besondere Vorteile ergeben sich bei dem erfindungsgemäßen Kondensator bzw. Wärmetauscher des Gleichstrom-Typs dadurch, 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) jedes der flachen Rohre eine Höhe F in einem Bereich von F = 1,5 bis 2,5 mm hat;
f) jedes der flachen Rohre 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 Anzahl von flachen Rohren in den jeweiligen Pfaden von der der Einströmung nächsten Seite zu der der Ausströmung nächsten Seite ungefähr um dieselbe Zahl abnimmt, und die Anzahl von Rohren, welche den der Einströmung nächsten Pfad definieren, ungefähr doppelt so groß ist wie die Anzahl der Rohre, die den der Ausströmung nächsten Pfad definieren.

Die anderen Eigenschaften 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 bzw. Kondensators 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 dargestellten 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 Rippenwandstärke gegen einen Wärmeaustausch-Wirkungsgrad ist;

Fig. 9 ein graphisches Diagramm eines Rippenabstandes gegen einen Wärmeaustauschwirkungsgrad 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 Kondensator 1 entsprechend diesem Ausführungsbeispiel umfaßt, wie in Fig. 1 gezeigt, eine Vielzahl von flachen Rohren 2 und gewellten Rippen 3, die abwechselnd aufeinandergelegt sind, ein Einlaß-Kopfrohr 4, mit welchem diese flachen Rohre 2 an ihrem einen Ende verbunden sind, und ein Auslaß-Kopfrohr 5, mit welchem die flachen Rohre 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, welche angepaßt sind, eine Vielzahl von Pfaden zu definieren, von denen jeder durch eine Vielzahl von flachen Rohren 2 definiert wird. In diesem Ausführungsbeispiel sind solche Pfade festgelegt, deren Anzahl P_s = 5 ist. Somit sieht die Erfindung einen Kondensator bzw. 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 Rohren-Einsetzöffnungen 13a ausgebildet, in welche die Enden der jeweiligen flachen Rohre 2 eingesetzt und zu einer Einheit mit der Endplatte 13 durch Löten verbunden werden.

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

Die Flachheit A der jeweiligen Kopfrohre 4, 5 wird von dem Verhältnis des kleineren Durchmessers x (d. h., eine Tiefendimension des Rohrinneren, auch Rohrhöhe genannt) zu dem größeren Durchmesser y des elliptischen Querschnittes definiert, wie in Fig. 2 dargestellt ist, 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 Hinblick auf die 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 die charakteristische Kurve der Fig. 5 angedeutet ist, 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 bzw. Kondensators benötigt. Der Maximalwert der Flachheit A wird auf der anderen Seite durch die Tatsache gegeben, je kleiner die Flachheit A, desto größer ist die Kühlmittelkapazität. Insbesondere wird der oben erwähnte Maximalwert von A = 0,8 so gewählt, daß der Kühlmittel-Einspareffekt mit einem Grenzwert der Kühlmittelkapazität in der Größenordnung von 2/3 bezüglich des Wärmetauschers des Schlangen-Typs mit vergleichbarer Leistungsfähigkeit, zum Beispiel 400 mm³, erzielt wird.

Die Höhe B der gewellten Rippe 3 entspricht, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, einer Entfernungsdimension zwischen jedem Paar der benachbarten Rohre 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 durch die charakteristische Kurve der Fig. 6 angedeutet ist. 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, das heißt Q = Ha/ΔP_a. Mit anderen Worten, je höher der Luftströmungswiderstand ΔP_a, desto geringer ist der Wärmeaustausch-Wirkungsgrad Q.

Die Breite C der Rippe 3 ist eine Dimension, die entlang der Strömungsrichtung der fließenden Luft gemessen wird, wie in Fig. 3 durch den Pfeil N angedeutet ist, 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 Rippenbreite C und dem Wirkungsgrad Q des Wärmeaustauschers gewählt, wie durch die charakteristische Kurve der Fig. 7 angedeutet ist, und so, daß 90% oder mehr des maximalen Wirkungsgrades Q erzielt werden.

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 Wärmetauschers gewählt, wie durch die charakteristische Kurve der Fig. 8 angedeutet ist. 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 ist, 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 die charakteristische Kurve der Fig. 9 angedeutet ist, und so, daß 90% oder mehr des maximalen Wirkungsgrades Q erzielt werden.

Die Höhe F der flachen Rohre 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 Rohrhöhe F und dem Wirkungsgrad Q des Wärmetauschers gewählt, wie durch die charakteristische Kurve der Fig. 10 angedeutet ist. Diese charakteristische Kurve deutet an, daß die Rohrhöhe F von weniger als 1,5 mm eine Massenfertigung der Rohre 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 Rohrhöhe F = 2,0 mm erzielt wird. Somit wird das Maximum von F = 2,5 mm unter Berücksichtigung des zentralen Wertes der Rohrhöhe F = 2,0 mm gewählt, wie in Fig. 10 gezeigt ist.

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

Die jeweiligen Pfade umfassen eine Vielzahl der flachen Rohre 2, die durch die Einteilungen 10 definiert sind, und die Anzahl P_s solcher Pfade wird bevorzugtermaßen in einem Bereich von P_s = 3 bis 6 gewählt. In diesem speziellen Ausführungsbeispiel ist P_s = 5, wie in Fig. 1 gezeigt ist. 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 die charakteristische Kurve der Fig. 11 angedeutet ist. 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 Rohre 2, welche jeden Pfad ausmachen, ist so gewählt, daß die flachen Rohre 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 Rohre 2, welche den ersten und obersten Pfad auf der Einlaß-Seite bilden, im wesentlichen doppelt so groß wie die Anzahl der flachen Rohre 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 ist, die Anzahl der flachen Rohre, welche die jeweiligen Pfade P_s bis P_s5 bilden, sind 8, 7, 6, 5 bzw. 4, nämlich, die Anzahl der flachen Rohre verringert sich sukzessive um eins zu der der Ausströmung nächsten Seite hin, so daß die Anzahl der flachen Rohre, welche den ersten Pfad P_s1 bilden, doppelt so groß wie die Anzahl der flachen Rohre ist, welche den letzten und fünften Pfad P_s5 bilden.

Solch eine Anordnung basiert auf der Tatsache, daß generell bei dem Wärmetauscher wie dem Kondensator das Kühlmittel in den Wärmetauscher in gasförmigen 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 Rohren verringert sich dementsprechend auch: Die Erfahrung hat gelehrt, daß die flachen Rohre, 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 Rohre, die den Auslaßpfad definieren, bevorzugtermaßen die Hälfte der flachen Rohre, welche den Einlaßpfad bilden; ist; und daß eine exzessive Verringerung der Anzahl der flachen Rohre, 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 Rohre, welche zuvor in den jeweiligen optimalen Bereichen dimensioniert wurden, und die Anzahl von Pfaden ebenso wie die Anzahl von flachen Rohren, 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 Wärmeaustauschwirkungsgrad 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 Rippenbreite C, der Rippenwandstärke D, des Rippenabstandes E, der Rohrhöhe F und der Rohrbreite 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 Rohre, 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

1. Mehrfachdurchfluß-Kondensator (1)

- mit einem Paar Kopfrohre (4, 5) die parallel zueinander angeordnet sind;
- mit einer Mehrzahl von flachen Rohren (3), die jeweils mit den Kopfrohren (4, 5) an gegenüberliegenden Enden verbunden und in zumindest drei parallele Abteilungen unterteilt sind;
- mit einer Mehrzahl von gewellten Rippen (3), die in Luftströmungswegen zwischen den flachen Rohren (2) angeordnet sind; und
- mit zumindest zwei Trennwänden (10), die in den Kopfrohren (4, 5), jeweils zumindest eine pro Kopfrohr (4, 5), vorgesehen sind, so daß die flachen Rohre (2) in zumindest drei Pfade (p_s1 bis p_s5), das heißt in einen oberen, einen mittleren und einen unteren Pfad, unterteilt sind, wobei die Anzahl der flachen Rohre (2) in den Pfaden vom oberen Pfad zu den darunterliegenden Pfaden abnimmt,
dadurch gekennzeichnet, daß die flachen Rohre (2) um den Betrag einer konstanten Zahl vom oberen Pfad (p_s1) zum unteren Pfad (p_s5) derart abnehmen, daß die Zahl der flachen Rohre (2) im oberen Pfad (p_s1) doppelt so groß ist wie diejenige im unteren Pfad (p_s5).

2. Kondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopfrohre (4, 5) einen elliptischen Querschnitt aufweisen.

3. Kondensator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopfrohre (4, 5) einen elliptischen Querschnitt mit einem Verhältnis zwischen dem kleinen Durchmesser zum großen Durchmesser in einem Bereich zwischen 0,65 bis 0,80 aufweisen.