EP1359383A2

EP1359383A2 - Wärmetauscher

Info

Publication number: EP1359383A2
Application number: EP03009521A
Authority: EP
Inventors: Kurt Dr.-Ing. Molt; Matthias Dipl.-Ing. Traub; Jürgen Dipl.-Ing. Wegner (TU)
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2002-05-03
Filing date: 2003-04-28
Publication date: 2003-11-05
Also published as: DE10319226B4; DE10319226A1

Abstract

Wärmetauscher, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem Kühlmittelkasten (2,3), bestehend aus Rohrboden (2b,3b), Deckel (2a,3a) und Längstrennwand (7), die den Kühlmittelkasten in eine Eintritts- (8) und eine Austrittskammer (9) unterteilt, mit einem Wärmeübertrager-Netz, bestehend aus Flachrohren (5) und Wellrippen (6). <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher, wie insbesondere einen Heizkörper oder Kühler, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem Kühlmittelkasten, bestehend aus Rohrboden, Deckel und Längstrennwand, die den Kühlmittelkasten in eine Eintritts- und eine Austrittskammer unterteilt, mit einem Wärmeübertrager-Netz, bestehend aus Flachrohren und Wellrippen, wobei die Flachrohre einen durch eine Trennwand in zwei Kammern unterteilten Querschnitt sowie erste und zweite Flachrohrenden aufweisen, wobei die ersten Flachrohrenden vom Rohrboden aufgenommen werden und die zweiten Flachrohrenden mit einer Umlenkeinrichtung in Verbindung stehen, so dass die Flachrohre zweiflutig durchströmt werden.

Ein solcher Heizkörper wurde durch die DE-A 197 52 139 bekannt. Dieser bekannte Heizkörper weist eine Flachrohrreihe auf und wird zweiflutig durchströmt, wobei das Kühlmittel in Richtung der Luftströmung, d. h. "in der Tiefe" umgelenkt wird. Diese Zweiflutigkeit wird durch eine Längstrennwand im oberen Kühlmittelkasten, ein in zwei Kammern unterteiltes Flachrohr und eine Umlenkeinrichtung erreicht, die entweder als zusätzlicher Kühlmittelkasten oder als Umlenkung im endseitig verschlossenen Flachrohr ausgebildet sein kann. Die Umlenkung des Kühlmittels in der Tiefe hat unter anderem den Vorteil, dass die aus dem Heizkörper austretende erwärmte Luft ein gleichmäßiges Temperaturprofil aufweist, welches mit einem einfach durchströmten Heizkörper (also ohne Umlenkung in der Tiefe) nicht erreicht werden kann.

Ein Problem bei heutigen Heizkörpern, wie sie in Heizungs- und Klimaanlagen für Kraftfahrzeuge eingesetzt werden, besteht darin, dass bei geringen Motordrehzahlen und insbesondere im Leerlauf des Motors nur eine relativ geringe Heizleistung zur Verfügung steht. Eine Ursache für diese ungenügende Heizleistung besteht darin, dass mit geringeren Motordrehzahlen der Kühlmittelmassenstrom durch den Heizkörper abnimmt und die Kühlmittelströmung vom turbulenten in den laminaren Bereich umschlägt - letzteres ist mit einer Verschlechterung des kühlmittelseitigen Wärmeüberganges (Wärmeübergangszahl α) verbunden. Dieses Problem liegt der EP-0 710 811 A2 zugrunde, allerdings für einen Flachrohrheizkörper, der kühlmittelseitig nur in einer Richtung durchströmt wird. Zur Lösung dieses Problems hat man einen Heizkörperblock mit Abmessungen vorgeschlagen, die einen Betrieb des Heizkörpers vorwiegend im laminaren Bereich ermöglichen sollen. Durch eine Erhöhung des Gesamtdurchtrittsquerschnittes auf der Kühlmittelseite sollen die Strömungsgeschwindigkeit und damit die Reynolds-Zahl herabgesetzt werden, so dass die Strömung im laminaren Bereich stattfindet. Unter anderem ist für den bekannten Heizkörper ein Flachrohr vorgeschlagen worden, welches eine lichte Weite im Bereich von 0.6 bis 1,2 mm aufweist. Ein Heizkörper, der für eine laminare Strömung ausgelegt ist und nur einfach durchströmt wird, genügt jedoch bestimmten Anforderungen der Kraftfahrzeugindustrie an die Heizleistung von Wärmeübertragern nicht.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Heizkörper der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine ausreichende Heizleistung auch bei niedrigen Kühlmitteldurchsätzen erreicht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe liegt gemäß den Merkmalen des Patenanspruches 1 darin, dass die lichte Weite der Flachrohre kleiner oder gleich 1,2 mm ist. Durch diese Verringerung der lichten Weite wird der kühlmittelseitige Wärmeübergang, d. h. die Wärmeübergangszahl α zwischen Kühlmittel und Rohrinnenwand signifikant erhöht - damit steht auch bei geringeren Kühlmitteldurchsätzen, z. B. bei 3 bis 4 l/min mehr Heizleistung zur Verfügung. Obwohl dem Fachmann die Zusammenhänge zwischen lichter Weite eines Rohrquerschnittes und der Wärmeübergangszahl bekannt waren, hat man bei der Auslegung von Wärmeübertragern für Kraftfahrzeugsheizungsanlagen von derartig schmalen Rohrquerschnitten Abstand genommen und keine Entwicklung in dieser Richtung betrieben, weil der kühlmittelseitige Druckabfall mit abnehmender lichter Weite für die Rohre erheblich ansteigt. Die vom Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeuges mechanisch angetriebene Kühlmittelpumpe kann das notwendige Druckniveau nicht bereitstellen. Dieses Druckniveau kann jedoch durch elektromotorisch angetriebene und regelbare Kühlmittelpumpen aufgebracht werden. Insofern bildet der erfindungsgemäße Bereich von geringen lichten Weiten ein bisher nicht genutztes Potenzial, die Heizleistung durch Erhöhung der Reynolds-Zahl bei einem gleichmäßigen Lufttemperaturaustrittsprofil zu steigern. Der Heizkörper wird also kompakter, da bei gleicher Bautiefe mehr Heizleistung erzielt oder - als Alternative - bei gleicher Heizleistung eine geringere Bautiefe des Heizkörpers erreicht werden kann.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung liegt der bevorzugte Bereich für die lichte Weite des Flachrohrquerschnittes zwischen 0,6 mm und 1,15 mm, insbesondere zwischen 0,7 mm und 1,0 mm.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschreiben. Es zeigen

Fig. 1: einen zweiflutig durchströmten Heizkörper mit Umlenkung des Kühlmittels "in der Tiefe",
Fig. 1a: eine Seitenansicht des Heizkörpers gemäß Fig. 1,
Fig. 1 b: eine Draufsicht des Heizkörpers gemäß Fig. 1,
Fig. 2: einen Querschnitt durch ein Flachrohr des Heizkörpers und
Fig. 2a: eine Teilansicht des Flachrohres,
Fig. 3: ein Diagramm für die Leistung des Heizkörpers und
Fig. 4: ein Diagramm für den Druckabfall im Flachrohr.

Fig. 1 zeigt einen Heizkörper 1 mit einem oberen Kühlmittelkasten 2 und einem unteren Kühlmittelkasten 3, zwischen welchen ein Wärmeübertragernetz 4, bestehend aus Flachrohren 5 und Wellrippen 6, angeordnet ist. Der obere Wasserkasten 2 besteht aus einem Deckel 2a und einem Rohrboden 2b, die umfangseitig miteinander verlötet sind. Der untere Kühlmittelkasten 3 weist ebenfalls einen Deckel 3a und einen Rohrboden 3b auf, die miteinander verlötet sind. Die Rohrböden 2a, 3b nehmen in nicht dargestellter Weise die Enden der Flachrohre 5 fluiddicht auf, so dass die Rohre 5 mit den beiden Kühlmittelkästen 2, 3 in Fluidverbindung stehen.

Fig. 1a zeigt den Heizkörper gemäß Fig. 1 in einer Seitenansicht, und Fig. 1 b zeigt den Heizkörper 1 in einer Draufsicht. Im oberen Wasserkasten 2 ist eine gestrichelt eingezeichnete Trennwand 7 angeordnet, die den Kühlmittelkasten 2 in eine Kühlmitteleintrittskammer 8 und in eine Kühlmittelaustrittskammer 9 unterteilt. Die Eintrittskammer 8 weist eine Öffnung 10 für den Eintritt des Kühlmittels, und die Kammer 9 weist eine Öffnung 11 für den Austritt des Kühlmittels auf.

Sämtliche Teile des Heizkörpers bestehen aus einer Aluminiumlegierung und sind miteinander verlötet. In Längsrichtung des Flachrohres 5 (s. Fig. 1a) ist eine Trennwand 12 angeordnet, die als gestrichelte Linie dargestellt ist. Die Trennwand 12 unterteilt das Flachrohr 5 - wie in Fig. 2 genauer dargestellt - in zwei Kammern, die in unterschiedlicher Richtung durchströmt werden.

Das Kühlmittel durchströmt den Heizkörper 1 wie folgt: das Kühlmittel tritt, dargestellt durch den Pfeil E, durch die Öffnung 10 in den Kühlmittelkasten 2 bzw. die Eintrittskammer 8 ein und strömt dann, entsprechend dem Pfeil I, durch die in Fig. 1a rechts angeordnete Kammer von oben nach unten, d. h. in den Kühlmittelkasten 3. Dort wird das Kühlmittel, dem Pfeil U folgend, umgelenkt und tritt in die in Fig. 1a links gelegene Kammer des Flachrohres 5 ein, um, dem Pfeil II folgend, von unten nach oben zu strömen. Das Kühlmittel gelangt dann - nach zweifacher Durchströmung der Flachrohrreihe 5 - in die Austrittskammer 9 des Kühlmittelkastens 2 und verlässt über die Austrittsöffnung 11, dem Pfeil A folgend, den Heizkörper 1.

Die Luftströmungsrichtung ist durch die Pfeile L dargestellt, d. h. der Heizkörper 1 wird im Kreuzgegenstrom betrieben: das Kühlmittel strömt also zunächst auf der Leeseite (I) von oben nach unten durch den Heizkörper, wird dann entgegen der Luftströmungsrichtung, d. h. in der Tiefe umgelenkt und strömt dann in einem zweiten Durchgang (II) auf der Luvseite des Heizkörpers 1 von unten nach oben. Diese Strömungsanordnung von Kühlmittel- und Luftstrom ist für hohe Leistung bevorzugt; es ist allerdings auch ein Kreuzgleichstrom möglich, d. h. die Luftströmungsrichtung L ist um 180 ° gedreht, d. h. sie würde in der Fig. 1a von rechts nach links erfolgen.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch das Flachrohr 5 des in Fig. 1 dargestellten Heizkörpers 1. Das Flachrohr 5 ist aus einem Flachband 20 aus einer Aluminiumlegierung hergestellt und als geschweißtes Zweikammerrohr mit einer Kammer 21 und einer Kammer 22, die durch eine Sicke 23 voneinander abgeteilt sind, ausgebildet. Das Rohr kann gemäß eines weiteren Ausführungsbeispieles auch gelötet werden oder bei einem anderen Ausführungsbeispiel auch aus zwei Halbschalen bestehend zusammen gesetzt sein und verlötet werden. Auch können zwei separate Rohre ohne direkte Verbindung verwendbar sein.

Die Sicke 23 wird durch zwei symmetrische Ausprägungen 24, 25 gebildet, die sich etwa in einer Mittelebene 26 berühren und in diesem Bereich miteinander verlötet sind. Dadurch werden einerseits die beiden Kammern 21, 22 fluiddicht voneinander getrennt, und andererseits wirkt diese Sicke 23 als Zuganker gegen den Innendruck des Kühlmittels im Flachrohr 5. Die Abmessungen des Flachrohres 5 sind durch folgende Maße gekennzeichnet: Tiefe t, Breite b, lichte Weite d und Wandstärke s. Die lichte Weite d ergibt sich somit aus der Beziehung d = b - 2s. Die Maße des dargestellten Flachrohrquerschnittes lauten wie folgt: t = 26 mm, b = 1,7 mm, s = 0,3 mm und d = 1,1 mm.

Das Flachrohr 5 ist außen oder beidseitig lotplattiert, was nicht dargestellt ist. Es kann somit mit den Wellrippen 6 gemäß Fig. 1 zu dem Wärmeübertragernetz 4 verlötet werden.

Fig. 2a zeigt das Rohr 5 von außen, d. h. in einer Ansicht mit der durchgehenden Sicke 23.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm, in welchem die Leistung des Heizkörpers über der lichten Weite d der Flachrohre aufgetragen ist. Der Bereich für die lichte Weite geht von 0,65 bis 1,35 in Schritten von 0,1 mm. Man entnimmt dieser Kurve P = f (d), dass die Leistung mit abnehmender lichter Weite ansteigt, und zwar leicht exponentiell, d. h. dass die Leistung stärker zunimmt, als die lichte Weite abnimmt. Wie bereits oben erwähnt, ist diese Leistungssteigerung auf die Erhöhung der Reynolds-Zahl und die damit verbundene Erhöhung der Wärmeübergangszahl α zurückzuführen.

In Fig. 4 ist ein Diagramm dargestellt, welches den kühlmittelseitigen Druckabfall, aufgetragen über dem Kühlmittelvolumenstrom, für zwei lichte Weiten zeigt: die Kurve Δp1 zeigt den Verlauf des Druckabfalls für eine lichte Weite von d = 0,75, und die Kurve Δp2 zeigt den Druckabfall für eine lichte Weite d = 1,15, d. h. den oberen Grenzbereich des erfindungsgemäßen Bereiches für die lichte Weite. Die Kurve 1 verläuft wesentlich steiler als die Kurve 2. Wie bereits oben erwähnt, geht mit einer Verringerung der lichten Weite ein erhöhter kühlmittelseitiger Druckabfall einher. Dies war in der Fachwelt auch ein Grund, derartig geringe lichte Weiten bei Flachrohren zu vermeiden. Dennoch hat die Anmelderin überraschend herausgefunden, dass sich unter Inkaufnahme dieses erhöhten kühlmittelseitigen Druckabfalls dennoch eine Leistungssteigerung - wie aus Fig. 3 ersichtlich - erzielen lässt. Dies ist umso überraschender, als sich der erhöhte Druckabfall besonders stark bei geringen Kühlmittelvolumenströmen auswirkt, also in dem Bereich, wo die Erfindung Leistung holen will. Dennoch ergibt eine Gesamtbetrachtung einen Leistungsgewinn.

Claims

Wärmetauscher, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem Kühlmittelkasten, bestehend aus einem Rohrboden, einem Deckel und einer Längstrennwand, die den Kühlmittelkasten in eine Eintrittsund eine Austrittskammer unterteilt, mit einem Wärmeübertrager-Netz bestehend aus Flachrohren und Wellrippen, wobei die Flachrohre erste und zweite Flachrohrenden aufweisen, wobei die ersten Flachrohrenden vom Rohrboden aufgenommen werden und die zweiten Flachrohrenden mit einer Umlenkeinrichtung zur Umlenkung in der Tiefe in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Flachrohre eine lichte Weite d mit einem Bereich von d ≤ 1,2 mm aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lichte Weite d folgenden Bereich aufweist: 0,6 mm ≤ d ≤ 1,15mm.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die lichte Weite d folgenden Bereich aufweist: 0,7 mm ≤ d ≤ 1,0mm.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinrichtung als Kühlmittelkasten ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinrichtung in den Rohrenden angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkeinrichtung durch eine Unterbrechung der Trennwand und durch einen Verschluss der Rohrenden gebildet wird.
Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschluss durch eine Verschlusskappe auf den Rohrenden gebildet wird.
Wärmetauscher insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre einen durch eine Trennwand in zwei Kammern unterteilten Querschnitt aufweisen.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand als Sicke ausgebildet ist und das Flachrohr im Bereich der Sicke verlötet ist.
Zweikammerrohr für einen Wärmetauscher, insbesondere einer Kraftfahrzeug-Heizungs- oder Klimaanlage mit einer Tiefe t, einer Breite b, einer Rohrwandstärke s und einer lichten Weite d der Kammern, dadurch gekennzeichnet, dass die lichte Weite d folgenden Bereich aufweist: 0,6 mm ≤ d ≤ 1,2 mm, vorzugsweise 0,6 mm ≤ d ≤ 1,15 mm und insbesondere 0,7 mm ≤ d ≤ 1,0 mm.
Zweikammerrohr nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe t folgenden Bereich aufweist: 15 mm ≤ t ≤ 60 mm.
Zweikammerrohr nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrwandstärke s folgenden Bereich aufweist: 0, 15 mm ≤ s ≤ 0,5 mm.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher insbesondere ein Heizkörper oder ein Kühler ist.
Vorrichtung zur Kühlung oder Heizung eines Fluids, mit einem Wärmetauscher nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei weiterhin eine elektrisch betriebene Pumpe zum Pumpen des Kühlmittels vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe eine Wasserpumpe ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe mittels eines Elektromotors angetrieben wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor mit einer Spannung von 12 oder 42 Volt betrieben wird.