DE4230092C2

DE4230092C2 - Wärmetauscher, insbesondere Verdampfer für Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE4230092C2
Application number: DE4230092A
Authority: DE
Inventors: Roland Burk; Klaus Luz; Rainer Ruoff; Walter Wolf; Ulrich Salzer
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 1992-09-09
Filing date: 1992-09-09
Publication date: 2000-07-27
Anticipated expiration: 2012-09-10
Also published as: FR2695465A1; FR2695465B1; DE4230092A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere einen Verdampfer für Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen mit mehreren, in ein Sammelrohr mündenden Rohren, durch die das Kältemittel geführt ist. Es sind Wärmetauscher dieser Art bekannt (DE 39 02 046 A1) bei denen man, um Füllungsverluste, sowie eine unerwün schte Geräuschentwicklung zu vermeiden, den als Sammelvorrich tung dienenden hohlen Sammelzylinder in Verlängerung des An saugstutzens mit einer größeren radialen Abmessung versieht, als den genannten Stutzen.

Bekannt sind auch andere Wärmetauscher für Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen (US 4 962 811), bei denen man die Mittelachsen von Flachrohren, die in das Sammelrohr münden, in etwa tangen tial in das Sammelrohr münden läßt, um auf diese Weise den Auf prall der Strömung auf die gegenüberliegende Wandung des Sam melrohres und die dadurch bedingte Geräuschentwicklung des Ver dampfers so weit als möglich zu vermeiden.

Bei neueren Fahrzeugen hat man ganz allgemein darauf geachtet, daß Geräuschemissionen so weit als möglich unterdrückt werden. Diese geringeren Motor- und Fahrgeräusche führen dazu, daß auch die Geräusche der Nebenaggregate, u. a. auch des Verdampfers einer Klimaanlage stärker als bisher hervortreten und als stö rend empfunden werden können. Es ist daher die Aufgabe der vor liegenden Erfindung, die im Bereich des Verdampfers auftreten den Geräusche noch weiter als bisher zu verringern.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden bei einem Wärmetauscher der eingangs genannten Art folgende Merkmale vorgesehen:

a) die Rohre münden etwa tangential in das Sammelrohr ein,
b) die Rohrachsen sind zur Achse des Sammelrohres unter einem in Strömungsrichtung zur Abströmöffnung des Sammelrohres hin geneigten Winkel β angeordnet,
c) der Strömungsquerschnitt des Sammelrohres ist größer als die Summe der Strömungsquerschnitte der einzelnen Rohre.

Es hat sich gezeigt, daß sich durch diese Merkmalskombination der Turbulenzgrad, und damit die Geräuschentwicklung verringert. Durch die Erfindung entsteht im Sammelrohr eine spiralenförmige Strömung. Rechtwinklige Umlenkungen, die in der Regel die Ursache für Strömungsgeräusche sind, werden dadurch vermieden. Versuche haben gezeigt, daß im Frequenzbereich von 3,15 bis 12,5 kHz, in dem bisher Strömungsgeräusche besonders stark hervorgetreten sind, eine Geräuschminderung von 3 bis 5 dB erreicht wird. Da durch die Erfindung auch der kältemittelseitige Druckverlust reduziert wird, kann auch eine Steigerung der Verdampferleistung erreicht werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran sprüchen gekennzeichnet. Dabei hat es sich nach den Merkmalen des Anspruches 2 als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Winkel, unter dem die Rohrachsen zur Achse des Sammelrohres geneigt sind, dem Steigunsvektor der von der Strömung im Sammelrohr erzeugten Helix (Schraubenlinie) entspricht.

In Weiterbildung der Erfindung kann nach Anspruch 3 der Strö mungsquerschnitt des Sammelrohres der Summe der Strömungsquer schnitte der einzelnen Rohre multipliziert mit einem Faktor K entsprechen, der nach Anspruch 4 vorteilhaft Werte zwischen 1,8 und 2,3 einnimmt. Es hat sich gezeigt, daß mit einer solchen Aus gestaltung eine besonders gute Geräuschminderung erreicht werden kann. Nach Anspruch 5 schließlich ist es noch zweckmäßig, wenn auch am Austritt aus dem Sammelrohr eine tangentiale Absaugung erfolgt. Durch diese Maßnahme wird die schraubenlinienartige Strömung im Sammelrohr auch im Bereich des Austritts nicht ge stört, was ebenfalls zu einer Verringerung des Turbulenzgrades und der Geräuschemission beiträgt.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen anhand von Ausführungsbei spielen beschrieben und wird im folgenden erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Ansicht eines erfindungsgemäß ausge stalteten Sammelrohres für den Verdampfer einer Kraft fahrzeugklimaanlage in Richtung des Pfeiles I der Fig. 2 gesehen,

Fig. 2 den Schnitt durch die Fig. 1 längs der Linie II-II,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung des Querschnittes von Sammelrohr und Zuführrohr mit einer Darstellung der im Sammelrohr erzeugten spiralförmigen Strömungslinien und der auf diese abgestimmten Anordnung der Achse des Zu führrohres,

Fig. 4 eine Darstellung der Strömungsspirale mit der Anordnung einer Achse eines Zuführrohres,

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung des Sammelrohres der Fig. 1 und 2, das mit einer axialen Abströmung versehen ist,

Fig. 6 eine Darstellung eines Sammelrohres, ähnlich Fig. 1, jedoch in einer Ausführungsform, bei der die Abströmung in der Mitte seitlich oder nach oben erfolgt,

Fig. 7 einen Schnitt ähnlich Fig. 2 längs der Linie VII-VII, durch die Ausführungsform der Fig. 6 mit einem mittigen seitlichen Austritt,

Fig. 8 einen Schnitt analog Fig. 7, jedoch mit einem mittigen Austritt nach oben,

Fig. 9 die perspektivische Darstellung des Sammelrohres der Fig. 6 und 7 mit seitlichem und tangentialem Austritt, und

Fig. 10 ein zusätzliches Detail der Ausführungsformen der Fig. 7 bis 9.

In den Fig. 1, 2 und 5 ist ein insgesamt mit (1) bezeichnetes Sammelrohr eines Verdampfers einer Klimaanlage eines Kraftfahr zeuges gezeigt, das beim Ausführungsbeispiel aus mehreren, iden tisch ausgebildeten Teilabschnitten (1a) besteht, die jeweils mit einer Bohrung (2) versehen sind und seitlich so aneinander ge setzt werden, daß die Teilbohrungen in den Teilstücken (1a) sich zu dem zylinderförmigen Sammelrohrinnenraum zusammenfügen. In jeden der Teilabschnitte (1a) mündet ein Verdampferrohr (3), das vom Wärmetauschmittel durchströmt wird. Die Rohrachse (3a) des Verdampferrohres mündet zum einen tangential in die Bohrung (2) des Sammelrohres (1) ein und ist zum anderen aber auch noch unter einem Winkel β zu einer Ebene geneigt, die senkrecht zu der Achse (4) steht. Diese Ebene ist in den Fig. 3 und 4 durch eine in dieser Ebene verlaufende Tangente (5) angedeutet, die an der von der Strömung im Sammelrohr (1) theoretisch gebildeten Helix (6) anliegt.

Fig. 3 läßt dabei schematisch erkennen, wie die Achse (3a') des Zuführrohres (3') liegen würde, wenn die Zuführung orthogonal zu der Achse (4) des Sammelrohres erfolgen würde. Die Rohrachse (3a') würde dann auch eine Tangente an den Kreis (7) bilden, der dem Durchmesser des Zylinders entspricht, auf dem sich die kreis förmige Strömung helixartig zum Austritt (8) hin bewegt, der beim Ausführungsbeispiel axial auf einer, der offenen Seiten des Sammelrohres (1) liegt. Die andere Stirnseite des Sammelrohres (1) ist durch eine eingesetzte Kappe (9) verschlossen.

Der durch den Kreis (7) in Fig. 3 angedeutete Strömungszylinder (7') bildet, wie Fig. 4 andeutungsweise erkennen läßt, den mittleren Strompfad etwa im Schwerpunkt des Strömungsprofiles der Strömung im Sammelrohr, die in der Form der Helix (6) in Richtung der Achse (4) des Sammelrohres erfolgt.

In dieser schematischen Darstellung nach Fig. 4 läßt sich auch erkennen, daß die Gerade (5) in einer senkrecht zur Achse (4) stehenden Ebene mit der Z-Achse als Normalenvektor verläuft. Sie bildet auch eine Tangente an den Strömungszylinder (7'). Zu dieser Geraden (5) ist jede Rohrachse (3a) jedes Teilstückes (1a) des Sammelrohres (1) um den Winkel β geneigt. Der Winkel β ent spricht daher dem Steigungsvektor oder der Steigungstangente der Helix (6). Man könnte auch sagen, daß jede der Achsen (3a) dem resultierenden Geschwindigskeitsvektor der Helix (Schraubenlinie) (6) entspricht, der sich aus der Geschwindigkeit in Umfangsrich tung, d. h. aus der Tangentialgeschwindigkeit, und der Axialge schwindigkeit der Strömung in Richtung der Achse (4) des Sammel rohres (1) ergibt.

Die Fig. 5 zeigt das Sammelrohr der Fig. 1 und 2 in perspektivi scher Darstellung. Dabei wurde versucht, die längs der Helix (6) verlaufende Strömung im Inneren der Bohrung (2) des Sammelrohres (1) bis zum Austritt (8) darzustellen. Die Fig. 5 läßt erkennen, daß die aus den Rohren (3) in das Sammelrohr (1) einmündende Kältemittelströmung an keiner Stelle scharfen Umlenkungen unter worfen ist, sondern daß die Gesamtströmung schraubenlinienförmig zum Austritt (8) hin erfolgt. Diese Strömungsführung garantiert eine Geräuschverminderung.

Der lichte Querschnitt der Bohrung (2) im Sammelrohr (1), d. h. der Strömungsquerschnitt des Sammelrohres (1) ist dabei so be messen, daß er - beim Ausführungsbeispiel - der Summe der sechs in das Sammelrohr (1) einmündenden Einzelzuführrohre (3) multi pliziert mit einem Faktor K entspricht. Es sei dabei angenommen, daß der Strömungsquerschnitt der Rohre (3) jeweils mit (A_i) und der Strömungsquerschnitt des Sammelrohres (1) mit (A_s) bezeichnet wird. Es ergibt sich dann folgende Beziehung:

A_s = K.Σ A_i.

Es hat sich gezeigt, daß sich besonders gute Verhältnisse erge ben, wenn der Faktor (K) in der Größenordnung zwischen 1,8 und 2,3 liegt. Werden solche Abmessungen vorgesehen, dann kann bei höheren Frequenzen, wo sich die Strömungsgeräusche von Verdamp fern von Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen besonders störend be merkbar machen, eine Geräuschpegelminderung um 3 bis 5 dB (im Frequenzbereich von 3,15 bis 12,5 kHz) erreicht werden. Möglich wäre es zusätzlich auch, den Querschnitt des Sammelrohres (1) sich zur Abströmseite (8) hin konisch erweitern zu lassen. Das Sammelrohr (1) würde dann zur Abströmseite (8) hin einen stetig zunehmenden Durchmesser aufweisen.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 6 bis 9 zeigt, daß die Anordnung der Rohrachsen (3a) zu der inneren Bohrung (2) im Sammelrohr nicht auf jene der Fig. 5 beschränkt ist. Es ist auch möglich, dem Sammelrohr (1') (Fig. 9) anstelle eines axialen Auslasses jeweils einen mittigen Auslaß (10 bzw. 11) zuzuordnen, der ent weder nach der Seite, wie in den Fig. 6, 7 und 9 dargestellt, oder, wie in Fig. 6 angedeutet und in Fig. 8 gezeigt, nach oben erfolgt. In beiden Fällen wird die Anordnung so getroffen, daß die Rohre (3) bzw. (3') jeweils einer gleichen Anzahl von Teil stücken (1a) bzw. (1a') mit ihren Achsen (3a) bzw. (3a') symme trisch zu einer durch das Sammelrohr (1') verlaufenden und die Rohrachse (4) senkrecht schneidenden Mittelebene angeordnet sind. Es ergibt sich dann durch die analog zu den Fig. 1 bis 5 gewählte Anordnung der Rohrachsen (3a) bzw. (3a') in der linken Hälfte des Sammelrohres (1') - beim Ausführungsbeispiel in den drei links angeordneten Teilstücken (1a) - eine schraubenlinige Strömung in der Form der Helix (6), die auch beim Ausführungsbeispiel der Fig. 5 sich für die Strömung eingestellt hat. In der anderen Hälfte, d. h. in den rechts angeordneten drei Teilstücken (1a') ergibt sich eine Helix (6'), die spiegelsymmetrisch zu der Helix (6) verläuft. Der Austritt dieser beiden entgegengesetzt gerich teten Strömungen erfolgt bei (10). Auch in diesem Fall könnte sich die lichte Weite der linken und rechten Teilstücke (1a, 1a') jeweils zum Auslaß (10) hin vergrößern. Das Sammelrohr (1') würde dann einen Doppelkonus mit dem größten Durchmesser im Querschnitt des Austrittes (10) bilden, der auch die Symmetrieebene des Sammelrohres (1') bildet. Um die Abströmung an beiden Hälften (Teilstücke (1a bzw. 1a')) zu verbessern, kann - wie in Fig. 10 angedeutet ist - auf der dem Austritt (10 bzw. 11) gegenüberlie genden Innenseite des Sammelrohres (1') eine Umlenkeinrichtung (12) zur Führung der Strömung vorgesehen sein, die symmetrisch zu der senkrecht zur Rohrachse (4) stehenden und durch die Mitte der Austrittsöffnung (10 bzw. 11) verlaufenden Mittelebene (13) ausgebildet ist.

Eine ähnliche Ausbildung wäre vorgesehen, wenn der Austritt (11) auf der den Rohren (3) entgegengesetzten Seite, aber ebenfalls in der Mitte des Sammelrohres (1'), vorgesehen wäre. In beiden Fällen könnten die Austrittsöffnungen (10 bzw. 11) jeweils so an geordnet sein, daß ihre Achsen die Achse (4) des Sammelrohres (1, 1') nicht schneiden, sondern etwa tangentisch zu der helixartigen Strömung ausgerichtet sind. Diese Maßnahme führt dann zu dem vor her schon erwähnten tangentischen Austritt, der vorteilhaft ist.

Es muß noch erwähnt werden, daß die Größe des Winkels β von ver schiedenen Parametern abhängig ist, die zur Ausbildung der helix förmigen Strömung führen. So ist der Winkel beispielsweise abhängig vom Durchmesser der Bohrung (2), von der Anzahl und Abfolge der in das Sammelrohr (1) bzw. (1') mündenden Verdampferrohre (3) und schließlich auch von der (errechneten) Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Sammelrohres.

Claims

1. Wärmetauscher, insbesondere Verdampfer für Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen mit mehreren in ein Sammelrohr (1, 1') mün denden Rohren (3, 3'), durch die das Kältemittel geführt ist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) die Rohre (3, 3') münden etwa tangential in das Sammel rohr (1) ein,
b) die Rohrachsen (3a, 3a') sind zur Achse (4) des Sammel rohres (1) unter einem in Strömungsrichtung (6) zur Ab strömöffnung (8, 10, 11) hin geneigten Winkel β ange ordnet,
c) der Strömungsquerschnitt des Sammelrohres (1) ist größer als die Summe der Strömungsquerschnitte der einzelnen Rohre (3, 3').

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel β dem Steigungsvektor der von der Strömung im Sammelrohr (1) erzeugten Helix (6, 6') entspricht.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsquerschnitt (A_s) des Sammelrohres (1) der Summe der Strömungsquerschnitte (A_i) der einzelnen Rohre (3, 3') multi pliziert mit einem Faktor (K) entspricht (A_s = K.Σ A_i).

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Faktor K Werte zwischen 1,8 und 2,3 einnimmt.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Austritt der Strömung (6) aus dem Sammel rohr (1) durch tangentiale Absaugung erfolgt.

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Austritt der Strömung in der Mitte des Sammelrohres (1') erfolgt und daß der mittigen Austrittsöffnung (10) auf der Innenseite des Sammelrohres die Strömung zum Aus tritt leitende Umlenkreinrichtungen (12) zugeordnet sind.

7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Querschnitt des Sammelrohres (1 bzw. 1') zum Austritt (8 bzw. 10) hin jeweils konisch erwei tert.