EP1706695A1 - Wärmeübertrager, insbesondere für überkritischen kältekreislauf - Google Patents

Wärmeübertrager, insbesondere für überkritischen kältekreislauf

Info

Publication number
EP1706695A1
EP1706695A1 EP04803540A EP04803540A EP1706695A1 EP 1706695 A1 EP1706695 A1 EP 1706695A1 EP 04803540 A EP04803540 A EP 04803540A EP 04803540 A EP04803540 A EP 04803540A EP 1706695 A1 EP1706695 A1 EP 1706695A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
exchanger according
rows
tubes
pipes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04803540A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Kurt Molt
Gerrit WÖLK
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mahle Behr GmbH and Co KG
Original Assignee
Behr GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Behr GmbH and Co KG filed Critical Behr GmbH and Co KG
Publication of EP1706695A1 publication Critical patent/EP1706695A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/04—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits
    • F28D1/053—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being straight
    • F28D1/0535—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being straight the conduits having a non-circular cross-section
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/0202—Header boxes having their inner space divided by partitions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0068—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for refrigerant cycles
    • F28D2021/0073—Gas coolers

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger, in particular for a supercritical refrigeration cycle according to the preamble of claim 1.
  • Heat exchangers for supercritical refrigeration circuits require a pressure-resistant design for pipes and tanks, since the refrigeration process takes place at high pressures, up to about 120 bar.
  • Such heat exchangers are known from DE-A 199 06 289, DE-A 100 07 159 and WO 98/51983 A. These known heat exchangers are partly in one
  • C02 (R 744) operated supercritical refrigeration circuit used as a gas cooler; they are essentially characterized by a single-row design with two header pipes, i.e. H. a series of flat tubes which are designed as extruded multi-chamber tubes and are fastened and sealed with their ends in the overall tubes, for example by soldering.
  • Refrigerant flows through the gas cooler - as shown in DE-A 100 07 159 - in a serpentine shape, ie. H. multi-flow, the refrigerant is redirected in one plane, perpendicular to the air flow direction, d. H. in the height or width of the gas cooler.
  • EP-B 414 433 discloses a refrigerant condenser in which two single-row heat exchangers are arranged one behind the other in the direction of air flow and the coolers are connected one behind the other in the middle (so-called duplex heat exchangers).
  • the refrigerant and air are led in a cross-countercurrent to one another, ie. H. the
  • BESTATIGUNGSKOPIE Refrigerant enters the leeward side heat exchanger (row of pipes) and leaves the condenser via the windward side heat exchanger (row of pipes).
  • Each row of pipes in a heat exchanger is divided into pipe groups or pipe segments, so that the condensing refrigerant has a decreasing flow cross-section.
  • the rows of pipes consist of extruded flat pipes, between which corrugated fins are arranged.
  • Each row of pipes, together with header pipes, forms a heat exchanger unit which is connected to the other heat exchanger unit by pipe sections on the refrigerant side.
  • the condenser In motor vehicle air conditioning systems, the condenser is arranged in the motor compartment of the motor vehicle in front of the coolant / air cooler. The heated air emerging from the condenser then flows through the coolant / air cooler.
  • gas coolers for CO2 air conditioning systems of the type mentioned at the outset hence the single-row design with a relatively large end face, which is adapted to the coolant / air cooler behind it.
  • This design and arrangement has various disadvantages: on the one hand, the arrangement of a gas cooler in front of the coolant cooler hinders the performance of the coolant cooler, on the one hand due to the additional pressure-side pressure drop through the gas cooler and on the other hand due to the air heating caused by the heat given off by the gas cooler to the air flowing through.
  • the gas cooler arranged in front of the coolant cooler only receives certain amounts of air depending on the driving speed or the fan power at certain driving operating points.
  • the air conditioning of the motor vehicle is therefore extremely dependent on the driving condition of the vehicle.
  • One problem underlying the invention is therefore to create a heat exchanger, in particular for a supercritical refrigeration cycle, which avoids the aforementioned disadvantages.
  • COP i.e. coefficient of performance
  • the dimensions of this heat exchanger should be such that it can be easily accommodated in the engine compartment of a motor vehicle and can be adequately supplied with cooling air.
  • the heat exchanger which is preferably operated in counterflow, has at least four rows of pipes which are arranged one behind the other in the air flow direction.
  • Countercurrent here means that the flow medium, preferably CO2, first enters the row of pipes on the leeward side and exits the row of pipes on the windward side.
  • the cooling air entering the heat exchanger thus encounters a flow medium which has already been cooled or precooled in at least three rows of pipes.
  • the temperature gradient can be effectively reduced with a temperature difference of approx. 100 degrees Celsius with a sufficiently low pressure drop on the air side.
  • the at least four-row design of the heat exchanger allows the end face to be reduced in size, so that the heat exchanger is given compact dimensions in the direction of a cube.
  • This has the advantage that the heat exchanger, in particular if it is used as a gas cooler of a CO2 air conditioning system in the motor vehicle, can be accommodated anywhere in the engine compartment of the vehicle.
  • An arrangement in front of the coolant cooler, associated with the above-mentioned disadvantages, is eliminated.
  • the heat exchanger can be cooled by additional air channels and a special blower. This also ensures independence from the driving conditions of the motor vehicle, which also ensures constant air conditioning of the vehicle interior.
  • the efficiency (COP) of the heat exchanger according to the invention is hardly worse than the comparable heat exchanger according to the prior art.
  • At least five or optimally six rows of pipes are arranged one behind the other.
  • the tubes are designed as flat tubes, preferably as extinguished multi-chamber tubes, and the fins as corrugated fins, which together result in a soldered, pressure-resistant, high-performance heat exchanger block.
  • all tubes of a row are flowed through in parallel, and preferably these rows of pipes are flowed through in succession, with a so-called deflection in depth taking place from row of tubes to row of tubes.
  • the individual rows of pipes are thus flowed through alternately from top to bottom and from bottom to top. This results in a long way for the flow medium in the pipes and effective cooling.
  • the individual tube rows have tube segments or tube groups which can be flowed through in succession - the flow medium is deflected “in the width” of a tube row. This gives the advantage of a longer flow path and a stronger cooling of the flow medium.
  • only individual or all rows of pipes can be divided into pipe segments, so that the flow path is extended even further.
  • the number of pipes in the pipe segments corresponds to approximately half the number of pipes in a row of pipes, but it can also deviate so that different pipe segments result.
  • the flow speed in the lower or in the upper area of the block can be varied, and thus also the heat transfer.
  • each row of tubes has its own corrugated fins, i. H. the corrugated fins of adjacent rows of pipes are thermally decoupled or thermally insulated. This results in a maximum cooling of the flow medium.
  • a common continuous corrugated fin is provided for all rows of pipes, ie a thermal see coupling between the individual rows of pipes. This results in a different temperature profile for the flow medium.
  • the tubes of adjacent rows of tubes are arranged in alignment, which z. B. for continuous corrugated fins
  • the tubes can also be arranged offset with respect to one another, which results in a higher air-side pressure drop but a higher power of the heat exchanger.
  • the end face of the heat exchanger is square or approximates a square in terms of its dimensions in height and width.
  • An advantageous ratio for width to height is in the range from 0.8 to 1.2. This has the advantage that a fan behind or in front of the end face is sufficient for conveying the cooling air, since it sufficiently covers the end face.
  • the end face has an area in the range from 4 to 16 dm 2 .
  • the heat exchanger has a compact shape approximating a cube and can therefore be arranged anywhere in the engine compartment.
  • the coolant cooler is in its
  • the above-mentioned heat exchanger with the large number of its further developments is used as a gas cooler in a supercritical refrigeration circuit of a motor vehicle air conditioning system operated with CO2. This achieves all the advantages mentioned above.
  • FIG. 1a, 1 b, 1 c a heat exchanger according to the invention with four, five and six rows in a schematic representation
  • FIG. 2a, 2b the heat exchanger according to the invention with four rows, the last two or three rows are divided into pipe segments
  • 3a, 3b a heat exchanger according to the invention with four rows, all rows being divided into tube segments of the same and unequal arrangement
  • Fig. 4 a heat exchanger according to the invention with flat tubes and thermally decoupled corrugated fins
  • FIG. 5 a heat exchanger according to the invention with four rows of tubes, two adjacent each 6 have a four-row heat exchanger according to the invention with a continuous corrugated fin
  • FIG. 7 shows a four-row heat exchanger according to the invention with staggered tubes
  • FIG. 8 shows a diagram for the performance of the heat exchanger as a function of the number of rows of pipes, each R Row of ears has a segment
  • FIG. 9 shows a diagram as in FIG. 8, but with only two segments per row of pipes.
  • FIG. 1a, 1b and 1c show a schematic representation of first exemplary embodiments of a heat exchanger according to the invention, which is designed and used as a gas cooler for a supercritical refrigeration cycle.
  • this gas cooler can be used for an air conditioning system operated with the refrigerant CO2 (R744) for a motor vehicle.
  • Fig. 1a shows a four-row pipe system for a gas cooler 1, which of the
  • Refrigerant C02 flows through and is cooled by ambient air
  • Air flow direction is shown by arrows L.
  • the gas cooler 1 has four rows of pipes 1.1 arranged one behind the other in the air flow direction L, 1.2, 1.3, 1.4, which each have tubes running parallel to one another, represented by arrows R.
  • Each row of pipes 1.1 to 1.4 has the same number of pipes, which are flowed through in parallel.
  • the individual rows of pipes are connected in series on the refrigerant side, ie they are connected to one another by refrigerant connections, represented by dotted arrows V. This connection V is referred to as deflection of the refrigerant “in the depth”, the depth direction being opposite to the air direction L.
  • the refrigerant first enters the leeward row 1.1, represented by a dotted arrow E, and then flows three times after flowing through the individual rows deflected in depth and leaves the gas cooler after flowing through the windward row 1.4 via the outlet A, represented by a dotted arrow A.
  • This flow of air and refrigerant is referred to as cross-counterflow.
  • the refrigerant CO2 occurs at a pressure of approximately 125 bar and one Temperature of about 130 degrees Celsius in the gas cooler, ie in the pipe row 1.1.
  • the temperature of the air that enters the gas cooler 1 through the pipe row 1.4 is about 45 degrees.
  • the gas cooler 1 has a so-called ribbed end face, that is the area of the tube row 1.4 which is acted upon by air and has the dimensions WXH (width x height). The definition applies to all gas coolers according to the invention.
  • FIG. 1b shows a further * exemplary embodiment of the invention, namely a gas cooler 2 with five rows of pipes 2.1, 2.2., 2.3, 2.4, 2.5, which are arranged one behind the other in the air flow direction L and are also connected in series on the refrigerant side.
  • the same letters are used for the same parts as in FIG. 1 a: the refrigerant enters at E, exits at A, and the individual rows of pipes are connected by a connecting line V.
  • the gas cooler 2 thus differs from the gas cooler 1 only by an additional row of pipes, whereby an increase in performance of the gas cooler 2 compared to the gas cooler 1 is achieved (see also Fig. 8).
  • 1c shows a further exemplary embodiment of the invention, namely one
  • Gas cooler 3 With six tube rows 3.1 to 3.6. It 'turn is the same flow model as in Fig. 1a and 1b based, ie cross-counterflow. After the entry of the refrigerant at E, a five-fold deflection V takes place in the depth opposite to the air flow direction L until the exit of the refrigerant at A.
  • the connection V can be made through pipe bends or deflection chambers.
  • FIGS. 2a and 2b show a further exemplary embodiment of the invention, in which a deflection takes place in width (or also in height) within a row of tubes, ie. H. in the plane of the row of pipes.
  • Fig. 2a shows a gas cooler 4 in a schematic representation with four rows of pipes 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 with a refrigerant inlet E, a refrigerant outlet A and connections V between the individual rows of pipes 4.1 to 4.4, ie three deflections in depth.
  • the two rows of pipes 4.1, 4.2, through which the refrigerant flows, are flowed through in parallel; in the subsequent rows of pipes 4.3, 4.4, the refrigerant is redirected in width (based on the horizontally shown tubes, it is redirected in height).
  • the tube row 4.3 is divided into two tube segments (tube groups) 3a, 3b, each represented by three or two arrows in opposite directions, the tube row 4.4 is divided into two tube segments 4a, 4b.
  • the deflection from tube segment 3a to tube segment 3b is shown by an arrow U and the deflection from tube segment 4a to tube segment 4b by another arrow U.
  • the refrigerant is therefore twice as far behind in the two rows of pipes 4.3, 4.4 as in the rows of pipes 4.1, 4.2, with the division of the rows of pipes 4.3, 4.4 in the pipe segment.
  • elements - as can be seen from the drawing - are selected differently.
  • FIG. 2b shows a development of the embodiment shown in FIG. 2 for a gas cooler 5, also with four rows of pipes 5.1, 5.2, 5.3, 5.4. Again, the same letters are used for the same parts or symbols.
  • the first tube row 5.1 is flowed through in parallel, while in the tube rows 5.2 to 5.4 following on the refrigerant side there is a deflection U in width; the pipe rows 5.2 to 5.4 are divided symmetrically into the same pipe segments 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b.
  • the flow rate of the refrigerant is lower than in the upper area 2a, 3b, 4b - due to the different flow cross sections.
  • This division of tube rows into tube segments, combined with a deflection in width enables a further increase in performance for the gas cooler to be achieved (cf. FIG. 9).
  • 3a and 3b show further exemplary embodiments of the invention, each row of tubes being divided into tube segments and a deflection in width taking place in each row of tubes.
  • 3a shows a four-row gas cooler 6 with rows of pipes 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, the individual rows of pipes being each divided into unequal pipe segments 1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b and 4a, 4b.
  • the number of arrows symbolizes the number of pipes per pipe segment, i.e. H. here there are pipe segments with two and three pipes each, which alternate with each other.
  • Within a row of pipes there is a deflection in width from a three-pipe to a two-pipe pipe segment and from there a deflection in depth to a three-pipe segment and so on, according to the drawing, which is sufficiently meaningful.
  • the flow cross-section and thus the flow rate of the refrigerant constantly change from deflection to deflection, as a result of which locally different heat transfer conditions result within the gas cooler 6.
  • Fig. 3b shows a gas cooler 7, which is a modification of the gas cooler 6, with regard to the arrangement of the tube segments per Tube row.
  • the only difference from the gas cooler 6 is that the tube segments with two tubes are each at the top and the tube segments with three tubes are at the bottom.
  • the deflection V takes place in depth from an overhead two-tube segment 1b, 2b, 3b to an underlying three-tube segment 2a, 3a, 4a.
  • Fig. 4 shows a constructive embodiment for a four-row gas cooler 8 with the tube rows 8.1, 8.2, 8.3, 8.4, which air flows through in the flow direction of the arrows L.
  • the refrigerant first flows through the tube row 8.1 and finally through the tube row 8.4.
  • Each row of tubes 8.1 to 8.4 has flat tubes 9 which are arranged in alignment with one another and which, owing to the system-related high pressures, are preferably designed as extruded multi-chamber flat tubes, as is known from the prior art mentioned at the beginning.
  • Corrugated fins 10 are arranged between the flat tubes of each row 8.1 to 8.4 and the air flows over them.
  • Continuous gaps s are arranged between the individual rows of tubes, ie both the corrugated fins 10 and the flat tube 9 are thermally decoupled, and there is no direct heat-conducting connection between them.
  • the distance h is referred to as the fin height, the distance b as the tube width.
  • the tube pitch t R is the same for all four rows of tubes.
  • FIG. 5 shows a further design embodiment of a four-row gas cooler 11 with the rows of pipes 11.1, 11.2, 11.3, 11.4.
  • the direction of air flow is again shown by arrows L.
  • Two rows, namely the first two rows of pipes 11.1. 11.2, and the last two rows of pipes 11.3 and 11.4 each have common, continuous corrugated fins 12, 13.
  • the flat tubes 9 of the tube rows 11.1, 11.2 are thus thermally coupled via the continuous corrugated fin 12, and there is also a thermal coupling in the rows 11.3 and 11.4 through the continuous corrugated fin 13.
  • there is a direction s gap which causes a thermal decoupling.
  • Fig. 6 shows a further constructive embodiment of the invention, namely a four-row gas cooler 14.
  • the four rows of pipes 14.1 to 14.4 have common, continuous corrugated fins 15, i. H. all tube series are thermally coupled to one another.
  • heat can thus flow out in the direction of the temperature gradient via the corrugated fins 15, i. H. against the air flow direction L.
  • FIG. 7 shows a further exemplary embodiment of the invention, namely a four-row gas cooler 16 with four rows of pipes 16.1, 16.2, 16.3, 16.4, the flat tubes 9 of which, viewed in the air flow direction L, are arranged offset to one another.
  • the individual rows of tubes 16.1 to 16.4 therefore have, as in FIG. 4, separate corrugated fins 10, i. H. the rows of pipes are thermally decoupled via column s.
  • the staggered arrangement results in improved heat transfer for the narrow side of the flat tubes 9 that is flown by the air.
  • FIG. 8 shows a diagram in which the power of the gas cooler according to the invention is plotted with different end faces over the number of rows of pipes, with a row of pipes flowing through in parallel, that is to say forming a single segment.
  • the ascending curve branches stand for different end faces, the size of which is shown in the legend at the top right next to the diagram.
  • the performance of the gas cooler according to the invention increases with the number of rows of pipes, values for four to eight-row systems being determined and plotted.
  • a two-row system with an end face of 20 dm 2 and a depth of 16 mm was chosen as the basis for comparison for the gas cooler according to the invention.
  • two horizontal straight lines are drawn in the diagram, namely a lower horizontal line at 7.7 kW for idling and a horizontal line above it at around 8.2 kW for a vehicle speed of 32 km / h in 2nd gear. It can be seen from this comparison that, with the gas cooler according to the invention, at least in the case of the larger end faces, a higher output than in the prior art can be achieved.
  • FIG. 9 shows a diagram similar to FIG. 8, but the values shown here are based on gas coolers, each with two pipe segments per row, ie in each row of pipes there is a four, five, six, seven or eight-row system made a diversion in width.
  • the end faces for the individual curve branches again result from the legend; there are the same end faces as in the diagram according to FIG. 8.
  • the comparison of the two diagrams clearly shows that with the same end face, but deflection in width or two pipe segments per row, a higher gas cooler output can be achieved, which is higher than the state of the art with higher end faces Technique is the same as in the diagram of FIG. 8.
  • the end faces used are almost square and are in a preferred area of 4 to 9 dm 2 - in other words: there are "handy" dimensions for the gas cooler according to the invention.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)
  • Air-Conditioning For Vehicles (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager (1), insbesondere für einen überkritischen Kältekreislauf, mit einem aus Rohren (R) und Rippen bestehenden Block, wobei die Rippen von einem gasförmigen Medium, insbesondere Luft überströmbar und die in mindestens vier Reihen (1.1, 1.2, 1.3, 1.4) angeordneten Rohre (R) insbesondere im Kreuzgegenstrom zum gasförmigen Medium von einem zweiten Medium, insbesondere einem Kältemittel durchströmbar sind.

Description

BEHR GmbH & Co. KG Mauserstraße 3, 70469 Stuttgart
Wärmeübertrager, insbesondere für überkritischen Kältekreisiauf
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere für einen überkritischen Kältekreislauf nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Wärmeübertrager für überkritische Kältekreisläufe erfordern eine druckfeste Bauweise für Rohre und Sammelbehälter, da der Kälteprozess bei hohen Drücken, bis zu etwa 120 bar abläuft. Derartige Wärmeübertrager wurden durch die DE-A 199 06 289, die DE-A 100 07 159 sowie die WO 98/51983 A bekannt. Diese bekannten Wärmeübertrager werden teilweise in einem mit
C02 (R 744) betriebenen überkritischen Kältekreislauf als Gaskühler eingesetzt; sie sind im Wesentlichen durch eine einreihige Bauweise mit zwei Sammelrohren gekennzeichnet, d. h. eine Reihe von Flachrohren, die als extrudierte Mehrkammerrohre ausgebildet und mit ihren Enden in den Sam- meirohren befestigt und abgedichtet sind, beispielsweise durch Löten. Das
Kältemittel durchströmt den Gaskühler dabei - wie in der DE-A 100 07 159 gezeigt - serpentinenförmig, d. h. mehrflutig, dabei wird das Kältemittel in einer Ebene, senkrecht zur Luftströmungsrichtung, umgelenkt, d. h. in der Höhe oder in der Breite des Gaskühlers.
Durch die EP-B 414 433 wurde ein Kältemittelkondensator bekannt, bei welchem zwei einreihige Wärmeübertrager in Luftströmungsrichtung hintereinander angeordnet und kälte mittelseitig hintereinander geschaltet sind (so genannter Duplex-Wärmeübertrager). Bei dem bekannten Kondensator wer- den Kältemittel und Luft im Kreuzgegenstrom zueinander geführt, d. h. das
BESTATIGUNGSKOPIE Kältemittel tritt in den leeseitigen Wärmeübertrager (Rohrreihe) ein und ver- lässt den Kondensator über den luvseitigen Wärmeübertrager (Rohrreihe). Jede Rohrreihe eines Wärmeübertragers ist dabei in Rohrgruppen oder Rohrsegmente unterteilt, sodass sich für das kondensierende Kältemittel ein abnehmender Strömungsquerschnitt ergibt. Die Rohrreihen bestehen aus extrudierten Flachrohren, zwischen denen Wellrippen angeordnet sind. Jede Rohrreihe bildet zusammen mit Sammelrohren eine Wärmetauschereinheit, welche mit der anderen Wärmetauschereinheit durch Rohrstücke kältemittel- seitig verbunden ist.
Ein ähnlicher mehrreihiger Wärmeübertrager, ein Verflüssiger für ein Kältemittel einer Fahrzeugklimaanlage, wurde durch die EP-B 401 752 bekannt. Auch hier werden Kältemittel, d. h. ein konventionelles Kältemittel wie R 134a im Kreuzgegenstrom mit Umgebungsluft geführt, wobei generell vier Rohrreihen luftseitig hintereinander angeordnet sind. Dabei handelt es sich um Rundrohre mit Flachrippen, d. h. um einen mechanisch gefügten Wärmeübertragerblock.
Bei Kraftfahrzeug-Klimaanlagen wird der Kondensator im Motorraum des Kraftfahrzeuges vor dem Kühlmittel/Luftkühler angeordnet. Die aus dem Kondensator austretende erwärmte Luft durchströmt anschließend den Kühlmittel/Luftkühler. Eine derartige Anordnung ist auch für Gaskühler für CO2-Klimaanlagen der eingangs genannten Art vorgesehen - daher die einreihige Bauweise mit relativ großer Stirnfläche, welche an den dahinter lie- genden Kühlmittel/Luftkühler angepasst ist. Diese Bauweise und Anordnung hat verschiedene Nachteile: einerseits behindert die Anordnung eines Gaskühlers vor dem Kühlmittelkühler die Leistungsfähigkeit des Kühlmittelkühlers, zum einen aufgrund des zusätzlichen druckseitigen Druckabfalls durch den Gaskühler und zum anderen aufgrund der Luftaufwärmung, verursacht durch die Wärmeabgabe vom Gaskühler an die durchströmende Luft. Andererseits erhält der vor dem Kühlmittelkühler angeordnete Gaskühler in bestimmten Fahrbetriebspunkten nur bestimmte Luftmengen in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit bzw. von der Lüfterleistung. Die Klimatisierung des Kraftfahrzeuges ist also extrem abhängig vom Fahrzustand des Fahr- zeuges. Ein der Erfindung zugrunde liegendes Problem besteht also darin, einen Wärmeübertrager, insbesondere für einen überkritischen Kältekreislauf zu schaffen, welcher die vorgenannten Nachteile vermeidet.
In dem Aufsatz „Design Strategies for R744 Gas Coolers" von J. M. Yin, C.W. Bullard an P. S. Hrnjak (veröffentlicht in IIF-IIR Commission B1 , B2, Purdue University USA-2000) werden zwei Konfigurationen von Gaskühlern gegenüber gestellt und verglichen, nämlich der so genannte multi-pass heat exchanger, der einreihige, mehrflutig durchströmte Wärmeübertrager, und der mehrreihige Gegenstromwärmeübertrager, wobei hierbei drei kältemittel- seitig hintereinander geschaltete Rohrreihen vorgesehen sind. Da das Kältemittel CO2 (R 744) im überkritischen Zustand, d. h. einphasig in den Gaskühler eintritt, weist es einen relativ hohen Temperaturgradienten auf, im Gegensatz zu einem herkömmlichen Kältemittel (R134a), welches bei konstanter Temperatur kondensiert. Dieser Temperaturgradient kann wirksam in einem dreireihigen Gegenstromwärmeübertrager abgebaut werden, weshalb die Verfasser dieser Lösung den Vorzug geben. Zu einem ähnlichen Ergebnis kommen die Verfasser J. Peterson, A. Hafner, und G. Skaugen in ihrem Aufsatz „Development of compact heat exchangers für CO2 air-conditioning Systems" (veröffentlicht in Int. J. Refrig. Vol. 21 , No. 3 pp. 180 - 193, 1998). Auch hier wird der Gegenstromwärmeübertrager (counter flow heat exchanger) mit verringerter Stirnfläche und erhöhter Tiefe in Luftströmungsrichtung als vorteilhafter Gaskühler beschrieben.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmeübertrager der ein- gangs genannten Art zu konzipieren, der den Bedingungen eines superkritischen Kältekreislaufes hinsichtlich Druck und Temperaturgradient Rechnung trägt und einen möglichst hohen Wirkungsgrad (COP, d. h.Coefficient of Performance) aufweist. Darüber hinaus soll dieser Wärmeübertrager hinsichtlich seiner Abmessungen so beschaffen sein, dass er im Motorraum eines Kraftfahrzeuges einfach untergebracht und hinreichend mit Kühlluft versorgt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patenanspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Wärmeübertrager, der vorzugswei- se im Gegenstrom betrieben wird, mindestens vier Rohrreihen aufweist, die in Luftströmungsrichtung hintereinander angeordnet sind. Gegenstrom heißt hier, dass das Strömungsmedium, vorzugsweise CO2 zunächst in die leeseitige Rohrreihe eintritt und aus der luvseitigen Rohrreihe wieder austritt. Damit trifft die in den Wärmeübertrager eintretende Kühlluft auf ein bereits in mindestens drei Rohrreihen ab- bzw. vorgekühltes Strömungsmedium. In diesen vier Rohrreihen, die nacheinander von dem Medium durchströmt werden, lässt sich der Temperaturgradient mit einer Temperaturdifferenz von ca. 100 Grad Celsius bei hinreichend niedrigem Druckabfall auf der Luftseite wirkungsvoll abbauen. Durch die mindestens vierreihige Ausbildung des Wärmeübertragers lässt sich die Stirnfläche verkleinern, sodass der Wärmeübertrager kompakte Abmessungen in Richtung auf einen Würfel erhält. Damit wird der Vorteil erreicht, dass der Wärmeübertrager, insbesondere, wenn er als Gaskühler einer C02-Kiimaanlage im Kraftfahrzeug eingesetzt wird, an beliebiger Stelle im Motorraum des Fahrzeuges untergebracht wer- den kann. Eine Anordnung vor dem Kühlmittelkühler, verbunden mit den oben genannten Nachteilen, entfällt. Die Kühlung des Wärmeübertragers kann durch zusätzliche Luftkanäle und ein spezielles Gebläse erfolgen. Damit wird auch eine Unabhängigkeit von den Fahrzuständen des Kraftfahrzeuges erreicht, womit auch eine gleich bleibende Klimatisierung des Fahr- zeuginnenraumes gewährleistet ist. Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass der Wirkungsgrad (COP) des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers kaum schlechter als der vergleichbare Wärmeübertrager nach dem Stand der Technik ist.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind mindestens fünf bzw. optimal sechs Rohrreihen hintereinander angeordnet. Damit wird der Vorteil einer weiteren Leistungssteigerung des Wärmeübertragers erreicht, ohne dass der luftseitige Druckabfall und das Gewicht zu stark ansteigen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Rohre als Flachrohre, vorzugsweise als extmdierte Mehrkammerrohre und die Rippen als Wellrippen ausgebildet, welche zusammen einen gelöteten, druckfesten Wärmeübertragerblock hoher Leistung ergeben. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden alle Rohre einer Reihe parallel durchströmt, und vorzugsweise werden diese Rohrreihen nacheinander durchströmt, wobei jeweils von Rohrreihe zu Rohrreihe eine so genannte Umlenkung in der Tiefe erfolgt. Die einzelnen Rohrreihen werden somit abwechselnd von oben nach unten und von unten nach oben durchströmt. Dadurch ergibt sich ein langer Weg für das Strömungsmedium in den Rohren und eine wirksame Abkühlung.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weisen die einzelnen Rohrreihen Rohrssegmente oder Rohrgruppen auf, die nacheinander durchströmbar sind - das Strömungsmedium wird „in der Breite" einer Rohreihe umgelenkt. Dadurch erreicht man den Vorteil eines längeren Strömungsweges und einer stärkeren Abkühlung des Strömungsmediums.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung können nur einzelne oder alle Rohrreihen in Rohrsegmente aufgeteilt werden, sodass der Strömungsweg noch weiter verlängert wird. Die Anzahl der Rohre in den Rohrsegmenten entspricht ungefähr der Hälfte der Anzahl der Rohre einer Rohrreihe, sie kann aber auch abweichen, sodass sich unterschiedliche Rohrsegmente ergeben. Man kann somit, z.. B. bei waagerecht angeordneten Rohren die Strömungsgeschwindigkeit im unteren oder im oberen Bereich des Blockes variieren und damit auch den Wärmeübergang.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist jede Rohrreihe eigene Wellrippen auf, d. h. die Wellrippen benachbarter Rohrreihen sind thermisch entkoppelt bzw. thermisch isoliert. Damit ergibt sich eine maximale Abkühlung des Strömungsmediums.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann es jedoch auch von Vorteil sein, für benachbarte Rohrreihen, beispielsweise zwei Rohrreihen eine gemeinsame, d. h. durchgehende Wellrippe vorzusehen. Dies bedeutet vor allem fertigungstechnische Vorteile.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist für alle Rohrreihen eine gemeinsame durchgehende Wellrippe vorgesehen, d. h. eine thermi- sehe Koppelung zwischen den einzelnen Rohrreihen. Damit ergibt sich ein anderes Temperaturprofil für das Strömungsmedium.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die Rohre benachbarter Rohrreihen fluchtend angeordnet, was z. B. für durchgehende Wellrippen
Voraussetzung ist. Daraus ergibt sich ein geringerer luftseitiger Druckabfall.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können die Rohre jedoch auch versetzt zueinander angeordnet sein, was zwar einen höheren luftseitigen Druckabfall, jedoch eine höhere Leistung des Wärmeübertragers erbringt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Stirnfläche des Wärmeübertragers quadratisch oder hinsichtlich ihrer Abmessungen in Höhe und Breite einem Quadrat angenähert. Ein vorteilhaftes Verhältnis für Breite zu Höhe liegt im Bereich von 0,8 bis 1 ,2. Dies hat den Vorteil, dass ein Lüfter hinter oder vor der Stirnfläche für die Förderung der Kühlluft ausreichend ist, da er die Stirnfläche hinreichend überdeckt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Stirnfläche eine Fläche im Bereich von 4 bis 16 dm2 auf. Damit erreicht man gegenüber den herkömmlichen Wärmeübertragern eine verringerte Stirnfläche bei gleichzeitig vergrößerter Tiefe, d. h. der Wärmeübertrager hat eine kompakte, einem Würfel angenäherte Form und kann damit an beliebigen Stellen im Motorraum angeordnet werden. Der Kühlmittelkühler dagegen wird in seiner
Leistung nicht mehr durch einen vorgeschalteten Kondensator oder Gaskühler beeinträchtigt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird der oben erwähnte Wärmeübertrager mit der Vielzahl seiner Weiterbildungen als Gaskühler in einem überkritischen Kältekreislauf einer mit CO2 betriebenen Kraftfahrzeug- Klimaanlage verwendet. Damit werden alle oben genannten Vorteile erreicht.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen Fig. 1a, 1 b, 1 c einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager mit vier, fünf, und sechs Reihen in schematischer Darstellung, Fig. 2a, 2b den erfindungemäßen Wärmeübertrager mit vier Reihen, wobei die letzten zwei bzw. drei Reihen in Rohrsegmente aufgeteilt sind, Fig. 3a, 3b einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager mit vier Reihen, wobei sämtliche Reihen in Rohrsegmente gleicher und ungleicher Anordnung aufgeteilt sind, Fig. 4 einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager mit Flachrohren und thermisch entkoppelten Wellrippen, Fig. 5 einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager mit vier Rohrreihen, wobei jeweils zwei benachbarte Rohrreihen eine gemeinsame Welirippe aufweisen, Fig. 6 einen erfindungsgemäßen vierreihigen Wärmeübertrager mit durchgehender Wellrippe, Fig. 7 einen erfindungsgemäßen vierreihigen Wärmeübertrager mit versetzt angeordneten Rohren, Fig. 8 ein Diagramm für die Leistung des Wärmeübertragers in Abhängigkeit von der Anzahl der Rohreihen, wobei jede Rohrreihe ein Segment aufweist, Fig. 9 ein Diagramm wie in Fig. 8, jedoch mit nur je zwei Segmenten pro Rohrreihe.
Fig. 1a, 1b und 1c zeigen in schematischer Darstellung erste Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers, der als Gaskühler für einen überkritischen Kältekreislauf konzipiert und einsetzbar ist. Insbesondere ist dieser Gaskühler für eine mit dem Kältemittel CO2 (R744) betrie- bene Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug verwendbar.
Fig. 1a zeigt ein vierreihiges Rohrsystem für einen Gaskühler 1 , der von dem
Kältemittel C02 durchströmt und von Umgebungsluft gekühlt wird, wobei die
Luftströmungsrichtung durch Pfeile L dargestellt ist. Der Gaskühler 1 weist vier in Luftströmungsrichtung L hintereinander angeordnete Rohrreihen 1.1 , 1.2, 1.3, 1.4 auf, die jeweils parallel zueinander verlaufende Rohre, dargestellt durch Pfeile R, aufweisen. Jede Rohrreihe 1.1 bis 1.4 weist die gleiche Anzahl von Rohren auf, die jeweils parallel durchströmt werden. Die einzelnen Rohrreihen sind kältemittelseitig hintereinander geschaltet, d. h. sie sind durch Kältemittelverbindungen, dargestellt durch punktierte Pfeile V, miteinander verbunden. Diese Verbindung V wird als Umlenkung des Kältemittels „in der Tiefe" bezeichnet, wobei die Tiefenrichtung der Luftrichtung L entgegengesetzt ist. Das Kältemittel tritt zunächst in die leeseitige Reihe 1.1 ein, dargestellt durch einen punktierten Pfeil E, wird dann nach Durchströmen der einzelnen Reihen dreimal in der Tiefe umgelenkt und verlässt den Gaskühler nach Durchströmen der luvseitigen Reihe 1.4 über den Austritt A, dargestellt durch einen punktierten Pfeil A. Dieses Strömungsmoäell von Luft und Kältemittel wird als Kreuzgegenstrom bezeichnet. Das Kältemittel CO2 tritt etwa mit einem Druck von 125 bar und einer Temperatur von ca. 130 Grad Celsius in den Gaskühler, d. h. in die Rohrreihe 1.1. ein. Die Temperatur der Luft, die durch die Rohrreihe 1.4 in den Gaskühler 1 eintritt, beträgt etwa 45 Grad. Da die CO2-Klimaanlage im überkritischen Bereich arbeitet, erfolgt die Wärmeabfuhr nicht durch Kondensation bei konstanter Temperatur - wie dies beim Kältekreislauf mit R134a der Fall ist - sondern bei fallen- der Temperatur, d. h. einem Temperaturgradienten von 130 Grad Celsius bis etwa 50 Grad Celsius. Diese Temperaturdifferenz von 80 Grad Celsius wird sukzessive beim Durchströmen der einzelnen Rohrreihen 1.1 bis 1.4 abgebaut. Die Zahlen sind als Beispiele genannt, zum Teil ist die Temperaturdifferenz noch größer, d. h. ca. 100° Celsius. Der Gaskühler 1 weist eine so ge- nannte berippte Stirnfläche auf, das ist die Fläche der Rohrreihe 1.4, die von Luft beaufschlagt wird und die Abmessungen B X H (Breite x Höhe) aufweist. Die Definition gilt für alle erfindungsgemäßen Gaskühler.
Fig. 1b zeigt ein weiteres* Ausführungsbeispiel der Erfindung, nämlich einen Gaskühler 2 mit fünf Rohrreihen 2.1 , 2.2., 2.3, 2.4, 2.5, die in Luftströmungsrichtung L hintereinander angeordnet und auch kältemittelseitig hintereinander geschaltet sind. Es werden die gleichen Buchstaben für gleiche Teile wie in Fig. 1a verwendet: der Eintritt des Kältemittels erfolgt bei E, der Austritt bei A, die Verbindung der einzelnen Rohrreihen erfolgt durch eine Verbin- dungsleitung V. Der Gaskühler 2 unterscheidet sich somit vom Gaskühler 1 nur durch eine zusätzliche Rohrreihe, wodurch eine Leistungssteigerung des Gaskühlers 2 gegenüber dem Gaskühler 1 erreicht wird (vergleiche auch Fig. 8).
Fig. 1c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, nämlich einen
Gaskühler 3 .mit sechs Rohreihen 3.1 bis 3.6. Es' liegt wiederum dasselbe Strömungsmodell wie in den Fig. 1a und 1 b, d. h. Kreuzgegenstrom zugrunde. Nach dem Eintritt des Kältemittels bei E erfolgt bis zum Austritt des Kältemittels bei A eine fünfmalige Umlenkung V in der Tiefe entgegen der Luft- Strömungsrichtung L. Die konstruktive Ausbildung der hier schematisch dargestellten Gaskühler 1 , 2, 3 erfolgt mit Mitteln, die aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt sind, also beispielsweise durch parallel geschaltete extrudierte Mehrkammerrohre, die mit ihren Rohrenden in Sammelrohren gehalten und abgedichtet sind. Die Verbindung V kann durch Rohrbögen oder Umlenkkammern erfolgen.
Die Fig. 2a und Fig. 2b zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem innerhalb einer Rohrreihe eine Umlenkung in der Breite erfolgt (oder auch in der Höhe), d. h. in der Ebene der Rohrreihe.
Fig. 2a zeigt einen Gaskühler 4 in schematischer Darstellung mit vier Rohrreihen 4.1 , 4.2, 4.3, 4.4 mit einem Kältemitteleintritt E, einem Kältemittelaustritt A und Verbindungen V zwischen den einzelnen Rohrreihen 4.1 bis 4.4, d. h. drei Umlenkungen in der Tiefe. Die beiden zuerst vom Kältemittel durchströmten Rohrreihen 4.1 , 4.2 werden parallel durchströmt, in den anschließenden Rohrreihen 4.3, 4.4 erfolgt für das Kältemittel eine Umlenkung in der Breite (bezogen auf die waagerecht dargestellten Rohre ist es eine Umlenkung in der Höhe). Die Rohreihe 4.3 ist in zwei Rohrsegmente (Rohrgruppen) 3a, 3b, jeweils dargestellt durch drei bzw. zwei Pfeile entgegenge- setzter Richtung, aufgeteilt, die Rohrreihe 4.4 ist in zwei Rohrsegmente 4a, 4b aufgeteilt. Die Umlenkung vom Rohrsegment 3a zum Rohrsegment 3b ist durch einen Pfeil U und die Umlenkung vom Rohrsegment 4a zum Rohrsegment 4b durch eine weiteren Pfeil U dargestellt. Das Kältemittel liegt also in den beiden Rohrreihen 4.3, 4.4 den doppelten Weg wie in den Rohreihen 4.1 , 4.2 zurück, wobei die Aufteilung der Rohrreihen 4.3, 4.4 im Rohrseg- mente - wie aus der zeichnerischen Darstellung ersichtlich - unterschiedlich gewählt ist.
Fig. 2b zeigt eine Weiterbildung der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform für einen Gaskühler 5, ebenfalls mit vier Rohrreihen 5.1 , 5.2, 5.3, 5.4. Es werden wiederum die gleichen Buchstaben für gleiche Teile bzw. Symbole verwendet. Die erste Rohrreihe 5.1 wird parallel durchströmt, während in den kältemittelseitig folgenden Rohrreihen 5.2 bis 5.4 jeweils eine Umlenkung U im der Breite erfolgt; dabei ist die Aufteilung der Rohrreihen 5.2 bis 5.4 sym- metrisch in gleiche Rohrsegmente 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b vorgenommen. Im unteren Bereich 2a, 3a, 4a ist die Strömungsgeschwindigkeit des Kältemittels niedriger als im oberen Bereich 2a, 3b, 4b - infolge der unterschiedlichen Strömungsquerschnitte. Durch diese Aufteilung von Rohrreihen in Rohrsegmente, verbunden mit einer Umlenkung in der Breite, lässt sich eine weitere Leistungssteigerung für den Gaskühler erreichen (vgl. Fig. 9).
Fig. 3a und Fig. 3b zeigen weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung, wobei jede Rohrreihe in Rohrsegmente unterteilt ist und in jeder Rohrreihe eine Umlenkung in der Breite erfolgt.
Fig. 3a zeigt einen vierreihigen Gaskühler 6 mit Rohrreihen 6.1 , 6.2, 6.3, 6.4, wobei die einzelnen Rohreihen jeweils in ungleiche Rohrsegmente 1a, 1 b, 2a, 2b, 3a, 3b und 4a, 4b unterteilt sind. Die Zahl der Pfeile symbolisiert die Anzahl der Rohre pro Rohrsegment, d. h. es liegen hier Rohrsegmente mit jeweils zwei und drei Rohren vor, die ständig miteinander abwechseln. Innerhalb einer Rohrreihe erfolgt eine Umlenkung in der Breite von einem drei- rohrigen zu einem zweirohrigen Rohrsegment und von diesem eine Umlenkung in der Tiefe zu einem dreirohrigen und so weiter, entsprechend der Zeichnung, die hinreichend aussagefähig ist. Von Umlenkung zu Umlen- kung wechselt also ständig der Strömungsquerschnitt und damit die Strömungsgeschwindigkeit des Kältemittels, wodurch sich innerhalb des Gaskühlers 6 örtlich unterschiedliche Wärmeübergangsverhältnisse ergeben.
Fig. 3b zeigt einen Gaskühler 7, der eine Abwandlung des Gaskühlers 6 darstellt, und zwar im Hinblick auf die Anordnung der Rohrsegmente pro Rohrreihe. Der Unterschied gegenüber dem Gaskühler 6 besteht lediglich darin, dass die Rohrsegmente mit zwei Rohren jeweils oben und die Rohrsegmente mit drei Rohren unten liegen. Dabei erfolgt die Umlenkung V in der Tiefe jeweils von einem oben liegenden Zweirohrsegment 1 b, 2b, 3b zu einem unten liegenden Dreirohrsegment 2a, 3a, 4a. Durch' die Aufteilung jeder Rohrreihe in zwei Rohrsegmente lässt sich eine weitere Leistungssteigerung des Gaskühlers erreichen (vgl. Fig. 9).
Fig. 4 zeigt ein konstruktives Ausführungsbeispiel für einen vierreihigen Gaskühler 8 mit den Rohrreihen 8.1 , 8.2, 8.3, 8.4, welche von Luft in der Strömungsrichtung der Pfeile L durchströmt werden. Entsprechend den vorherigen Ausführungen durchströmt das Kältemittel also zunächst die Rohrreihe 8.1 und zuletzt die Rohrreihe 8.4. Jede Rohrreihe 8.1 bis 8.4 weist fluchtend zueinander angeordnete Flachrohre 9 auf, die aufgrund der sy- stembedingten hohen Drücke vorzugsweise als extrudierte Mehrkammer- kammerflachrohre ausgebildet sind, wie aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt. Zwischen den Flachrohren jeder Reihe 8.1 bis 8.4 sind Wellrippen 10 angeordnet, welche von der Luft überströmt werden. Zwischen den einzelnen Rohrreihen sind jeweils durchgehende Spalte s angeordnet, d. h. sowohl die Wellrippen 10 als auch die Flachröhre 9 sind thermisch entkoppelt, zwischen ihnen besteht keine direkte wärmeleitende Verbindung. Der Abstand h wird als Rippenhöhe, der Abstand b als Rohrbreite bezeichnet. Die so genannte Querteiiung tR der Flachrohre 9 beträgt tR = h+b Die Rohrteilung tR ist für alle vier Rohrreihen gleich.
Fig. 5 zeigt ein weiteres konstruktives Ausführungsbeispiel eines vierreihigen Gaskühlers 11 mit den Rohrreihen 11.1 , 11.2, 11.3, 11.4. Die Luftströmungsrichtung ist wiederum durch Pfeile L dargestellt. Zwei Reihen, nämlich die ersten beiden Rohrreihen 11.1. 11.2, und die letzten beiden Rohrreihen 11.3 und 11.4 weisen jeweils gemeinsame, durchgehende Wellrippen 12, 13 auf. Die Flachrohre 9 der Rohreihen 11.1 , 11.2 sind somit über die durchgehende Wellrippe 12 thermisch gekoppelt, ebenso liegt eine thermische Kopplung bei den Reihen 11.3 und 11.4 durch die durchgehende Wellrippe 13 vor. Zwischen beiden Doppelreihen befindet sich dagegen ein quer zur Luftströ- mungsrichtung verlaufender Spalt s, der eine thermische Entkopplung bewirkt.
Fig. 6 zeigt ein weiteres konstruktives Ausführungsbeispiel der Erfindung, nämlich einen vierreihigen Gaskühler 14. Die vier Rohrreihen 14.1 bis 14.4 weisen gemeinsame, durchgehende Wellrippen 15 auf, d. h. alle Rohreihen sind thermisch miteinander gekoppelt. Bei Eintritt des heißen Kältemittels in die erste Rohrreihe 14.1 kann somit Wärme in Richtung des Temperaturgefälles über die Wellrippen 15 abströmen, d. h. entgegen der Luftströmungs- richtung L.
Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, nämlich einen vierreihigen Gaskühler 16 mit vier Rohrreihen 16.1 , 16.2, 16.3, 16.4, deren Flachrohre 9, in Luftströmungsrichtung L gesehen, versetzt zueinander an- geordnet sind. Die einzelnen Rohrreihen 16.1 bis 16.4 weisen daher- wie in Fig. 4 - separate Wellrippen 10 auf, d. h. die Rohrreihen sind über Spalte s thermisch entkoppelt. Durch die versetzte Anordnung ergibt sich ein verbesserter Wärmeübergang für die von der Luft angeströmte Schmalseite der Flachrohre 9.
Fig. 8 zeigt ein Diagramm, bei welchem die Leistung des erfindungsgemäßen Gaskühlers mit unterschiedlichen Stirnflächen über der Anzahl der Rohrreihen aufgetragen ist, wobei eine Rohrreihe parallel durchströmt wird, also ein einziges Segment bildet. Die aufsteigenden Kurvenäste stehen für ver- schiedene Stirnflächen, deren Größe aus der Legende rechts oben neben dem Diagramm hervorgeht. Der Gaskühler mit der höchsten Leistung weist auch die größte Stirnfläche, nämlich 302 x 300 mm2 = 9,06 dm2 auf. Der unterste Kurvenast (Sternchen) weist die geringste Stirnfläche von 202 x 200 mm2 = 4,04 dm2 auf. Die Leistung des erfindungsgemäßen Gaskühlers steigt jeweils mit der Anzahl der Rohrreihen, wobei Werte für vier- bis achtreihige Systeme ermittelt und aufgetragen sind. Als Vergleichsbasis für den erfindungsgemäßen Gaskühler wurde ein zweireihiges System mit einer Stirnfläche von 20 dm2 und einer Tiefe von 16 mm gewählt. Für die Leistung dieses bekannten Gaskühlers nach dem Stand der Technik sind zwei horizontale Geraden im Diagramm eingezeichnet, und zwar eine untere Horizontale bei 7,7 kW für den Leerlauf und eine darüber liegende Horizontale bei etwa 8,2 kW für eine Fahrzeuggeschwindigkeit von 32 km/h im 2. Gang. Aus diesem Vergleich ist ersichtlich, dass mit dem erfindungsgemäßen Gaskühler, zumindest bei den größeren Stirnflächen eine höhere Leistung gegenüber dem Stand der Technik erzielbar ist.
Fig. 9 zeigt ein ähnliches Diagramm wie Fig. 8, allerdings basieren die hier dargestellten Werte auf Gaskühlern mit jeweils zwei Rohrsegmenten pro Reihe, d. h. in jeder Rohrreihe eines vier-, fünf-, sechs-, sieben- oder ach- treihigen Systems ist jeweils eine Umlenkung in der Breite vorgenommen. Die Stirnflächen für die einzelnen Kurvenäste ergeben sich wiederum aus der Legende; es sind dieselben Stirnflächen wie im Diagramm gemäß Fig. 8. Der Vergleich beider Diagramme zeigt deutlich, dass bei gleicher Stirnfläche, jedoch Umlenkung in der Breite bzw. zwei Rohrsegmenten pro Reihe eine höhere Gaskühlerleistung erzielbar ist, die bei höheren Stirnflächen deutlich über dem Stand der Technik liegt, der derselbe wie im Diagramm der Fig. 8 ist. Die zugrunde gelegten Stirnflächen sind im Übrigen nahezu quadratisch und liegen in einem bevorzugten Flächenbereich von 4 bis 9 dm2 - mit anderen Worten: es liegen „handliche" Abmessungen für den erfindungsgemäßen Gaskühler vor.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Wärmeübertrager, insbesondere für überkritischen Kältekreislauf, mit einem aus Rohren und Rippen bestehenden Block, wobei die Rippen von einem gasförmigen Medium, insbesondere Luft überströmbar und die in mehreren Reihen angeordneten Rohre insbesondere im Kreuzgegenstrom zum gasförmigen Medium von einem zweiten Medium, insbesondere einem Kältemittel durchströmbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens vier Rohrreihen (1.1 , 1.2, 1.3, 1.4) in Strömungsrichtung L des gasförmigen Mediums hintereinander angeordnet sind.
2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens fünf Rohrreihen (2.1 , 2.2, 2.3, 2.4, 2.5) hintereinander angeordnet sind.
3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich- net, dass sechs Rohrreihen (3.1 , 3.2, 3.3, 3.4, 3.5, 3.6) hintereinander angeordnet sind.
4. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre als Flachrohre (9) und die Rippen als Wellrippen (10, 12, 13, 15) ausgebildet sind.
5. Wärmeübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachrohre (9) als extrudierte Mehrkammerrohre ausgebildet sind.
6. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre R einer Rohrreihe (1.1 , 1.2, 1.3, 1.4) parallel durchströmbar sind.
7. Wärmeübertrager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrreihen (1.1 bis 1.4; 2.1 bis 2.5; 3.1 bis 3.6) hintereinander durchströmbar sind.
8. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge- kennzeichnet, dass mindestens eine Rohrreihe (4.3, 4.4) in Rohrsegmente (3a, 3b, 4a, 4b) mit einzelnen Rohren unterteilt ist, die nacheinander durchströmbar sind.
9. Wärmeübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die in Rohrsegmente (3a, 3b, 4a, 4b) unterteilten Rohreihen (4.3, 4.4) in Strömungsrichtung L des gasförmigen Mediums vor den nicht unterteilten Rohrreihen (4.1 , 4.2) angeordnet sind.
10. Wärmeübertrager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass alle Rohrreihen (6.1 bis 6.4; 7.1 bis 7.4) in Rohrsegmente (1a, 1 b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) unterteilt sind, die hintereinander durchströmbar sind.
11. Wärmeübertrager nach Anspruch 0, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrsegmente (1a bis 4b) unterschiedliche Anzahlen von Rohren aufweisen.
12. Wärmeübertrager nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrsegmente (1 a bis 4b) etwa gleiche Anzahlen von Rohren aufweisen.
13. Wärmeübertrager nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis a/b der Anzahlen (a, b) der Rohre von zwei Rohrsegmenten (1a, 1b; 2a, 2b) einer Rohrreihe (6.1; 6.2) in einem Bereich von 0,7 bis 1 ,35 liegt.
14. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrsegmente (1a, 1 b; 2a, 2b; 3a, 3b; 4a, 4b) durch Sammelrohre verbunden und durch Trennwände in den Sammelrohren getrennt sind.
15. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Rohrreihen untereinander durch Umlenkorgane (V) verbunden sind.
16. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellrippen (10) der einzelnen Rohrreihen (8.1 bis 8.4) thermisch entkoppelt sind.
17. Wärmeübertrager nach Anspruch 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Rohrreihen (11.1 , 11.2; 11.3, 11.4) gemeinsame, durchgehende Wellrippen (12, 13) aufweisen.
18. Wärmeübertrager nach Anspruch 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass alle Rohrreihen (14.1 bis 14.4) gemeinsame, durchgehende Wellrippen (15) aufweisen.
19. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 4 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachrohre (9) verschiedener Rohreihen (11.1 bis 11.4) fluchtend zueinander angeordnet sind.
20. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 4 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachrohre (9) unterschiedlicher Rohrreihen (16.1 bis 16.4) versetzt gegeneinander angeordnet sind.
21. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 4 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Querteilung tR der Flachrohre (9) in allen Rohrreihen (16.1 bis 16.4) gleich ist.
22. Wärmeübertrager nach Anspruch 4 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Querteilung tR benachbarter Rohrreihen verschieden ist.
23. Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass der Block eine berippte Stirnfläche mit einer Höhe H und einer Breite B aufweist und dass das Verhältnis von B/H im Bereich von 0,8 bis 1 ,2 liegt.
24. Wärmeübertrager nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche etwa quadratisch ausgebildet ist.
25. Wärmeübertrager nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass das die Stirnfläche eine Fläche A in einem Bereich von 4 dm2 bis 16 dm2 aufweist.
26. Verwendung des Wärmeübertragers nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Gaskühler in einem überkritischen Kältekreislauf einer vorzugsweise mit R744 (CO2) betriebenen Klimaanlage in Kraftfahrzeugen.
EP04803540A 2004-01-12 2004-12-06 Wärmeübertrager, insbesondere für überkritischen kältekreislauf Withdrawn EP1706695A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102004001786A DE102004001786A1 (de) 2004-01-12 2004-01-12 Wärmeübertrager, insbesondere für überkritischen Kältekreislauf
PCT/EP2004/013830 WO2005066565A1 (de) 2004-01-12 2004-12-06 Wärmeübertrager, insbesondere für überkritischen kältekreislauf

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP1706695A1 true EP1706695A1 (de) 2006-10-04

Family

ID=34716500

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP04803540A Withdrawn EP1706695A1 (de) 2004-01-12 2004-12-06 Wärmeübertrager, insbesondere für überkritischen kältekreislauf

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20070256823A1 (de)
EP (1) EP1706695A1 (de)
JP (1) JP2007518051A (de)
CN (1) CN1902453A (de)
DE (1) DE102004001786A1 (de)
WO (1) WO2005066565A1 (de)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005044754A1 (de) * 2005-09-20 2007-03-29 Behr Gmbh & Co. Kg Mehrreihiger Wärmeübertrager und Wellrippe für denselben
DE102006055837A1 (de) * 2006-11-10 2008-05-15 Visteon Global Technologies Inc., Van Buren Wärmeübertrager, insbesondere als Verdampfer von Fahrzeugklimaanlagen
FR2920045B1 (fr) * 2007-08-16 2010-03-12 Valeo Systemes Thermiques Evaporateur a nappes multiples, en particulier pour un circuit de climatisation de vehicule automobile
CN101965496A (zh) * 2008-03-07 2011-02-02 开利公司 改进流量分配的换热器管结构
CN102315809B (zh) * 2010-07-08 2016-11-16 德昌电机(深圳)有限公司 风扇电机装置、空气流动性调节设备及风量控制方法
FR2980260B1 (fr) * 2011-09-16 2014-04-04 Valeo Systemes Thermiques Evaporateur multi-nappes pour circuit de climatisation de vehicule automobile
JP5946651B2 (ja) * 2012-02-28 2016-07-06 住友精密工業株式会社 熱交換器
CN102778087B (zh) * 2012-07-11 2014-04-09 广州万宝集团有限公司 跨临界co2热泵空气加热系统及气冷器
CN104359256A (zh) * 2014-11-19 2015-02-18 合肥华凌股份有限公司 冷凝器和制冷设备
EP3358287B1 (de) * 2015-09-30 2019-08-28 Mitsubishi Electric Corporation Wärmetauscher und damit ausgestattete kältekreislaufvorrichtung
US10712095B2 (en) * 2018-02-14 2020-07-14 Lennox Industries Inc. Heat exchanger construction

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4446915A (en) * 1982-04-14 1984-05-08 The Trane Company Heat exchanger tube circuits
US4690209A (en) * 1985-03-18 1987-09-01 Martin Cory I Air conditioner evaporator system
US4829780A (en) * 1988-01-28 1989-05-16 Modine Manufacturing Company Evaporator with improved condensate collection
JPH02140166U (de) * 1989-04-24 1990-11-22
US5101890A (en) * 1989-04-24 1992-04-07 Sanden Corporation Heat exchanger
DE3938842A1 (de) * 1989-06-06 1991-05-29 Thermal Waerme Kaelte Klima Verfluessiger fuer ein kaeltemittel einer fahrzeugklimaanlage
JP3030036B2 (ja) * 1989-08-23 2000-04-10 昭和アルミニウム株式会社 複式熱交換器
US5529116A (en) * 1989-08-23 1996-06-25 Showa Aluminum Corporation Duplex heat exchanger
JP2997817B2 (ja) * 1990-07-23 2000-01-11 昭和アルミニウム株式会社 熱交換器
JPH09138081A (ja) * 1995-11-15 1997-05-27 Chubu Electric Power Co Inc 混合冷媒用熱交換器
DE19752139B4 (de) * 1997-11-25 2004-06-03 Behr Gmbh & Co. Wärmeübertrager für ein Kraftfahrzeug
JP2000304380A (ja) * 1999-04-22 2000-11-02 Aisin Seiki Co Ltd 熱交換器
FR2793015B1 (fr) * 1999-04-28 2001-07-27 Valeo Thermique Moteur Sa Echangeur de chaleur brase pour haute pression, en particulier pour vehicule automobile
JP2000346568A (ja) * 1999-05-31 2000-12-15 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 熱交換器
JP2001248995A (ja) * 2000-03-03 2001-09-14 Zexel Valeo Climate Control Corp 熱交換器
JP3381255B2 (ja) * 2000-03-31 2003-02-24 木村工機株式会社 少水量用熱交換コイル
US20020007646A1 (en) * 2000-06-20 2002-01-24 Showa Denko K.K. Condenser
JP4472135B2 (ja) * 2000-08-31 2010-06-02 株式会社神戸製鋼所 熱交換器用パネルを用いた熱交換器
US6745827B2 (en) * 2001-09-29 2004-06-08 Halla Climate Control Corporation Heat exchanger
US20030102113A1 (en) * 2001-11-30 2003-06-05 Stephen Memory Heat exchanger for providing supercritical cooling of a working fluid in a transcritical cooling cycle
BR0215231A (pt) * 2001-12-21 2004-11-16 Behr Gmbh & Co Kg Trocador de calor, especialmente para um automóvel
US20030183378A1 (en) * 2002-04-02 2003-10-02 Memory Stephen B. Heat exchanger and folded tube used therein
KR100638490B1 (ko) * 2002-05-29 2006-10-25 한라공조주식회사 열교환기

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2005066565A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
WO2005066565A1 (de) 2005-07-21
JP2007518051A (ja) 2007-07-05
DE102004001786A1 (de) 2005-08-04
CN1902453A (zh) 2007-01-24
US20070256823A1 (en) 2007-11-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0401752B1 (de) Verflüssiger für ein Kältemittel einer Fahrzeugklimaanlage
DE69019633T2 (de) Duplex-Wärmetauscher.
DE102010008176B4 (de) Wärmeübertrager und Verfahren zum Betreiben eines Wärmeübertragers
DE102004018282A1 (de) Wärmetauscher
DE10158436A1 (de) Wärmetauscher
EP1460363B1 (de) Verdampfer
DE2907810A1 (de) Waermetauscher
WO2005038375A1 (de) Wärmeübertrager, insbesondere für kraftfahrzeuge
WO2009074196A2 (de) Wärmeübertrager, insbesondere heizkörper für kraftfahrzeuge
WO2005066565A1 (de) Wärmeübertrager, insbesondere für überkritischen kältekreislauf
EP1281545B1 (de) Lufgekühlte Wärmeübertrageranordnung mit einem CO2-Gaskühler
DE102007031824A1 (de) Wärmetauscher
EP1573259A1 (de) Wärmeübertrager
EP1411310B1 (de) Wärmeübertrager in Serpentinenbauweise
WO2005100895A1 (de) Wärmeübertrager für kraftfahrzeuge
EP1272804A2 (de) Wärmeübertrager für eine co2-fahrzeugklimaanlage
DE4033636A1 (de) Waermetauscher, insbesondere verfluessiger und verdampfer fuer fahrzeuge - klimaanlagen
EP2699864B1 (de) Kondensator
DE102004033099A1 (de) Wärmeaustauscher
DE102004047304A1 (de) Unterkühlender Kondensator
DE3918455A1 (de) Verfluessiger fuer ein kaeltemittel einer fahrzeugklimaanlage
EP1734324A2 (de) Verstellbarer innerer Wärmeübertrager
EP3009780B2 (de) Wärmeübertrager
DE202010000951U1 (de) Wärmeübertrager, insbesondere Gaskühler für Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen
DE10253813B4 (de) Luftgekühlte Kühler mit nacheinander von Kühlluft durchströmten Kühlerelementen

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20060814

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LI LT LU MC NL PL PT RO SE SI SK TR

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
17Q First examination report despatched

Effective date: 20091015

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20090701