DE69505943T2 - Raumsparender Wärmeaustauscher für drei Media - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Dreifachwärmetauscher für den Wärmeaustausch zwischen einem ersten Medium im gasförmigen Zustand und zweiten und dritten Medien, die in getrennten Kreisläufen zirkulieren, mit einer Reihe von Zwischenräumen in flacher Form, die in einer Schichtungsrichtung abwechselnd mit einer ersten Reihe von flachen Taschen und einer zweiten Reihe von flachen Taschen geschichtet sind, in denen das zweite bzw. das dritte Medium zirkuliert, wobei eine Tasche jeder Reihe zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zwischenräumen angeordnet und jede Tasche von mindestens einem angrenzenden Zwischenraum durch eine wärmeleitende Wand getrennt ist, die von einem in den besagten Zwischenraum strömenden Strom des ersten Mediums beströmt werden kann.
• Ein derartiger Wärmetauscher wird in der EP-A-0 431 917 beschrieben. Dieser bekannte Wärmetauscher dient als Radiator für die Kühlung des Verbrennungsantriebsmotors eines Kraftfahrzeugs und als Kondensator eines Klimatisierungskreislaufs für den Fahrgastraum des Fahrzeugs. Das erste Medium ist dann Außenluft, das zweite Medium die Kühlflüssigkeit des Motors und das dritte Medium das Kältemittel des Klimatisierungskreislaufs. Die beiden zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zwischenräumen angeordneten Taschen sind aneinandergereiht und erstrecken sich jeweils auf einem Teil der Schichtungsfläche. Sie befinden sich in einem bestimmten Abstand zueinander, wobei sie jeweils an zwei aufeinanderfolgenden Zwischenräumen angrenzen. Der gesamte Raumbedarf dieses Wärmetauschers in Richtung der Aneinanderreihung der Taschen entspricht der Summe des Raumbedarfs eines getrennten Radiators und Kondensators, die die gleichen Funktionen wie der Wärmetauscher erfüllen würden, und eines zusätzlichen Raumbedarfs, der dem Abstand zwischen den beiden nebeneinander angeordneten Taschen entspricht.
• In den Klimaanlagen für den Fahrgastraum von Fahrzeugen ist es üblich, im Verlauf der aufzubereitenden Luft hintereinander einen Verdampfer, der zum Kältemittelkreislauf gehört und zur Kühlung dieser Luft dient, und einen Radiator für die Erwärmung der Luft anzuordnen. Da der verfügbare Raum für die Klimaanlagen im allgemeinen knapp bemessen ist, liegt es, um Platz zu sparen, nahe, diese beiden Wärmetauscher durch einen einzigen Wärmetauscher für beide Funktionen zu ersetzen. Eine solche Platzeinsparung ließe · sich aus den vorstehend dargelegten Gründen mit der Lösung nach der Vorveröffentlichung nicht erzielen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu beseitigen und einen Dreifachwärmetauscher bereitzustellen, der einen geringen Raumbedarf im Vergleich zu der Gesamtheit der durch ihn ersetzten zwei Wärmetauscher aufweist.
• Eine weitere Aufgabe besteht darin, neben dem direkten Wärmeaustausch zwischen dem ersten Medium und jedem der zweiten und dritten Medien auch einen direkten Wärmeaustausch zwischen dem zweiten und dem dritten Medium zu ermöglichen. In dem vorerwähnten Beispiel eines Wärmetauschers, der als Heizradiator und als Verdampfer dient, begünstigt der direkte Wär meaustausch zwischen dem Wärmeträgermedium des Heizradiators und dem Kältemittel des Verdampfers die Wärmeübertragung zu diesem Kältemittel und demzufolge seine vollständige Verdampfung.
• Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art und sieht vor, daß die beiden zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zwischenräumen angeordneten Taschen in der Schichtungsrichtung übereinander gelagert sind und sich jeweils mit direktem wechselseitigem Wärmekontakt in etwa auf der gesamten Schichtungsfläche erstrecken.
• Der Raumbedarf des Wärmetauschers in Richtung der Breite der Taschen wird dadurch auf den Raumbedarf eines einfachen Wärmetauschers für zwei Medien verringert. Diese Verringerung wird auf Kosten einer Vergrößerung des Raumbedarfs in der Schichtungsrichtung erzielt, wobei diese Vergrößerung auf die Summe der Dicken der Taschen einer Reihe beschränkt ist. Daraus ergibt sich insgesamt eine Verkleinerung des volumenbezogenen Platzbedarfs. Darüber hinaus wird der direkte Wärmeaustausch zwischen dem zweiten und dem dritten Medium durch den Oberflächenkontakt zwischen den Taschen der beiden Reihen bewirkt.
• Nach wahlweisen, zusätzlichen oder alternativen Merkmalen der Erfindung ist folgendes vorgesehen:
• - Die Dicke jedes Zwischenraums ist durch eine wärmeleitende gewellte dünne Platte definiert, deren Scheitel abwechselnd mit den zwei Wänden in Kontakt stehen, die diesen Zwischenraum begrenzen, der als Zwischenelement zwischen den zwei entsprechenden Taschen dient und am Wärmeaustausch zwischen den drei Medien mitwirkt.
• - Jede Tasche wird durch zwei tiefgezogene Blechplatten in Form von flachen Schalen gebildet, deren Austiefungen zueinander gerichtet sind und die an ihrem Umfang dicht miteinander verbunden sind.
• - Die beiden Blechplatten sind außerdem in einem Mittelbereich ihrer Breite und auf einem erheblichen Teil ihrer Länge von deren erstem Ende aus dicht verbunden, um für das in der Tasche zirkulierende Medium einen U-förmigen Verlauf zu definieren, dessen zwei Schenkel sich beiderseits des besagten Mittelbereichs erstrecken.
• - Die Tiefe der durch jede Platte gebildeten Schale vergrößert sich in einem an das besagte erste Ende angrenzenden Bereich, beiderseits des besagten Mittelbereichs, um eine Einlaßkammer für den Einlaß des Mediums in die Tasche und eine Auslaßkammer für den Auslaß des Mediums aus der Tasche zu bilden, wobei die Paare Einlaßkammer und Auslaßkammer einer gleichen Taschenreihe in der besagten Richtung auf einer Seite der Schichtung ausgerichtet sind, wobei der Boden einer Schale in dem besagten Bereich mit dem Boden einer Schale, die durch eine benachbarte Tasche der gleichen Reihe gebildet wird, in dichtem Kontakt um eine Öffnung herum steht, die in jeden dieser beiden Böden eingearbeitet ist, um, dicht gegenüber der Außenseite der Taschen, den Durchgang des Mediums von einer zur anderen der durch die zwei Schalen definierten Einlaß- und/oder Auslaßkammern zu ermöglichen.
• - Die Einlaßkammern und die Auslaßkammern Taschenreihe einerseits und die Einlaßkammern und die Auslaßkammern der anderen Taschenreihe andererseits sind auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Schichtung ausgerichtet.
• - Die Taschen mindestens einer Reihe enden in einem Abstand von den Einlaß- und Auslaßkammern der anderen Reihe auf der Seite der Schichtung, auf der sich diese Kammern befinden, um mindestens einen Seitenbereich der Schichtung zu bilden, im dem das erste Medium Wärme mit nur einem der zweiten und dritten Medien austauscht. In einer Klimaanlage kann die durch einen solchen Seitenbereich geströmte Luft in einen Teil des Fahrgastraums eingeleitet werden, in dem wärmere oder kältere Luft als in den anderen Teilen gewünscht wird. Gegebenenfalls können ein Warmluftbereich und ein Kaltluftbereich beiderseits der Schichtung vorgesehen sein.
• - Die Einlaßkammern einerseits und die Auslaßkammern andererseits einer gleichen Taschenreihe sind aufeinander ausgerichtet, um einen Einlaßkanal bzw. einen Auslaßkanal zu bilden, wobei die durch die besagten Taschen gebildeten U-förmigen Verläufe parallel zwischen den Einlaß- und Auslaßkanälen angeordnet sind.
• Die Erfindung bezieht sich außerdem auf eine Anwendung eines Wärmetauschers der vorstehend definierten Art, bei der das erste, zweite und dritte Medium Luft für die Einleitung in den Fahrgastraum eines Fahrzeugs, ein Kältemittel, das im Wärmetauscher unter Aufnahme von Wärme vom flüssigen Zustand zum gasförmigen Zustand übergehen kann, bzw. ein warmes Medium ist, das Wärme an die beiden anderen Medien abgeben kann.
• Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der nachstehenden Beschreibung detaillierter dargelegt, wobei auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen wird. Darin zeigen im einzelnen:
• - Fig. 1 eine Seitenansicht der Schichtung von Zwischenräumen und Taschen eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers;
• - Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II vors Fig. 1; und
• - Fig. 3 eine Teilschnittansicht entlang der Linie III-III von Fig. 2.
• Der veranschaulichte Wärmetauscher. umfaßt eine Reihe von Taschen 1 und eine Reihe von Taschen 2, die von links nach rechts in Fig. 1 abwechselnd auf einer in Fig. 1 von oben nach unten gemessenen Höhe H aneinander geschichtet sind. Auf dieser Höhe weisen die Taschen eine in etwa konstante Dicke auf und werden durch in etwa ebene und vertikale Flächen begrenzt, wobei die nach rechts gerichtete Fläche einer Tasche 1 in direktem Kontakt mit der nach links gerichteten Fläche der folgenden Tasche 2 steht und wobei die nach rechts gerichtete Fläche einer Tasche 2 von der nach links gerichteten Fläche der folgenden Tasche 1 durch einen Zwischenraum 3 getrennt ist. Jeder der Zwischenräume 3 ist mit einer wärmeleitenden gewellten dünnen Platte 4 bestückt, deren Scheitel abwechselnd mit den beiden Flächen der Taschen in Kontakt kommen, die den Zwischenraum begrenzen. Auf bekannte Weise kann Luft in den Zwischenräumen 3, im Innern der horizontalen Kanäle zirkulieren, die durch die Wellungen der Platten 4 begrenzt werden, um durch diese Platte und die Wände der Taschen Wärme mit Medien auszutauschen, die in diesen zirkulieren, wie dies weiter unten noch darzulegen sein wird.
• Alle Taschen 1 und 2 sind identisch ausgeführt, wobei jede durch zwei ebenfalls identische Blechplatten 5 und 6 gebildet wird. Diese zwei Platten sind in Form von Schalen tiefgezogen und auf ihrem gesamten in etwa rechteckigen Umriß dicht miteinander verbunden, um einen geschlossenen Innenraum zu bilden. Die untere Seite der Taschen 1 befindet sich an der unteren Grenze der Höhe H, wobei diese Taschen über die obere Grenze dieser Höhe hinaus nach oben vorstehen. In dem die Höhe H so überragenden Bereich vergrößert sich die Tiefe der durch die Platten 5 und 6 gebildeten Schalen im Verhältnis zu der konstanten geringen Tiefe, die sie auf der Höhe H aufweisen, so daß der flache Boden 7 der nach links konvexen Schale 5 einer Tasche 1 auf dem flachen Boden 8 der nach rechts konvexen Platte 6 der Tasche 1 zur Anlage kommt, die links von der vorangehenden Tasche angeordnet ist. Die Dicke jeder Tasche ist daher in diesem Bereich gleich dem Abstand der abwechselnden Schichtung der Zwischenräume 3 und der beiden Taschenreihen auf der Höhe H. Desgleichen befindet sich die obere Seite der Taschen 2 an der oberen Grenze der Höhe H, und diese Taschen erstrecken sich nach unten über die untere Grenze der Höhe H hinaus, wobei sie ihre Dicke vergrößeren und in wechselseitigen Kontakt mit den nach links bzw. nach rechts gerichteten flachen Böden 7 und 8 kommen.
• Die Platten 5 und 6 jeder Tasche sind außerdem dicht in einem Mittelbereich 9, bezogen auf die Breite der Taschen, miteinander verbunden, der sich durchgehend · von deren Abschlußkante 14, die oberhalb oder unterhalb der Höhe H angeordnet ist, bis zu einem bestimmten Abstand von der gegenüberliegenden Kante 15 erstreckt. Der Innenraum jeder Tasche weist daher eine U-förmige Gestaltung auf, wobei die Enden der beiden Schenkel 10 und 11 in dem verdickten Bereich der Tasche angeordnet sind und jeder der flachen Böden 7, 8 durch den Verbindungsbereich 9 in zwei Teile 7a und 7b, 8a und 8b geteilt ist. Jeder der Teile 7a, 7b, 8a, 8b enthält eine Öffnung 12. Die Öffnungen 12 von zwei aneinandergrenzenden Bodenteilen stellen einer Verbindung zwischen den verdickten Enden der Schenkel der U-förmigen Verläufe von zwei benachbarten Taschen derselben Reihe her. Die verdickten Enden 13a der Schenkel 10 bilden Einlaßkammern für den Einlaß des Mediums in jede Tasche, wobei sie durch die entsprechenden Öffnungen 12 miteinander verbunden sind, um einen Einlaßkanal zu bilden. Ebenso bilden die ver dickten Enden 13b der Schenkel 11 Auslaßkammern für den Auslaß des Mediums aus jeder Kammer, wobei sie durch die entsprechenden Öffnungen 12 miteinander verbunden sind, um einen Auslaßkanal zu bilden. Das Medium zirkuliert parallel in den U-förmigen Verläufen der verschiedenen Taschen derselben Reihe zwischen dem Einlaßkanal und dem Auslaßkanal. Die aneinander angrenzenden Bodenteile 7a oder 7b und 8a oder 8b von zwei benachbarten Taschen sind um ihre Öffnungen 12 herum dicht miteinander verbunden. Eine der beiden Öffnungen 12, die sich an den Enden jedes Ein- oder Auslaßkanals befinden, ist an einen nicht dargestellten Ein- oder Auslaßstutzen des Wärmetauschers angeschlossen, während die andere Öffnung verschlossen ist.

Claims (9)

1. Dreifachwärmetauscher für den Wärmeaustausch zwischen einem ersten Medium im gasförmigen Zustand und zweiten und dritten Medien, die in getrennten Kreisläufen zirkulieren, mit einer Reihe von Zwischenräumen (3) in flacher Form, die in einer Schichtungsrichtung abwechselnd mit einer ersten Reihe von flachen Taschen (1) und einer zweiten Reihe von flachen Taschen (2) geschichtet sind, in denen das zweite bzw. das dritte Medium zirkuliert, wobei eine Tasche jeder Reihe zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zwischenräumen angeordnet und jede Tasche von mindestens einem angrenzenden Zwischenraum durch eine wärmeleitende Wand (5, 6) getrennt ist, die von einem in den besagten Zwischenraum strömenden Strom des ersten Mediums beströmt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zwischen zwei aufeinanderfolgenden Zwischenräumen angeordneten Taschen in der Schichtungsrichtung übereinander gelagert sind und sich jeweils mit direktem wechselseitigem Wärmekontakt in etwa auf der gesamten Schichtungsfläche erstrecken.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke jedes Zwischenraums durch eine wärmeleitende gewellte dünne Platte (4) definiert ist, deren Scheitel abwechselnd mit den zwei Wänden in Kontakt stehen, die diesen Zwischenraum begrenzen, der als Zwischenelement zwi schen den zwei entsprechenden Taschen dient und am Wärmeaustausch zwischen den drei Medien mitwirkt.

3. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Tasche durch zwei tiefgezogene Blechplatten (5, 6) in Form von flachen Schalen gebildet wird, deren Austiefungen zueinander gerichtet sind und die an ihrem Umfang dicht miteinander verbunden sind.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Blechplatten außerdem in einem Mittelbereich (9) ihrer Breite und auf einem erheblichen Teil ihrer Länge von deren erstem Ende (14) aus dicht verbunden sind, um für das in der Tasche zirkulierende Medium einen U-förmigen Verlauf zu definieren, dessen zwei Schenkel (10, 11) sich beiderseits des besagten Mittelbereichs erstrekken.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Tiefe der durch jede Platte gebildeten Schale in einem an das besagte erste Ende angrenzenden Bereich, beiderseits des besagten Mittelbereichs, vergrößert, um eine Einlaßkammer (13a) für den Einlaß des Mediums in die Tasche und eine Auslaßkammer (13b) für den Auslaß des Mediums aus der Tasche zu bilden, wobei die Paare Einlaßkammer und Auslaßkammer einer gleichen Taschenreihe in der besagten Richtung auf einer Seite der Schichtung ausgerichtet sind, wobei der Boden (7) einer Schale (5) in dem besagten Bereich mit dem Boden (8) einer Schale (6), die durch eine benachbarte Tasche der gleichen Reihe gebildet wird, in dichtem Kontakt um eine Öffnung (12) herum steht, die in jeden dieser beiden Böden eingearbeitet ist, um, dicht gegenüber der Außenseite der Taschen, den Durchgang des Mediums von einer zur anderen der durch die zwei Schalen definierten Einlaß- und/oder Auslaßkammern zu ermöglichen.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßkammern und die Auslaßkammern einer Taschenreihe einerseits und die Einlaßkammern und die Auslaßkammern der anderen Taschenreihe andererseits auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Schichtung ausgerichtet sind.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Taschen mindestens einer Reihe in einem Abstand von den Einlaß- und Auslaßkammern der anderen Reihe auf der Seite der Schichtung enden, auf der sich diese Kammern befinden, um mindestens einen Seitenbereich der Schichtung zu bilden, im dem das erste Medium Wärme mit nur einem der zweiten und dritten Medien austauscht.

8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßkammern einerseits und die Auslaßkammern andererseits einer gleichen Taschenreihe aufeinander ausgerichtet sind, um einen Einlaßkanal bzw. einen Auslaßkanal zu bilden, wobei die durch die besagten Taschen gebildeten U-förmigen Verläufe parallel zwischen den Einlaß- und Auslaßkanälen angeordnet sind.

9. Anwendung eines Wärmetauschers nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das erste, zweite und dritte Medium Luft für die Einleitung in den Fahrgastraum eines Fahrzeugs, ein Kältemittel, das im Wärmetauscher unter Aufnahme von Wärme vom flüssigen Zustand zum gasförmigen Zustand übergehen kann, bzw. ein warmes Medium ist, das Wärme an die beiden anderen Medien abgeben kann.