DE4033636A1 - Waermetauscher, insbesondere verfluessiger und verdampfer fuer fahrzeuge - klimaanlagen - Google Patents

Waermetauscher, insbesondere verfluessiger und verdampfer fuer fahrzeuge - klimaanlagen

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    • F28F13/08Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media by varying the cross-section of the flow channels

Description

Die Erfindung betrifft Wärmetauscher, insbesondere Verflüssiger und Verdamp­ fer für Fahrzeug-Klimaanlagen, welche aus etwa schlangenförmig gebogenen Flachrohren bestehen, in deren Zwischenräume zickzack- oder wellenförmig verformte oberflächenvergrößernd Lamellen angeordnet sind, welche mit den ebenen Außenflächen der Flachrohre wärmeleitend, vorzugsweise durch Löten, verbunden sind. Die Rohre und Lamellen derartiger Wärmetauscher können z. B. aus Cu, Ms, oder Kunststoff sein. In der Regel werden jedoch nach einem Pro­ file (meist sog. Mehrkammerprofile) aus Aluminium verwendet, welche nach einem Strangpreßverfahren hergestellt sind.
Derartige Wärmetauscher haben jedoch bekanntlich den Nachteil, daß der Rohr­ querschnitt der Rohrschlange eines Wärmetauschers über die ganze Rohrschlan­ ge gleich ist (vgl. z. B. Abb. oben Mitte auf Seite 14 Nr. 35 vom 29.8.90 der Zeitschrift Konstruktion & Elektronik). Wärmetauscher dieser Art sind nicht an die Erfordernisse der Kältemittelströmung in einem Verflüssiger oder in einem Verdampfer angepaßt, wie es bei der Verwendung von Rundrohren Stand der Technik ist. Bei Verflüssigern tritt bekanntlich das Kältemittel gas­ förmig mit großem Volumen in diesen ein, mit zunehmender Verflüssigung sinkt das Volumen je durchgesetztem Kältemittelgewicht sehr stark bis zur völli­ gen Verflüssigung. Bei Verdampfern erfährt das flüssig-siedend in den Ver­ dampfer eingeleitete Kältemittel mit fortschreitender Verdampfung bis zum Verschwinden aller Flüssigkeitsanteile eine ständige Volumenvergrößerung. Da es natürlich in der Praxis unmöglich ist, Rohre zu verwenden, deren inne­ rer Querschnitt sich stetig ändert, werden z. B. bei Rundrohrverflüssigern am Eingang mehrere Rohre derart zur Paralleldurchströmung zusammengefaßt, daß in einem Verflüssiger zuerst drei dann zwei Rohre durchströmt werden die dann in ein einzeln durchströmtes Rohr münden. Die Übergänge werden mittels eingelöteter Verbindungsstücke vorgenommen. Verdampfer werden ana­ log in umgekehrter Weise angepaßt.
Beim Gegenstand der EP 03 74 895 wird eine für Verflüssiger aus Flachrohr­ schlangen, welche aus Mehrkammer-Strangpreßprofilen bestehen, eine mögliche Lösung des angesprochenen Problems gezeigt. Es werden zwei oder mehr Flach­ rohre parallel durchströmt um das große Eintrittsvolumen des gasförmigen Kältemittels zu berücksichtigen. Durch eingelötete Zwischenverbindungen wer­ den die parallelen Rohrbereiche bis auf ein Einzelrohr zurückgeführt. Die genannte EP zeigt eine Anzahl von Varianten nach diesem Verfahren. Die Her­ stellung von derartigen Verflüssigern ist jedoch mit zahlreichen Nachteilen verbunden, z.B:
  • 1) Durch die Notwendigkeit zahlreiche unterschiedliche Verbindungsstücke her­ stellen und einlöten zu müssen ergibt sich ein hoher Fertigungsaufwand und das Risiko einer größeren Zahl von Undichtigkeiten.
  • 2) Allein ein U-Bogen aus drei parallelen Rohren beansprucht die Höhe von sechs übereinanderliegenden Flachrohren und mit zwei parallelen Flachrohren eine Höhe von immerhin noch vier Rohrlagen und zwar einschließlich der für die Lamellen erforderlichen Zwischenräume. Dies bedeutet für den Gesamtver­ flüssiger ein Übergewicht an Stirnfläche für die Eintrittsbereiche, was durchaus nicht von Vorteil, vielmehr unerwünscht ist.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe für Flachrohrverflüssiger und Flachrohrverdampfer eine fertigungstechnisch möglichst einfache Lösung des hier angesprochenen Problems aufzuzeigen und darüber hinaus eine Anpassung von Flachrohrverdampfern wie bei Rundrohrverdampfern zu ermöglichen. Erfindungsgemäß weist ein Verflüssiger zwei oder mehr in Strömungsrichtung des inneren Mediums aufeinanderfolgende Flachrohrbereiche auf, wobei ein in Strömungsrichtung einem Bereich nachfolgender Bereich Flachrohre mit einem kleineren inneren Querschnitt aufweist, während ein Verdampfer in Strömungsrichtung des inneren Mediums zwei oder mehr aufeinanderfolgende Flachrohrbereiche aufweist, wobei jeweils ein in Strömungsrichtung einem Bereich nachfolgender Bereich einen größeren inneren Querschnitt aufweist.
In der Praxis der bei Fahrzeugklimaanlagen verwendeten Rundrohrverflüssiger genügen in der Regel zwei, höchstens drei abgestufte Bereiche, z. B. über drei und zwei parallele Rohre auf ein Rohr oder über zwei parallele Rohre auf ein Rohr etwa im letzten Drittel des Verflüssigers. Es ist deshalb auch für Flachrohrverflüssiger zweckmäßig eine Abstufung der inneren Querschnitte der Flachrohre aufeinanderfolgender Bereiche vorzugsweise im Verhältnis 3 : 2 : 1 oder 2 : 1 vorzusehen, während bei Flachrohrverdampfern das Ver­ hältnis der Querschnittsabstufung aufeinanderfolgender Bereiche vorzugswei­ se 1 : 2 : 3 oder 1 : 2 ist. Andere Abstufungsverhältnisse aufeinanderfol­ gender Flachrohrbereiche innerhalb eines Verflüssigers oder Verdampfers sind im Bedarfsfall ebenfalls möglich.
Die Abstände zwischen den ebenen Außenseiten benachbarter Flachrohre mit gleichen oder unterschiedlichen inneren Querschnitt sind zweckmäßig im ge­ samten Wärmetauscher gleich. Dadurch ist es möglich mit einer einzigen Sor­ te von zickzack- oder wellenförmigen Lamellen für einen Wärmetauscher aus­ zukommen. In besonderen Bedarfsfällen können in einem Wärmetauscher auch un­ terschiedliche Lamellenhöhen- und formen verwendet werden. Außerdem können für das Biegen der Flachrohrschlangen verschiedener innerer Rohrquerschnitte gleiche Biegerollen verwendet werden, wenn alle in einem Wärmetauscher ver­ wendeten Flachrohre mit verschiedenen inneren Rohrquerschnitten die gleiche Tiefe aufweisen. Es ändert sich also nur die Dicke der Flachrohre.
Flachrohrverdampfer werden in der Regel aus Rohrschlangen hergestellt, deren Breite sich in Richtung der durch den Verdampfer geführten Luft über die ge­ samte Verdampfertiefe erstreckt. Dies hat den großen Nachteil, daß Tauwasser innerhalb des Verdampfers nicht nach unten ablaufen kann. Störende starke Vereisung beim Kühlbetrieb und durch den Gebläseluftstrom bis in die fol­ genden Luftwege sind die Folge. Eine Verbesserung wird erreicht, wenn der Verdampfer aus zwei oder mehreren in geringem Abstand nebeneinanderliegen­ den Elementen besteht, die ihrerseits Flachrohrschlangen sind, welche in den Rohrquerschnitten an das Kältemittelverhalten im Verdampfer angepaßt sind. Jedes der Elemente eines Verdampfers wird über einen Mehrfach-Kälte­ mittelverteiler beaufschlagt, während die Kältemittel-Austrittsseiten der Elemente in ein gemeinsames Sammelrohr münden. Der Wasserablauf aus dem Verdampfer ist durch die Unterteilung in hintereinanderliegende Elemente bereits wesentlich verbessert, eine noch weitere Verbesserung des Wasser­ ablaufes läßt sich erfindungsgemäß dadurch erreichen, daß die gestreckten Teile einer jeden Flachrohrschlange aus der horizontalen Lage so heraus­ gedreht sind, daß die oberen ebenen Seiten der gestreckten Flachrohrteile in Richtung der Luftströmung durch den Verdampfer eine nach unten geneigte Fläche bilden. Vorzugsweise sind die gestreckten Flachrohrteile um Nei­ gungswinkel von 2° bis 5° aus der horizontalen Lage verdreht. Diese Ver­ drehung ist, insbesondere bei Flachrohrschlangen aus Aluminium, ohne be­ sondere Schwierigkeiten durchführbar. Da im verdrehten Bereiche der Flach­ rohrschlangen ein senkrecht über oder unter einem Flachrohr benachbartes Flachrohr nicht mehr fluchtend angeordnet ist, weisen die zwischen den ver­ drehten Bereichen der Rohrschlange angeordneten Lamellen vorzugsweise eine Breite auf, die sich mind. über die gemeinsame Tiefe zweier in vertikaler Projektion versetzt übereinander liegender Flachrohre erstreckt.
Neben der Verbesserung des Tauwasserablaufes aus einem Flachrohrverdampfer ist ganz allgemein auch eine Anpassung des Verdampfers an die Gegebenheiten der Luftströmung durch den Verdampfer für dessen Leistung besonders wichtig. Vgl. hierzu einen Aufsatz des Anmelders in dem Buch "Kältetechnik im Kraft­ fahrzeug" von J.Reichelt/H. Schlepper(Hrsg.) aus dem Verlag C.F.Müller, Karlsruhe, 1985, auf Seite 149 bis 158, insbes. Bild 9 auf Seite 156. in dem auf dieses Problem näher eingegangen wird. Die vorliegende Erfindung gibt eine Lösung zur Anpassung an die Luftströmung im Verdampfer auch für solche, welche aus Flachrohren gefertigt sind. Erfindungsgemäß können hierzu neben­ einander und im Luftstrom hintereinander angeordnete Elemente eines Flach­ rohrverdampfers zwei oder mehr übereinander liegende voneinander unabhängige Flachrohrschlangen enthalten. Alle Rohrschlangen in allen Elementen eines Flachrohrverdampfers werden gemeinsam aus einem entsprechenden Kältemittel- Mehrfachverteiler beaufschlagt, alle Ausgänge der Rohrschlangen werden zu einem gemeinsamen Sammelrohr geführt. Zu besseren Anpassung an die Luftströ­ mung im Verdampfer können die in einem Element des Verdampfers übereinander­ liegenden Flachrohrschlangen auch unterschiedliche Längen aufweisen, wobei nebeneinander liegende Elemente des Verdampfers ebenfalls eine unter­ schiedliche Bestückung mit Flachrohrschlangen haben können.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele von Wärmetauschern gemäß der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 einen Verflüssiger mit drei Bereichen unterschiedlicher Flachrohr­ querschnitte.
Fig. 2 links einen teilweisen vertikalen Schnitt durch einen Verdampfer,der aus einer einteiligen Flachrohrschlange besteht und rechts einen teilweisen vertikalen Schnitt durch den ersten Querschnittsbereich eines Verdampfers gemäß der Erfindung, der aus drei Elementen besteht.
Fig. 3 einen teilweisen vertikalen Schnitt durch den ersten Querschnitts­ bereich eines Verdampfers aus zwei Elementen, mit gedrehten Flach­ rohren in deren gestrecktem Bereich.
Fig. 4 die Ansicht in Richtung der Luftströmung auf ein Element eines Ver­ dampfers mit zwei unabhängigen Flachrohrschlangen unterschiedlicher Länge.
Der Verflüssiger nach Fig. 1 hat drei aufeinanderfolgende Bereiche (1, 2, 3) in denen unterschiedlicher innerer Rohrquerschnitt vorhanden ist. Die ver­ wendeten Flachrohre haben in Luftrichtung in allen Querschnittsbereichen die gleich Erstreckung (Tiefe), sind aber unterschiedlich hoch. Das dampf­ förmige Kältemittel strömt über die Anschlußverbindung (4) in den Bereich (1) mit einem großen inneren Querschnitt (1a). Da Verflüssiger in Fahr­ zeugen meist über 600 mm lang sind genügt für den Bereich (1) meist ein ge­ strecktes Flachrohr mit ausreichend großem Querschnitt. Bei (7) ist das obere Ende der Flachrohrschlange des Bereiches (2) mit einem kleineren Querschnitt in das Rohrende von (1) eingeführt und mit diesem kältemittel­ dicht mit Hilfe einer der bekannten Techniken verbunden. Das in das Rohr (1) hineinragende obere Ende von (2) kann, wie angedeutet, auch abgeschrägt sein. Bei (8) ist das Rohrende von (1) in geeigneter Weise dicht verschlos­ sen. Am Ende von Bereich (2) ist das obere Ende des im inneren Querschnitt gegenüber dem Querschnitt (2a) von Bereich (2) weiter auf den Querschnitt (3a) verkleinerte obere Ende von Bereich (3) mit dem Bereich (2) verbunden.
Über die Anschlußverschraubung (5) verläßt das verflüssigte Kältemittel den Verflüssiger. Mit (6) sind die sich über die gesamte Länge der ungebo­ genen Flachrohre erstreckenden zickzack- oder Wellenförmig verformten Lamellen zur Oberflächenvergrößerung bezeichnet, die meist noch jalousie­ artig geschlitzt sind. Auf der Zeichnung sind zur Vereinfachung nur die Enden der mit den Flachrohren wärmeleitend verbundenen Lamellen angedeutet. Der Abstand (19) zwischen den Flachrohren ist in allen Bereichen des Ver­ flüssigers einheitlich. Fig. 2 zeigt die in Luftrichtung über die ganze Ver­ dampfertiefe reichende Breite des Flachrohres (10), aus dem die gesamte Verdampferschlange besteht. Mit (11) sind die geschlitzten Lamellen zwischen den Rohren angedeutet. Dies ist der grundsätzliche Aufbau eines Flachrohr­ verdampfers bekannter Bauweise. Rechts neben dieser Darstellung ist der obere Teil des ersten Querschnittsbereiches eines Verdampfers gemäß der Erfindung dargestellt, der aus drei im Luftstrom hintereinanderliegenden Elementen (12, 13, 14) besteht, deren lichter Querschnitt in Strömungsrichtung des Kältemittels jeweils in zwei oder mehr Querschnittsbereichen größer ist, als der davor liegende Bereich. Jede der Rohrschlangen der drei Elemente wird (nicht dargestellt) aus einem 3-fach-Kältemittelverteiler bekannter Bauart beaufschlagt. Am Verdampferende münden die drei Rohrschlangen in ein gemeinsames Sammelrohr aus dem die Kältemitteldämpfe abgesaugt werden. Es ist offensichtlich daß im rechts dargestellten Verdampfer gemäß der Erfin­ dung eine gleichmäßigere Beaufschlagung und Ausnützung des Kältemittels er­ zielt wird und daß auch nach unten ablaufen kann, ohne den Verdampfer so zu belasten, wie es beim links dargestellten Verdampfer der Fall ist. Bei dem aus zwei Elementen bestehenden Verdampfer nach Fig. 3 sind die un­ gebogenen Teile der Flachrohrverdampferschlange eines jeden Elementes (16) um einige Grad so um die mittlere Rohrlängsachse gedreht, daß jeder ge­ streckte Rohrteil der Rohrschlange in Luftrichtung eine geneigte Oberseite erhält, derart daß das Tauwasser in Luftrichtung nach unten ablaufen kann. Der Wasserablauf wird hierdurch nocheinmal wesentlich verbessert. Die Ober­ flächenvergrößernden Lamellen (17) haben eine Breite (18), die sich über die gemeinsame Länge der in senkrechter Projektion versetzt nebeneinander erscheinenden Flachrohre erstreckt.
Fig. 4 zeigt schematisch die Ansicht in Luftströmungsrichtung auf ein Ele­ ment eines Verdampfers gemäß der Erfindung, das zwei übereinander ange­ ordnete Flachrohrschlangen unterschiedlicher Länge enthält. Diese Rohr­ schlangen (19, 20) werden am Kältemitteleintritt über einen Mehrfach Kälte­ mittelverteiler (21) beaufschlagt. Die Enden der Rohrschlangen sind über Verbindungsrohre (22, 23) an ein gemeinsames Sammelrohr für alle Elemente des Flachrohrverdampfers geführt. Innerhalb der Rohrschlangen (19, 20) können sich Rohrschlangenabschnitte unterschiedlichen inneren Rohrquer­ schnittes befinden. Es können aber auch die Rohrschlangen (19) und (20) selbst unterschiedliche innere Rohrquerschnitte aufweisen und die gestreck­ ten Bereiche der Flachrohre können außerdem schräg gedrehten Oberflächen den Wasserablauf optimieren.
Bei Verdampfern nach Fig. 4 ist es möglich eine Anpassung und Optimierung des Verdampfers durchzuführen, wie es bisher nur bei Rundrohrverdampfern möglich war.
In Betracht gezogene Druckschriften:
EP 03 74 895 (Anm. Thermal Werke, Hockenheim).
Zeitschrift "Konstruktion & Elektronik", Nr. 35 vom 29. 8. 90 Seite 14, Bild oben Mitte.
Buch "Kältetechnik im Kraftfahrzeug" von J. Reichelt/H. Schlepper, Verlag C. F. Mäller, Karlsruhe, 1985, Aufsatz des Anmelders Seite 149 bis 158, insbes. Seite 156 (Bild 9).

Claims (11)

1. Wärmetauscher, insbesondere Verflüssiger oder Verdampfer von Fahrzeug­ klimaanlagen welche im Wesentlichen aus etwa schlangenförmig gebogenen Flachrohren bestehen, in deren Zwischenräume etwa zickzack- oder wellen­ förmig gebogene Lamellen wärmeleitend mit den ebenen Seiten der Flach­ rohre verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verflüssiger zwei oder mehr einander in Strömungsrichtung des inneren Mediums folgende Flachrohrbereiche (1, 2, 3) aufweist, wobei ein in Strömungsrichtung einem Bereich nachfolgender Bereich Flachrohre mit einem kleineren inneren Querschnitt (1a, 2a, 3a) aufweist als der davor liegende Bereich, während ein Verdampfer in Strömungsrichtung des inneren Mediums zwei oder mehrere Flachrohrbereiche aufweist, wobei ein in Strömungsrichtung einem Bereich nachfolgender Bereich Flachrohre mit einem größeren inneren Querschnitt aufweist als der davor liegende Bereich.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungs­ richtung des inneren Mediums einander folgende Flachrohrbereiche bei Ver­ flüssigern eine Abstufung der inneren Querschnitte der Flachrohre vor­ zugsweise ein Verhältnis von 3 : 2 : 1 oder von 2 : 1 aufweisen, während bei Verdampfern dieses Verhältnis vorzugsweise 1 : 2 : 3 oder 1 : 2 ist.
3. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände (19) zwischen den ebenen Außenseiten benachbarter Flach­ rohre im gesamten Wärmetauscher gleich ist.
4. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachrohre aller Bereiche mit unterschiedlichem inneren Querschnitt in Luftrichtung die gleiche Breite aufweisen.
5. Verdampfer nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer aus zwei oder mehr Elementen aus Flachrohrschlangen (12, 13, 14) besteht, wobei die Elemente am Kältemitteleintritt durch einen gemeinsamen Mehrfach-Kältemittelverteiler beaufschlagt werden, wärend die Austrittsseiten der Flachrohrschlangen direkt oder über Verbindungs­ leitungen (22, 23) in ein gemeinsames Sammelrohr münden.
6. Verdampfer nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr nebeneinander in geringem Abstand angeordnete Elemen­ te (12, 13, 14) jeweils aus zwei oder mehr übereinander angeordneten unab­ hängigen Flachrohrschlangen (19, 20) besteht und daß alle unabhängigen Flachrohrschlangen aller nebeneinanderliegenden Elemente aus einem ge­ meinsamen Kältemittelverteiler beaufschlagt werden und daß die Aus­ trittseiten aller Flachrohrschlangen aller nebeneinanderliegenden Ele­ mente (12, 13, 14) direkt oder über Verbindungsleitungen (23, 23) in ein gemeinsames Sammelrohr münden.
7. Verdampfer nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gestreckten Flachrohrteile des Verdampfers derart um die mittleren Rohrlängsachsen gedreht sind, daß die ebene Oberseite eines jeden Flach­ rohres in Luftrichtung nach unten geneigt ist (16).
8. Verdampfer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung der Flachrohre (16) vorzugsweise einen Winkel von 2° bis 5° aufweist.
9. Verdampfer nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß die der Oberfächenvergrößerung dienenden Lamellen (17) eine Breite (18) haben, die über die gemeinsame Länge der in senkrechter Projektion auf die ebene Flachrohrfläche versetzt nebeneinander erscheinenden Flachrohre reicht.
10. Verdampfer nach den Ansprüchen 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Element (12, 13, 14) eine oder mehr übereinander angeordnete unabhängige Flachrohrschlangen angeordnet sind, welche gleich oder un­ terschiedliche Rohrlängen haben können.
11. Verdampfer nach den Ansprüchen 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß nebeneinanderliegende Elemente (z. B. 12, 13) Flachrohrschlangen mit unter­ schiedlichem inneren Rohrquerschnitt enthalten.
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