DE60038534T2

DE60038534T2 - Wärmetauscher für fluiden unter hohem druck

Info

Publication number: DE60038534T2
Application number: DE60038534T
Authority: DE
Inventors: Carlos Martins
Original assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Current assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Priority date: 1999-04-28
Filing date: 2000-04-27
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2020-04-28
Also published as: EP1131594A1; WO2000066964A1; FR2793014B1; FR2793014A1; ES2306660T3; JP2002543368A; EP1131594B1; US6564863B1; DE60038534D1

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für die Extraktion von Wärme aus einem Kältemittel in einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage, mit mindestens einem Sammler, dessen Innenraum durch mindestens eine Längsbohrung definiert ist, die in einem lang gestreckten, massiven Körper vorgesehen ist, und der in Fluidverbindung mit einer Reihe von Rohren ist, die in der Achsrichtung der Bohrung oder Bohrungen aneinandergereiht sind und sich parallel zueinander in einer ersten Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Achsrichtung erstrecken und einen lang gestreckten Querschnitt, Weite der Rohre genannt, in einer zweiten Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Achsrichtung und im Wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung aufweisen. Bei einem solchen Tauscher wird die Dichtheit der Fluidverbindung zwischen den Rohren und dem Innenraum mittels eines Hilfsrahmens in Form eines Profilstreifens, der den Körper aufnimmt und an diesen Letzteren und an den Umfang der Rohre gelötet ist, erhalten.
Ein solcher Tauscher ist insbesondere aus dem Dokument EP 586 037 bekannt. Zudem war bekannt, Wärmetauscher insbesondere für die Extraktion von Wärme aus einem Kältemittel in einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage zu verwenden, vor allem, wenn das Kältemittel eines von jenen ist, wie CO₂, die sehr hohen Drücken, beispielsweise von mehreren hundert Bar, unterworfen werden müssen. Die in den herkömmlichen Klimatisierungskondensatoren verwendeten Sammler weisen eine Rohrwand auf, die aus einem oder mehreren Walzblechen geformt ist, die allerdings derartigen Drücken nicht standhalten würden, und es ist ein massives Teil erforderlich, um eine ausreichende Wanddicke bereitzustellen.
Falls jedoch die Enden der Rohre direkt in eine Bohrung einmünden, die den Innenraum des Sammlers definiert, wie sie es im Inneren der Rohrwand aus Blech der her kömmlichen Sammler tun, kommt die größere Wanddicke des Sammlers zu dem Raumbedarf der Rohre in der zweiten Richtung hinzu, wodurch der Gesamt-Raumbedarf des Wärmetauschers in gleichem Maße erhöht wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diesem Nachteil abzuhelfen und den Raumbedarf des Wärmetauschers in der zweiten Richtung für eine gegebene Länge des Querschnitts der Rohre zu reduzieren.
Insbesondere hat die Erfindung einen Wärmetauscher der in der Einleitung definierten Art zur Aufgabe und sieht vor, dass die Weite der Rohre größer als ein Durchmesser der Bohrung ist.
Anders gesagt, nur ein Teil der Länge des Querschnitts der Rohre erstreckt sich längs der ersten Richtung in den Innenraum.
Wahlfreie Merkmale der Erfindung, die ergänzend oder alternativ sind, sind nachstehend angegeben:

– Mindestens ein Ende der Länge des Querschnitts der Rohre erstreckt sich, längs der ersten Richtung, über die Bohrung oder, in der zweiten Richtung, die Gesamtheit der Bohrungen hinaus.
– Ein Zwischenteil mit der Länge des Querschnitts der Rohre erstreckt sich längs der ersten Richtung zwischen zwei Bohrungen, wodurch der Innenraum definiert ist.
– Ein Ende jedes Rohrs greift in einen Schlitz ein, der in dem Körper vorgesehen ist, in der zweiten Richtung lang gestreckt ist und an seinen beiden Enden einmündet und dessen Boden durch den Innenraum unterbrochen ist, wobei der Hilfsrahmen so auf den Körper aufgebracht ist, dass er die Schlitze abdeckt und diesen gegenüberliegend lang gestreckte Öffnungen für den dichten Durchgang der Rohre aufweist.
– Jeder Schlitz weist zwei seitliche Zonen geringerer Tiefe auf, deren Boden als Anschlag für das Ende des Rohrs dient, und einen tieferen Mittelteil, der einen freien Raum definiert, der mit dem Inneren des Rohrs verbunden ist.
– Ein Ende jedes Rohrs ist auf fluiddichte Weise in einem tiefgezogenen Napf des Hilfsrahmens in Eingriff, dessen Boden seinerseits dicht in einer Quernut des Körpers sitzt und von mindestens einer Öffnung für die Fluidverbindung zwischen dem Rohr und dem Innenraum durchquert wird.
– Der Körper und der Hilfsrahmen weisen Mittel zum mechanischen Miteinanderverhaken auf.
– Die Mittel zum Verhaken umfassen zwei zurückversetzte Abschnitte, die sich in der Richtung axial zur Außenfläche des Körpers beiderseits einer Ebene, die durch die Achsen der Rohre verläuft, erstrecken und mit Zähnen des Hilfsrahmens zusammenwirken.
– Jeder Zahn ist am freien Ende einer Klaue ausgebildet, die sich im Wesentlichen in einer Radialebene erstreckt, wobei jede Klaue in der Achsrichtung zwischen zwei Näpfe eingefügt ist.
– Der Sammler weist mindestens eine quer verlaufende Trennwand auf, die in der Achsrichtung mindestens eine Kammer abgrenzt, die zu dem Innenraum gehört, in Eingriff in einer Öffnung des Körpers, die durch den Hilfsrahmen abgedeckt ist.
– Der Sammler weist mindestens eine quer verlaufende Trennwand auf, die in der Achsrichtung mindestens eine Kammer abgrenzt, die zu dem Innenraum gehört, in Eingriff in einer Öffnung des Körpers, über die hinaus sie vorsteht, und die Mittel zum mechanischen Festhaken am Umfang des Körpers trägt.

Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung ausführlicher dargelegt.
1 ist in aufgelösten Einzelteilen eine perspektivische Teilansicht eines Wärmetauschers, der zur Extraktion von Wärme aus CO₂ im überkritischen Zustand unter hohem Druck, das als Kältemittel in einem Kraftfahrzeug-Klimatisierungskreis benutzt wird, bestimmt ist.
2 und 3 sind Ansichten des in 1 gezeigten Teils des Wärmetauschers im Querschnitt bzw. im Achsenschnitt.
4 und 5 sind perspektivische Teilansichten zweier weiterer Wärmetauscher gemäß der Erfindung.
6 ist eine Teilansicht am Ende des Tauschers von 5.
7 und 8 sind von demselben Tauscher Teilansichten im Längsschnitt und von der Seite.
Der in 1 bis 3 dargestellte Wärmetauscher weist einen Sammler auf, der im Wesentlichen aus einem massiven Metallkörper 1 gebildet ist, der außen die Grundform eines lang gestreckten Rotationszylinders hat. Der Körper 1 ist von einer axialen Durchgangsbohrung 2 durchbohrt, die ihm die Form eines dickwandigen Rohrs verleiht. Der Körper 1 ist beispielsweise durch Strangpressen verwirklicht.
In dem Körper 1 sind Querschlitze 3 vorgesehen, die in der Achsrichtung regelmäßig voneinander beabstandet sind. Jeder Schlitz 3 ist in horizontaler Richtung lang gestreckt, wie in 2 zu sehen ist, und ist an seinen beiden Enden an der Außenseite des Körpers sowie auf seiner gesamten Länge nach unten hin offen. Sein Boden ist außerdem durch die Bohrung 2 durchbrochen, die folglich in Fluidverbindung mit dem Schlitz ist. Jeder Schlitz dient dazu, das obere Ende eines vertikal verlaufenden Rohrs 4 aufzunehmen, wie in den Figuren zu sehen ist, wobei er zwei Hauptflächen aufweist, die sich in Ebenen befinden, die jeweils senkrecht zur Längsachse A des Körpers 1 und der Bohrung 2 sind und ihm einen Querschnitt verleihen, der in 2 von links nach rechts lang gestreckt ist. Jedes Rohr 4 ist von einer Vielzahl von längs verlaufenden Kanälen durchbohrt, die entlang seiner Weite (d. h. entlang der Länge seines Querschnitts) aneinandergereiht sind, wobei diese Kanäle separate Wege für die Zirkulation des Fluids definieren. Die Rohre 4 sind in der Richtung der Achse A aneinandergereiht, wobei sie sich mit Zwischenstücken 6 abwechseln, die jeweils aus einem gewellten Streifen gebildet sind, wobei die Wellenkämme eines Zwischenstücks abwechselnd mit den beiden Rohren, die es einrahmen, in Kontakt kommen.
Erfindungsgemäß ist die Weite der Rohre größer als der Durchmesser der Bohrung 2, derart, dass nur die Kanäle 5, die sich in einem mittleren Bereich dieser Weite befinden, direkt in die Bohrung 2 münden, während die anderen Kanäle gegenüber der dicken Wand des Körpers 1 auf beiden Seiten der Bohrung münden, wie in 2 deutlich zu sehen ist. Daraus ergibt sich eine Verringerung des Raumbedarfs des Sammlers und in der Folge des Wärmetauschers insgesamt in der Richtung der Weite der Rohre für einen gegebenen Wert dieser Letzteren. Um eine präzise Positionierung der Rohre und zugleich eine wirksame Fluidverbindung zwischen den am Rand gelegenen Kanälen und der Bohrung 2 zu ermöglichen, befindet sich der Boden der Schlitze auf zwei verschiedenen Höhen. An jeder der Längsseiten eines Schlitzes befindet sich der Boden 7 des Letzteren auf einer geringeren Höhe und bildet einen Anschlag für die Seitenkanten des Endes des Rohrs 4. Im mittleren Bereich der Breite des Schlitzes befindet sich sein Boden 8 auf einer größeren Höhe, folglich vom Ende des Rohrs entfernt, um auf beiden Seiten der Bohrung 2 zwei horizontale Leitungen 9 zu definieren, die an ihrem Ende mit der Bohrung 2 in Verbindung stehen und in die am Rand gelegenen Kanäle des Rohrs 4 münden.
Die Enden der Schlitze 3 münden an der Außenseite des Körpers 1 und müssen folglich verschlossen werden, um eine dichte Verbindung zwischen den Kanälen 5 und der Bohrung 2 sicherzustellen. Dazu liegt der Körper 1 mit der unteren Hälfte seiner Oberfläche in einem Hilfsrahmen 10 aus Walzblech. Jede der Seitenkanten 11 des Hilfsrahmens 10 ist mit einer Reihe von Zähnen 12 ausgestattet, die sich an einem längs verlaufenden, zurückversetzten Abschnitt 13, der an der entsprechenden Seite des Körpers 1 vorgesehen ist, festhaken sollten.
1 und 3 zeigen noch dazu eine quer verlaufende Trennwand 14, die in der Achsrichtung mindestens eine Kammer 15 im Inneren der Bohrung 2 abgrenzt. Im unteren Teil des Körpers 1 ist eine quer verlaufende Öffnung 16 vorgesehen, um die Trennwand 14 einzubringen, die in ihrer endgültigen Position die Öffnung ausfüllt. Auf diese Weise können eine oder mehrere quer verlaufende Trennwände vorgesehen sein, um den Innenraum des Sammlers axial zu begrenzen und/oder ihn in mehrere Kammern zu unterteilen.
Der Hilfsrahmen 10 weist quer verlaufende Öffnungen 17 auf, deren Größe für den Durchgang der Rohre 4 genau ausreichend ist. Der Hilfsrahmen ist an den Körper 1, an die Rohre 4 und an die Trennwand 14 gelötet – mittels eines Lots, das beispielsweise auf seine gesamte konkave Oberseite aufgebracht ist, wodurch die Dichtheit zwischen der Bohrung 2, den Schlitzen 3 und den Kanälen 5 einerseits und der Außenseite andererseits sichergestellt ist. Die Trennwand 14 muss außerdem an die Wand der Bohrung 2 angelötet sein, um die dichte Abtrennung dieser sicherzustellen.
1 und 3 zeigen ein Innengewinde 19, das an einem Ende der Bohrung 2 für das Einschrauben eines Ansatzstücks für den Fluid-Einlass oder -Auslass vorgesehen ist.
Die nicht dargestellten unteren Enden der Rohre 4 können mit einem unteren Sammler in Verbindung sein, der zu dem oberen Sammer analog ist, wie es bei dem in 4 dargestellten Wärmetauscher der Fall ist, wobei Elementen, die jenen, die vorher beschrieben wurden, ähnlich sind, die gleichen Bezugsnummern vermehrt um 20 zugeordnet sind und diese Elemente nicht noch einmal ausführlich beschrieben werden.
Dieser zweite Wärmetauscher weist Rohre 24 auf, die den vorher beschriebenen Rohren 4 ähnlich sind, und zwei Sammler, deren Körper 21 sich von dem Körper 1 dadurch unterscheiden, dass jeder von ihnen nicht eine, sondern zwei längs verlaufende Bohrungen 22 aufweist, deren Achsen parallel sind und sich für eine vertikale Orientierung der Rohre in derselben Horizontalebene befinden. Die beiden Bohrungen jedes Körpers 21 sind folglich durch eine sich dazwischen befindliche, längs verlaufende Wand 38 voneinander getrennt. In den Körpern sind Querschlitze 23, analog zu den Schlitzen 3, vorgesehen. Der tiefste Teil jedes Schlitzes definiert folglich neben zwei horizontalen Leitungen 29, wovon jede eine Bohrung 22 mit dem Ende verbindet, das dem Schlitz benachbart ist, eine horizontale Leitung 29a, welche die zwei Bohrungen miteinander verbindet und in welche die Umlaufkanäle 25 münden, die sich in einem mittleren Bereich der Weite des Rohrs 24 befinden. Es ist auch möglich vorzusehen, dass die Kanäle 25, die sich in den Randbereichen der Weite des Rohrs befinden, jenseits der Bohrungen 22, d. h. in die Leitungen 29, münden, wie im Falle des Wärmetauschers von 1 bis 3.
Jedem der Sammler ist ein Hilfsrahmen 30 zugeordnet, der sich, abgesehen davon, dass seine Form an die Breite des Körpers 21 angepasst ist, von dem oben beschriebenen Hilfsrahmen 10 dadurch unterscheidet, dass die Zähne 12 durch umgebogene Ränder 32 ersetzt sind, die in Richtung der Längsmittelebene des Wärmetauschers vorstehen und auf der gesamten Länge des Hilfsrahmens mit einem entsprechenden lateralen, zurückversetzten Abschnitt 33 des Körpers zusammenwirken.
In 5, wo Elementen, die jenen von 1 bis 3 ähnlich sind, die gleichen Bezugsnummern vermehrt um 40 zugeordnet sind, sind wiederum zwei Sammler dargestellt, die mit dem oberen bzw. unteren Ende vertikaler Rohre 44 in Verbindung stehen, die den vorher beschriebenen Rohren 4 ähnlich sind und wie diese Letzteren sich mit Zwischenstücken 46 abwechselnd aneinandergereiht sind. Jeder Sammler weist einen massiven Körper 41 von zylindrischer Grundform auf, der jener des Körpers 1 ähnlich ist und wie dieser Letztere von einer rotationszylindrischen axialen Bohrung 42 durchquert wird. Jedem Körper 41 ist ein Hilfsrahmen 50 aus Buckelblech zugeordnet. Jedes Ende der Rohre 44 ist von einem Napf 60 bedeckt, der durch Tiefziehen des Hilfsrahmens geformt ist, wobei sich der Boden 61 dieses Napfes in eine quer verlaufende Kerbe 62 des Körpers 41 einpasst, die mit der Bohrung 42 in Verbindung steht und die mit ihren Enden auf beiden Seiten des Körpers mündet. Eine Öffnung 63, die den Boden 61 in seinem Zentrum durchquert, ermöglicht die Fluidverbindung zwischen der Bohrung 42 und den Kanälen 45 des Rohrs, wobei die Dichtheit dieser Verbindung durch Anlöten des Napfes mit seiner Innenfläche an den Umfang des Rohrs und mit der Außenfläche seines Bodens an die Kerbe 62 des Körpers sichergestellt wird.
Das mechanische Festhaken jedes Hilfsrahmens 50 an dem entsprechenden Körper 41 ist mit Hilfe von zu dem Hilfsrahmen gehörenden Klauen 64 verwirklicht, die paarweise auf beiden Seiten des Körpers angeordnet sind, wobei die Klauenpaare und die Näpfe 60 abwech selnd angeordnet sind. Jede Klaue 64 ist von dem Zwischenstück 66 abgewandt, d. h. nach oben, bei dem oberen Hilfsrahmen, und nach unten, bei dem unteren Hilfsrahmen, gewandt und endet in einem Zahn 65, der in Richtung der Achse des Körpers vorsteht, um mit einem längs verlaufenden, zurückversetzten Abschnitt 53 dieses Letzteren auf die gleiche Weise wie die Zähne 12 des Wärmetauschers von 1 bis 3 zusammenzuwirken.
In 7 ist eine quer verlaufende Trennwand 54 zu sehen, die auf die gleiche Weise wie die Trennwand 14 von 1 bis 3 durch eine dem Rohrbündel zugewandte Öffnung 56 des Körpers 41 eingebracht ist, um in der Bohrung 42 eine Kammer 55 abzugrenzen. In ihrer endgültigen Position steht diese Trennwand aus der Öffnung 56 vor, um die Ausgangsbasis für zwei Klauen 66 zu bilden, die sich in der Umfangsrichtung entlang dem Körper 41 bis zu den zurückversetzten Abschnitten 53 erstrecken, an denen sie sich mittels der Endzähne 67, die auf die gleiche Weise wie die Zähne 65 wirken, festhaken.

Claims

Wärmetauscher, insbesondere für die Extraktion von Wärme aus einem Kältemittel in einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage, mit mindestens einem Sammler, dessen Innenraum durch mindestens eine Längsbohrung (2) definiert ist, die in einem lang gestreckten, massiven Körper (1) vorgesehen ist, und der in Fluidverbindung mit einer Reihe von Rohren (4) ist, die in der Achsrichtung der Bohrung oder Bohrungen aneinandergereiht sind und sich parallel zueinander in einer ersten Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Achsrichtung erstrecken und einen lang gestreckten Querschnitt, Weite der Rohre genannt, in einer zweiten Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Achsrichtung und im Wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung aufweisen, wobei die Dichtheit der Fluidverbindung zwischen den Rohren und dem Innenraum mittels eines Hilfsrahmens (10) in Form eines Profilstreifens, der den Körper aufnimmt und an diesen Letzteren und an den Umfang der Rohre gelötet ist, erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Weite der Rohre (4) größer als ein Durchmesser der Bohrung (2) ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem sich mindestens ein Ende der Länge des Querschnitts der Rohre (4; 24) längs der ersten Richtung über die Bohrung (20) oder, in der zweiten Richtung, die Gesamtheit der Bohrungen (22) hinaus erstreckt.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei dem sich ein Zwischenteil der Länge des Querschnitts der Rohre längs der ersten Richtung zwischen zwei Bohrungen (22) erstreckt, wodurch der Innenraum definiert ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Ende jedes Rohrs in einen Schlitz (3) eingreift, der in dem Körper vorgesehen ist, in der zweiten Richtung lang gestreckt ist und an seinen beiden Enden einmündet und dessen Boden durch den Innenraum unterbrochen ist, wobei der Hilfsrahmen so auf den Körper aufgebracht ist, dass er die Schlitze abdeckt und diesen gegenüberliegend lang gestreckte Öffnungen (17) für den dichten Durchgang der Rohre aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 4, bei dem jeder Schlitz zwei seitliche Zonen geringerer Tiefe, deren Boden (7) als Anschlag für das Ende des Rohrs dient, und einen tieferen Mittelteil, der einen freien Raum (9) definiert, der mit dem Inneren des Rohrs verbunden ist, aufweist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein Ende jedes Rohrs (44) auf fluiddichte Weise in einem tiefgezogenen Napf (60) des Hilfsrahmens (50) in Eingriff ist, dessen Boden (61) seinerseits dicht in einer Quernut (62) des Körpers (41) sitzt und von mindestens einer Öffnung (63) für die Fluidverbindung zwischen dem Rohr und dem Innenraum durchquert wird.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Körper und der Hilfsrahmen Mittel (12, 13) zum mechanischen Miteinanderverhaken aufweisen.
Wärmetauscher nach Anspruch 7, bei dem die Mittel zum Verhaken zwei zurückversetzte Abschnitte (13) aufweisen, die sich in der Achsrichtung über die Außenfläche des Körpers, beiderseits einer Ebene, die durch die Achsen der Rohre verläuft, erstrecken und mit Zähnen (12) des Hilfsrahmens zusammenwirken.
Wärmetauscher nach Anspruch 8, an Anspruch 6 angeschlossen, bei dem jeder Zahn (65) am freien Ende einer Klaue (64) ausgebildet ist, die sich im Wesentlichen in einer Radialebene erstreckt, wobei jede Klaue in der Achsrichtung zwischen zwei Näpfe (60) eingefügt ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Sammler (1) mindestens eine quer verlaufende Trennwand (14) aufweist, die in der Achsrichtung mindestens eine Kammer (15) abgrenzt, die zu dem Innenraum gehört, in Eingriff mit einer Öffnung (16) des Körpers, die durch den Hilfsrahmen (10) abgedeckt ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Sammler mindestens eine quer verlaufende Trennwand (54) enthält, die in der Achsrichtung mindestens eine Kammer (55) abgrenzt, die zu dem Innenraum gehört, in Eingriff mit einer Öffnung (56) des Körpers, über die hinaus sie vorsteht, und die Mittel (67) zum mechanischen Festhaken am Umfang des Körpers (41) trägt.