EP1716377A1 - Vorrichtung zum austausch von wärme und verfahren zur herstellung einer derartigen vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zum austausch von wärme und verfahren zur herstellung einer derartigen vorrichtung

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EP1716377A1
EP1716377A1 EP05707146A EP05707146A EP1716377A1 EP 1716377 A1 EP1716377 A1 EP 1716377A1 EP 05707146 A EP05707146 A EP 05707146A EP 05707146 A EP05707146 A EP 05707146A EP 1716377 A1 EP1716377 A1 EP 1716377A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
flow
flat tube
approximately
section
flow device
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Withdrawn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
EP05707146A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
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
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Filing date
Publication date
Application filed by Behr GmbH and Co KG filed Critical Behr GmbH and Co KG
Publication of EP1716377A1 publication Critical patent/EP1716377A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
    • F28D1/05366—Assemblies of conduits connected to common headers, e.g. core type radiators
    • F28D1/05383—Assemblies of conduits connected to common headers, e.g. core type radiators with multiple rows of conduits or with multi-channel conduits
    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/4935—Heat exchanger or boiler making

Definitions

  • Heat exchange device and method of making such a device
  • the present invention relates to a heat exchanger for a high-pressure cooling circuit, in particular to a high-pressure cooler, in particular a high-pressure gas cooler, and / or high-pressure auxiliary heater.
  • a high-pressure cooling circuit is to be understood as a cooling circuit in which a fluid flowing through the cooling circuit, at least in sections, under an operating pressure of approximately 110 bar to 130 bar, in particular approximately 125 bar. and / or which cooling circuit must be designed for burst pressures in a range from 270 bar to 360 bar according to applicable safety regulations.
  • high-pressure heat exchangers in high-pressure cooling circuits, hereinafter referred to as high-pressure heat exchangers for short, are known from the prior art.
  • FIG. 10 shows a section of such a, in this case double-row, high-pressure heat exchanger or double-row high-pressure gas cooler from the prior art.
  • tubes 1000 are arranged in two parallel planes.
  • the tubes arranged in one plane are also aligned parallel to each other.
  • the tubes 1000 have a flat tube-like shape which has a long side 1002 in cross section 1001 and a side 1003 which is considerably shorter than this long side 1002.
  • a coolant flows through the (flat) tube 1000 in a longitudinal direction 1004, for which purpose a plurality of flow channels 1005 are generally provided in the flat tube 1000, essentially parallel to the longitudinal direction 1004 or to a longitudinal axis of the flat tube 1000.
  • the coolant is at least in this section under an operating pressure of approximately 125 bar.
  • the high-pressure heat exchanger or high-pressure gas cooler is designed for burst pressures in the range from 270 bar to 360 bar.
  • the flat tube 1000 In end sections 1009 at both ends 1008 of the flat tube 1000, the flat tube 1000 according to the prior art each has a continuous twist or twist (torsion) about its longitudinal axis up to 90 °.
  • Both ends 1007 of the flat tube 1000 in the prior art which are rotated by 90 ° in this way are connected to collection and / or distribution devices 1008 in the manner of hollow bodies in a liquid-tight and / or gas-tight manner.
  • connection with one another is understood to mean a connection in such a way that a liquid and / or gaseous fluid, such as, for example, the coolant, can flow in a liquid-tight and / or gas-tight manner through this connection.
  • a liquid and / or gaseous fluid such as, for example, the coolant
  • the long side 1002 of the cross section 1001 of the flat tube 1000 runs essentially parallel to a longitudinal axis (main direction of expansion) of the hollow body-like collecting and / or distributing device 1008. Due to the rotation of the flat tube ends 1007, measurement of the hollow body-like collection and / or distribution device 1008, ie an inner cross section of the hollow body-like collection and / or distribution device 1008, and thus a material thickness can be reduced. As a result, the bursting pressures required in accordance with the safety regulations and the prevailing operating pressures with reduced material thicknesses and material expenditures can be achieved for the hollow body-like collection and / or distribution device 1008.
  • the rotation of the flat tube ends 1007 disadvantageously reduces a surface of the flat tube 1000 that can be used for heat exchange, in particular for cooling, and thus an end face of the high-pressure heat exchanger that can be used for cooling.
  • the twisting of the flat tube ends 1007 also disadvantageously limits a transverse division of a heat exchanger matrix of the gas cooler.
  • the twisting of the flat tube ends 1007 also increases the manufacturing costs that are required to produce the flat tubes.
  • the object of the present invention is therefore to provide a high-pressure heat exchanger which is less expensive to produce than the prior art and less restrictive in its geometry even with small material thicknesses. This is achieved according to the invention by the device for exchanging heat and by the method for producing a device for exchanging heat with the features according to the respective independent patent claim.
  • the inventive device for exchanging heat has at least one throughflow device and at least one collection and / or distribution device connected to the at least one throughflow device at a connection point.
  • a connection is understood to mean a connection such that a liquid and / or gaseous fluid, such as a coolant, in particular carbon dioxide, is liquid and / or gas-tight under high pressure, for example an operating pressure of approximately 110 bar to 130 bar, especially of approximately 125 bar.
  • a liquid and / or gaseous fluid such as a coolant, in particular carbon dioxide
  • the flow device according to the invention has a predetermined length (flow device length) and a flat tube-like cross section.
  • a flat tube-like cross section is understood to mean a cross-sectional shape which has a long side (depth) and a side which is considerably shorter than this long side (height).
  • a fluid under a high pressure for example an operating pressure of approximately 110 bar to 130 bar, in particular approximately 125 bar, can flow through the flow device and the collection and / or distribution device.
  • the flow device according to the invention has a straight course along the entire flow device length along a longitudinal axis of the flow device.
  • a straight course along the longitudinal axis is understood to mean a course in which the throughflow device or the flat tube-like cross section of the throughflow device is neither twisted, twisted or twisted about the longitudinal axis nor does the longitudinal axis itself have a curved or curved course.
  • the long side of the flat tube-like cross section of the flow device hereinafter also referred to as the (flow device) depth, has a length of approximately 5 mm to 6.1 mm, in particular of 5 mm to 5.9 mm.
  • the long side of the flat tube-like cross section of the flow device has an angle of approximately 90 ° with respect to a main direction of expansion of the collection and / or distribution device.
  • the device according to the invention for heat exchange or the flow device according to the invention is based on the non-trivial finding that with cross-sectional depths of the flow device of approximately 5 mm to 6.1 mm, in particular of 5 mm to 5.9 mm, cross-section twists at the ends of the flow device are dispensed with can.
  • the now straight flow device is connected to a collection and / or distribution device in such a way that the long side of the flat tube-like cross section of the flow device has an angle of approximately 90 ° with respect to the main direction of expansion of the collection and / or distribution device, with the device according to the invention achieves or achieves bursting pressures above the required 270 bar even with reduced material thicknesses and / or it can also be operated with reduced material thicknesses in a high pressure range.
  • a connection is made at a connection point between at least one flow device and at least one collection and / or distribution device, which connection is taken from a group, which soldered, welded or adhesive connections contains.
  • the at least one throughflow device is preferably inserted and / or soldered into the at least one collecting and / or distributing device.
  • a connection is understood to mean a connection in such a way that a liquid and / or gaseous fluid, such as a coolant, can flow liquid-tight and / or gas-tight under high pressure, such as an operating pressure of approximately 125 bar, through this connection.
  • a liquid and / or gaseous fluid such as a coolant
  • the flow device and the collection and / or distribution device have the specifications mentioned above.
  • the straight flow device according to the invention can thus be used to achieve a larger, finned end surface which is relevant for heat exchange than in a comparable, twisted flow device.
  • the invention results in a lower use of material and consequently lower material costs in comparison to conventional multi-row heat exchangers.
  • Handling of the straight flow-through devices in the manufacture of high-pressure heat exchangers, in particular high-pressure coolers and / or high-pressure auxiliary heaters, and there in particular in the case of a pipe feed for a cassette, is also simplified.
  • the flow device for example a flat tube, has a height or cross-sectional height of approximately 1 mm to 2 mm and / or a length of approximately 200 mm to 800 mm. Below the height is the one above, opposite the long side, i.e. to understand the depth, much shorter side of the flat tube-like cross section.
  • An internal passage height of a channel within the flat tube is preferably between 0.4 mm and 1 mm.
  • the flow-through device has at least one inner flow channel essentially parallel to the longitudinal axis of the flow-through device, preferably a plurality of inner flow channels essentially parallel to the longitudinal axis.
  • the at least one flow channel can have a shape that is essentially circular or elliptical, polygonal or rectangular, or has mixed forms thereof, for example rectangular with more or less rounded corners.
  • the at least one flow channel is flowed through at least in sections by a medium (fluid), such as a coolant, which is capable of flow, at an operating pressure of approximately 125 bar.
  • flowable media or fluids are understood to mean liquid and / or gaseous media of any viscosity, such as, in particular, but not exclusively, oils, liquids, in particular high heat of vaporization, water, air or gases, for example carbon dioxide, and refrigerants which evaporate or condense can.
  • the flowable media can also contain additives, for example to inhibit corrosion.
  • the collection and / or distribution device can provide a recess for connecting the flow device.
  • a cross section of the recess is adapted to the flat tube-like cross section of the flow device.
  • the recess can have additional shapes, which serve, for example, as an insertion bevel for flat tubes.
  • the collection and / or distribution device has a tubular cross section.
  • an inner diameter of the tubular cross section of the collection and / or distribution device is approximately equal to the (cross section) depth of the flow device.
  • the device according to the invention is particularly suitable for a high-pressure heat exchanger, in particular a high-pressure cooler, in particular a high-pressure gas cooler, and / or a high-pressure auxiliary heater.
  • Such a heat exchanger has a plurality, as a rule a multiplicity, of flow devices according to the invention, such as flat tubes, which are arranged in at least one plane, essentially parallel to one another and at a predeterminable distance.
  • Ribs or corrugated ribs preferably in series, can be arranged between two adjacent flow devices.
  • a corrugated fin height can be approximately 2 mm to 8 mm.
  • the corrugated fins of one plane can also be separate corrugated fins.
  • corrugated fin that is continuous over several levels can be provided.
  • the plurality of flow devices are furthermore connected at least at one end at a connection point to a collection and / or distribution device in an essentially gas-tight and / or liquid-tight manner.
  • the plurality of flow-through devices are preferably arranged in two levels, the ends of the flow-through devices being connected in one plane to a collecting and / or distributing device.
  • the flow devices of two adjacent levels can also be offset from one another.
  • a cooler and / or an auxiliary heater according to the above heat exchanger are each arranged between two adjacent flow devices, for example between adjacent flat tubes.
  • a coolant under high pressure flows through the plurality of flat tubes, a heat exchange between the coolant and an air surrounding the plurality of flat tubes being promoted.
  • a device for air conditioning an air conducted into a vehicle interior of a motor vehicle has at least one compressor, a heater and / or evaporator according to the above preferred embodiment, an expansion valve and a cooler according to the above embodiment.
  • the compressor and the expansion valve are known from St. It is also known that in high-pressure cooling circuits, the coolant is under high pressure at least in a section of the cooling circuit which extends from an outlet of the compressor via the high-pressure heat exchanger to the expansion valve.
  • FIG. 1 is a partial view of an inventive device for exchanging heat, a heat exchanger of a gas cooler.
  • FIG. 2 is a diagram which shows a relationship between the geometric dimensions of components of a device for exchanging heat, a heat exchanger of a gas cooler, according to the invention;
  • FIG. 3 shows a graph with a relationship between a block depth of a two-row gas cooler with flat tubes according to the invention and a flat tube depth of a tube according to the invention for two burst pressures;
  • FIG. 4 shows a graph with a relationship between a flat tube depth of a tube according to the invention and a block depth of a two-row gas cooler with flat tubes according to the invention for two burst pressures;
  • Fig. 5 is a graphical representation with a relationship between an air flow velocity and a gas cooler output for a gas cooler with flat tubes according to the invention and for a comparable Gas cooler with twisted flat tubes most gas cooler matrix;
  • FIG. 6 shows a graphical representation with a relationship between an air flow velocity and a gas cooler output for a gas cooler with flat tubes according to the invention and for a comparable gas cooler with twisted flat tubes according to a second gas cooler matrix;
  • FIG. 7 shows a graph with a relationship between a flat tube width and a weight of a gas cooler matrix for different gas cooler matrices
  • FIG. 8 shows a graphical representation with a relationship between an air flow velocity and a weight-related gas cooler output for a gas cooler with flat tubes according to the invention and for a comparable gas cooler with twisted flat tubes according to a first gas cooler matrix;
  • FIG. 9 shows a graphical representation with a relationship between an air flow velocity and a weight-related gas cooler output for a gas cooler with flat tubes according to the invention and for a comparable gas cooler with twisted flat tubes according to a second gas cooler matrix;
  • Fig. 10 is a partial view of a conventional heat exchanger of a gas cooler with several conventional twisted flat tubes according to the prior art.
  • a block depth of the two-row gas cooler 110 is approximately 16 mm.
  • reference numeral 100 relates in each case to a (flat) tube of the two-row gas cooler 110 according to the invention.
  • the flat tube 100 has a tube length of approximately 670 mm and a flat tube-like cross section 101 with a long side, a flat tube depth of 5.8 mm and a side which is considerably shorter than this long side and a flat tube width of 1.5 mm.
  • the flat pipe 100 has a straight pipe run along the entire pipe length along a pipe longitudinal axis.
  • the tubes 100 are arranged in two planes 102, 103 which are parallel to one another.
  • the flat tubes 100 are also arranged parallel to one another at a distance of approximately 2 mm to 10 mm, preferably between 4 mm and 8 mm and in particular of approximately 6 mm.
  • Corrugated fins 106 are arranged along the pipe length or in the longitudinal direction 104 of the pipes 100 between two parallel flat tubes 100 arranged in parallel in a plane 102, 103.
  • the two-row gas cooler 110 has a total fin density of 75 fins / dm.
  • a preferred range for the rib density is from 65 to 85 ribs / dm.
  • the flat tubes 100 are flowed through by a coolant under high pressure in the longitudinal direction 104, for which purpose a plurality of flow channels 105 are provided in the flat tube 100, essentially parallel to the longitudinal direction 104 or the longitudinal axis of the flat tube 100.
  • a pair of header tanks 120 having two header tubes 123, 124, are connected to each flat tube end 121 at a designated connection point to extend in one direction, a main direction of expansion, perpendicular to the longitudinal direction 104 of each tube 100.
  • the coolant also flows through these under high pressure.
  • the flat tube-like cross section 101 or the long side of the flat tube-like cross section 101 of the tube 100 has a predetermined angle of approximately 90 ° at the respective connection point with respect to the main direction of expansion of the collecting tanks 120.
  • a recess for the connection of the flat tube 100 is provided on the part of the collecting tanks 120.
  • a cross section of the recess is adapted to the cross section 101 of the flat tube 100.
  • the recess has an additional shape, an insertion bevel for the flat tubes 100.
  • connection with one another is understood to mean a connection in such a way that a liquid and / or gaseous fluid, such as the coolant in this case, can flow liquid and / or gas-tight through this connection.
  • the collecting tanks 120 and the collecting pipes 123, 1124 each have a tubular cross section 122, an inner diameter 200 of the tubular cross section 122 being approximately equal to the pipe depth of the flat pipe 100.
  • a collecting pipe wall thickness 201 is dependent on a required burst pressure.
  • Fig. 2 shows geometric relationships for determining the block depth.
  • T (Ges) 2 * T (FI) + 2 xd (wall, manifold) + b (gap),
  • T denotes the flat tube depth
  • d wall, manifold
  • d gap
  • FIG. 3 shows a graphic representation with a relationship between a block depth of a two-row gas cooler with flat tubes according to the invention and a flat tube depth of a flat tube according to the invention for two bursting pressures, namely 270 bar and 360 bar.
  • the flat tube depth T (Fl) ⁇ 6 mm for straight flat tubes in double-row high-pressure gas coolers with a block depth of 16 mm is therefore sufficient for a bursting pressure of 270 bar.
  • T (FL) reduces a contact area between a corrugated fin and the flat tube at a constant block depth. For this reason, one should
  • Block depth of 16 mm the individual flat tube depth also not less than be about 5 mm. The same must also be taken into account for other companies.
  • Fig. 3 also shows that with a block depth of 14 mm for double-row gas coolers, the flat tube depth T (FI) ⁇ 5.20 mm is sufficient for a burst pressure of 270 bar with straight flat tubes.
  • FIG. 4 shows a graph with a relationship between a flat tube depth of a tube according to the invention and a block depth of a two-row gas cooler with flat tubes according to the invention for two bursting pressures, namely 270 bar and 360 bar.
  • Fig. 4 shows, for example, that with a burst pressure of 270 bar (360 bar) and a block depth of 15 mm, a flat tube depth of approximately 5.2 mm (5.6 mm) is sufficient for straight flat tubes.
  • Fig. 5 and Fig. 6 show a gas cooler performance over an air flow velocity under given boundary conditions.
  • Gas cooler 1 has conventional flat tubes with twisted flat tube ends and with a flat tube depth of 7 mm.
  • Gas cooler 2 has the flat tubes according to the invention with a straight tube run and with a flat tube depth of 5.8 mm.
  • the gas cooler 2 Due to the larger end face of the gas cooler 2, the disadvantage of the smaller flat tube depth and thus reduced contact area between the corrugated fin and the flat tube can be approximately equalized.
  • the gas cooler 2 has a nem same mass flow on a higher refrigerant side.
  • Gas cooler 1 has conventional flat tubes with twisted flat tube ends and with a flat tube depth of 7 mm.
  • Gas cooler 2 has the flat pipes according to the invention with a straight pipe run and with a flat pipe depth of 5.8 mm.
  • the gas cooler 2 Due to the larger end face of the gas cooler 2, the disadvantage of the smaller flat tube depth and thus reduced contact area between the corrugated fin and the flat tube can be approximately equalized.
  • the gas cooler 2 has a higher refrigerant-side pressure drop for the same mass flow.
  • FIG. 7 shows a graphical representation with a relationship between a flat tube width and a weight of a gas cooler matrix for different gas cooler matrices.
  • Fig. 7 shows a significantly lower weight for gas coolers according to the flat tube depth T (FI) ⁇ 6 mm.
  • Fig. 8 and Fig. 9 show a weight-related gas cooler performance, which is obtained by dividing the gas cooler performance by the weight of the heat exchanger matrix, over the air inflow velocity under given boundary conditions.
  • the gas cooler performance shown relates to the gas coolers already discussed in Fig. 5 and Fig. 6.
  • Fig. 8 and Fig. 9 show that the weight-related gas cooler output for the two gas coolers with the flat tubes according to the invention with a flat tube depth T (FI) ⁇ 6.1 mm is significantly greater compared to the two gas coolers with conventional flat tubes with a flat tube depth of 7 mm.
  • the present invention can be applied in particular to coolers or auxiliary heaters of a high-pressure cooling circuit.
  • An embodiment of the respective heat exchanger matrix is not limited to the geometries described above. It can be chosen arbitrarily within the scope of the inventive flat tube geometry and the burst pressure requirements.

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Abstract

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Austausch von Wärme weist auf eine Durchflusseinrichtung und eine mit der Durchflusseinrichtung an einer Anschlussstelle verbundene Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung. Die Durchflusseinrichtung weist eine vorgegebene Länge sowie einen flachrohrartigen Querschnitt auf und ist von einem unter einem Hochdruck, beispielsweise einem Betriebsdruck von ungefähr 125 bar, stehenden Fluid durchströmbar. Die Durchflusseinrichtung weist einen über die gesamte Durchflusseinrichtungslänge entlang einer Längsachse der Durchflusseinrichtung geraden Verlauf auf. Die lange Seite des flachrohrartigen Querschnitts der Durchflusseinrichtung weist eine Länge von ungefähr 5 mm bis 6,1 mm auf. An der Anschlussstelle weist die lange Seite des flachrohrartigen Querschnitts der Durchflusseinrichtung einen in Bezug auf eine Hauptausdehnungsrichtung der Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung Winkel von ungefähr 90° auf.

Description

_ f _
BEHR GmbH & Co. KG . Mauserstraße 3, 70469 Stuttgart
Vorrichtung zum Austausch von Wärme und Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher für einen Hochdruckkühlkreislauf, insbesondere auf einen Hochdruckkühler, im speziellen einen Hochdruckgaskühler, und/oder Hochdruckzuheizer.
Unter einem Hochdruckkühlkreislauf ist im Folgenden ein Kühlkreislauf zu verstehen, bei welchem ein den Kühlkreislauf durchströmendes Fluid zumindest abschnittsweise unter einem Betriebsdruck von ungefähr 110 bar bis 130 bar, insbesondere von ungefähr 125 bar,. steht und/oder welcher Kühlkreislauf nach geltenden Sicherheitsbestimmungen für Berstdrücke in einem Bereich von 270 bar bis 360 bar ausgelegt sein muss.
Derartige Wärmetauscher in Hochdruckkühlkreisläufen, im Folgenden kurz als Hochdruckwärmetauscher bezeichnet, sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Fig.10 zeigt einen Ausschnitt eines solchen, in diesem Fall zweireihigen, Hochdruckwärmetauschers bzw. zweireihigen Hochdruckgaskühlers aus dem Stand der Technik.
Bei dem zweireihigen Hochdruckwärmetauscher bzw. Hochdruckgaskühler im Stand der Technik sind Rohre 1000 in zwei parallelen Ebenen angeordnet. Die jeweils in einer Ebene angeordneten Rohre sind ihrerseits ebenfalls parallel zueinander ausgerichtet.
BESTATIGUNGSKOPIE Die Rohre 1000 weisen im Stand der Technik eine flachrohrartige Form auf, die im Querschnitt 1001 eine lange Seite 1002 und eine gegenüber dieser langen Seite 1002 wesentlich kürzere Seite 1003 aufweist.
Das (Flach-)Rohr 1000 wird in einer Längsrichtung 1004 von einem Kühlmittel durchflössen, wozu in dem Flachrohr 1000 in der Regel mehrere Durchflusskanäle 1005 im wesentlichen parallel zu der Längsrichtung 1004 bzw. zu einer Längsachse des Flachrohrs 1000 vorgesehen sind.
Das Kühlmittel steht zumindest in diesem Abschnitt unter einem Betriebsdruck von ungefähr 125 bar. Nach geltenden Sicherheitsbestimmungen ist der Hochdruckwärmetauscher bzw. Hochdruckgaskühler allerdings für Berstdrücke im Bereich von 270 bar bis 360 bar ausgelegt.
In Endabschnitten 1009 an beiden Enden 1008 des Flachrohrs 1000 weist das Flachrohr 1000 gemäß dem Stand der Technik jeweils eine kontinuierliche Verdrehung bzw. Verdriliung (Torsion) um seine Längsachse bis zu 90° auf.
Beide solchermaßen um 90° verdrehten Enden 1007 des Flachrohrs 1000 im Stand der Technik sind mit hohlkörperartigen Sammel- und/oder Verteilungseinrichtungen 1008 flüssigkeits- und/oder gasdicht verbunden.
Unter einem miteinander Verbinden wird ein Verbinden in der Weise verstanden, dass durch diese Verbindung ein flüssiges und/oder gasförmiges Fluid, wie beispielsweise das Kühlmittel, flüssigkeits- und/oder gasdicht strömen kann.
An einer Verbindungsstelle zwischen einem Ende des Flachrohrs 1000 und der hohlkörperartigen Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung 1008 verläuft die lange Seite 1002 des Querschnitts 1001 des Flachrohrs 1000 im wesentlichen parallel zu einer Längsachse (Hauptausdehnungsrichtung) der hohlkörperartigen Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung 1008. Aufgrund der Verdrehung der Flachrohrenden 1007 kann messung der hohlkörperartigen Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung 1008, d.h. ein Innenquerschnitt der hohlkörperartigen Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung 1008, und damit eine Materialdicke reduziert werden. Dadurch können die gemäß den Sicherheitsbestimmungen geforderten Berstdrücke sowie die herrschenden Betriebsdrücke bei reduzierten Materialdicken und Materialaufwendungen für die hohlkörperartigen Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung 1008 erzielt werden.
Allerdings reduziert die Verdrehung der Flachrohrenden 1007 in nachteiliger Weise eine zu einem Wärmeaustausch, insbesondere eine zu einer Kühlung, nutzbare Oberfläche des Flachrohrs 1000 und damit eine zur Kühlung nutzbare Stirnfläche des Hochdruckwärmetauschers.
Darüber hinaus schränkt die Verdrehung der Flachrohrenden 1007 in nachteiliger Weise eine freie Wahl eines Abstands 1010 bei der parallelen Beab- standung 1010 der Flachrohre 1000 zueinander ein. Eine Weilrippenhöhe bei dem Wärmetauscher bzw. Gaskühler ist dadurch in einer Mindesthöhe begrenzt.
Auch wird durch die Verdrehung der Flachrohrenden 1007 in nachteiliger Weise eine Querteilung einer Wärmetauschermatrix des Gaskühlers beschränkt.
Auch erhöht die Verdrehung der Flachrohrenden 1007 für eine Herstellung der Flachrohre aufzuwendende Herstellkosten.
Entsprechendes bzw. entsprechend Nachteiliges gilt im Speziellen auch für aus dem Stand der Technik bekannte Hochdruckzuheizer wie auch für aus dem Stand der Technik bekannte Hochdruckwärmetauscher im Allgemeinen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen gegenüber dem Stand der Technik in der Herstellung kostengünstigeren und in seiner Geometrie auch bei geringen Materialdicken weniger eingeschränkten Hochdruckwärmetauscher zu schaffen. Dies wird erfindungsgemäß durch die Vorrichtung zum Austausch von Wärme sowie durch das Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Austausch von Wärme mit den Merkmalen gemäß dem jeweiligen unabhängigen Patentanspruch gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Austausch von Wärme weist auf wenigstens eine Durchflusseinrichtung und wenigstens eine mit der wenigstens einen Durchflusseinrichtung an einer Anschlussstelle verbundene Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung.
Unter einem miteinander Verbinden wird ein Verbinden in der Weise verstanden, dass durch diese Verbindung ein flüssiges und/oder gasförmiges Fluid, wie beispielsweise ein Kühlmittel, insbesondere Kohlendioxid, flüssigkeits- und/oder gasdicht unter Hochdruck, beispielsweise einem Betriebsdruck von ungefähr 110 bar bis 130 bar, insbesondere von ungefähr 125 bar, strömen kann.
Die erfindungsgemäße Durchflusseinrichtung weist eine vorgegebene Länge (Durchflusseinrichtungslange) sowie einen flachrohrartigen Querschnitt auf.
Unter einem flachrohrartigen Querschnitt (Flachrohr) wird im Rahmen der Erfindung eine Querschnittsform verstanden, welche eine lange Seite (Tiefe) und eine gegenüber dieser langen Seite wesentlich kürzere Seite (Höhe) aufweist.
Die Durchflusseinrichtung, und die Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung sind von einem unter einem Hochdruck, beispielsweise einem Betriebsdruck von ungefähr 110 bar bis 130 bar, insbesondere von ungefähr 125 bar, stehenden Fluid durchströmbar. Die erfindungsgemäße Durchflusseinrichtung weist einen über die gesamte Durchflusseinrichtungslange, entlag einer Längsachse der Durchflusseinrichtung geraden Verlauf auf.
Dabei wird unter einem entlang der Längsachse geraden Verlauf ein Verlauf verstanden, bei dem die Durchflusseinrichtung bzw. der flachrohrartige Querschnitt der Durchflusseinrichtung weder um die Längsachse verdreht bzw. verdrillt oder tordiert ist noch die Längsachse selbst einen gebogenen oder verkrümmten Verlauf aufweist.
Die lange Seite des flachrohrartigen Querschnitts der Qurchflusseinrichtung, im Folgenden auch als (Durchflusseinrichtungs-)Tiefe bezeichnet, weist eine Länge von ungefähr 5 mm bis 6,1 mm, insbesondere von 5 mm bis 5,9 mm, auf.
An der Anschlussstelle weist die lange Seite des flachrohrartigen Querschnitts der Durchflusseinrichtung einen in Bezug auf eine Hauptausdehnungsrichtung der Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung Winkel von un- gefähr 90° auf.
Der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Wärmeaustausch bzw. der erfindungsgemäßen Durchflusseinrichtung liegt die nicht triviale Erkenntnis zugrunde, dass bei Querschnittstiefen der Durchflusseinrichtung von ungefähr 5 mm bis 6,1 mm, insbesondere von 5 mm bis 5,9 mm, auf Querschnittsverdrehungen an Enden der Durchflusseinrichtung verzichtet werden kann.
Wird die nun gerade Durchflusseinrichtung derart mit einer Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung verbunden, dass die lange Seite des flach- rohrartigen Querschnitts der Durchflusseinrichtung einen in Bezug auf die Hauptausdehnungsrichtung der Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung Winkel von ungefähr 90° aufweist, können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch bei reduzierten Materialdicken Berstdrücke oberhalb der geforderten 270 bar erreicht bzw. erzielt und/oder kann diese auch bei redu- zierten Materialdicken in einem Hochdruckbereich betrieben werden. Bei dem Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Austausch von Wärme wird an einer Anschlussstelle zwischen mindestens einer Durch- flusseinrichtung und mindestens einer Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung eine Verbindung hergestellt wird, welche Verbindung einer Gruppe entnommen wird, welche Löt-, Schweiß- oder Klebeverbindungen enthält.
Bevorzugt wird die mindestens eine Durchflusseinrichtung in die mindestens eine Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung gesteckt und/oder verlötet.
Unter einer Verbindung wird ein Verbinden in der Weise verstanden, dass durch diese Verbindung ein flüssiges und/oder gasförmiges Fluid, wie beispielsweise ein Kühlmittel, flüssigkeits- und/oder gasdicht unter Hochdruck, wie einem Betriebsdruck von ungefähr 125 bar, strömen kann.
Die Durchflusseinrichtung sowie die Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung weisen die im obigen genannten Spezifiktionen auf.
Gerade durch den bei der Erfindung möglichen Entfall der Querschnittsverdrehung der Durchflusseinrichtung, im Folgenden kurz als Rohrverdrehung oder Flachrohrverdrehung bezeichnet, im Hochdruckbereich weisen diese sowie die Ausführungsformen und Weiterbildungen von dieser Vorteile auf.
So kann durch die erfindungsgemäße, gerade Durchflusseinrichtung eine größere berippte, für einen Wärmeaustausch relevante Stirnfläche realisiert werden als bei einer vergleichbaren, verdrehten Durchflusseinrichtung.
Auch muss bei einer parallelen Anordnung von mehreren erfindungsgemä- ßen Durchflusseinrichtungen, insbesondere (Flach-)Rohren, in einer Ebene kein Mindestabstand zwischen jeweils zwei von den Durchfiusseinrichtungen eingehalten werden. Wellrippen zwischen benachbarten Durchflusseinrichtungen mit geringeren Gesamthöhen sind damit realisierbar. Ferner sind die für die Herstellung aufzuwendenden Koste dungsgemäßen Durchflusseinrichtungen geringer als bei vergleichbaren, verdrehten Durchflusseinrichtungen.
Ebenso ergibt sich durch die Erfindung ein geringerer Materialeinsatz und demzufolge geringere Materialkosten im Vergleich zu herkömmlichen mehrreihigen Wärmetauschern.
Auch eine Handhabung der geraden Durchflusseinrichtungen bei einer Her- Stellung von Hochdruckwärmetauschern, insbesondere Hochdruckkühlern und/oder Hochdruckzuheizem, und dort im Speziellen bei einer Rohrzuführung bei einem Kassetieren ist vereinfacht.
Darüber hinaus sind geometrisch einfachere Sammel- und/oder Verteilungs- einrichtungen, welche an den unverdrehten Enden der Durchflusseinrichtungen mit diesen verbunden sind, realisierbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Durchflusseinrichtung, beispielsweise ein Flachrohr, eine Höhe bzw. Querschnittshöhe von ungefähr 1 mm bis 2 mm und/oder eine Länge von ungefähr 200 mm bis 800 mm auf. Unter der Höhe ist dabei die oben bezeichnete, gegenüber der langen Seite, d.h. der Tiefe, wesentlich kürzere Seite des flachrohrartigen Querschnitts zu verstehen. Eine Innendurchlaßhöhe eines Kanals innerhalb des Flachrohrs liegt dabei bevorzugt zwischen 0,4 mm und 1 mm.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Durchflusseinrichtung mindestens einen inneren Strömungskanal im wesentlichen parallel zu der Längsachse der Durchflusseinrichtung, bevorzugt mehrere innere Strömungskanäle im wesentlichen parallel zu der Längsachse, auf.
Im Querschnitt kann der mindestens eine Strömungskanal eine Form aufweisen, welche im wesentlichen kreis- oder ellipsenförmig, polygonartig oder rechteckig ist, oder Mischformen hieraus aufweist, beispielsweise rechteckig mit mehr oder wenig stark abgerundeten Ecken. Der mindestens eine Strömungskanal wird von wenigst« mungsfähigen Medium (Fluid), wie einem Kühlmittel, wenigstens abschnittsweise unter einem Betriebsdruck von ungefähr 125 bar durchströmt.
Unter strömungsfähigen Medien beziehungsweise Fluiden werden im Rahmen der Erfindung flüssige und/oder gasförmige Medien beliebiger Viskosität verstanden, wie insbesondere, aber nicht ausschließlich Öle, Flüssigkeiten, insbesondere hoher Verdampfungswärme, Wasser, Luft oder Gase, beispielweise Kohlendioxid, sowie Kältemittel, die verdampfen oder kondensieren können. Die strömungsfähigen Medien können dabei auch Zusätze beispielsweise zur Korrosionshemmung enthalten.
An der Anschlussstelle kann seitens der Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung eine Ausnehmung für einen Anschluss der Durchflusseinrichtung vorgesehen werden. Ein Querschnitt der Ausnehmung ist dabei dem flachrohrartigen Querschnitt der Durchflusseinrichtung angepasst. Daneben kann die Ausnehmung zusätzliche Ausformungen aufweisen, welche beispielswei- se als Einführschräge für Flachrohre dienen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung einen rohrformigen Querschnitt auf. Vorzugsweise ist ein Innendurchmesser des rohrformigen Querschnitts der Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung ungefähr gleich der (Querschnitts-)Tiefe der Durchflusseinrichtung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere geeignet für einen Hochdruckwärmetauscher, insbesondere einem Hochdruckkühler, im Spezi- eilen einem Hochdruckgaskühler, und/oder einem Hochdruckzuheizer.
Eine solcher Wärmetauscher weist mehrere, in der Regel eine Vielzahl, erfindungsgemäße Durchflusseinrichtungen, wie Flachrohre, auf, welche in mindestens einer Ebene, im wesentlichen parallel zueinander in einem vor- gebbaren Abstand angeordnet sind. Zwischen jeweils zwei benachbarten Durchflusseinrichtung können Rippen bzw. Wellrippen, vorzugsweise in Reihe, angeordnet sein. Eine Wellrippenhöhe kann ungefähr 2 mm bis 8 mm betragen. Auch können die Wellrippen einer Ebene separate Wellrippen sein.
Alternativ kann eine über mehrere Ebenen durchgehende Wellrippe vorgesehen werden.
Bei dem Wärmetauscher sind weiter die mehreren Durchflusseinrichtungen jeweils mindestens an einem Ende an einer Anschlussstelle mit einer Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung im wesentlichen gas- und/oder flüssigkeitsdicht verbunden.
Bevorzugt sind die mehreren Durchflusseinrichtungen in zwei Ebenen angeordnet, wobei jeweils die Enden der Durchflusseinrichtungen in einer Ebene mit einer Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung verbunden sind.
In einer weiteren Ausführungsform können die Durchflusseinrichtungen zweier benachbarter Ebenen auch versetzt zueinander sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, einem Kühler und/oder einem Zuheizer gemäß obigem Wärmetauscher, sind die Rippen jeweils zwischen zwei benachbarten Durchflusseinrichtungen, beispielsweise zwischen benachbarten Flachrohren angeordnet. Ein Kühlmittel unter Hochdruck durchströmt die mehreren Flachrohre, wobei ein Wärmetausch zwischen dem Kühlmittel und einer die mehreren Flachrohre umgebenen Luft gefördert wird.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform, eine Vorrichtung zum Klimatisieren einer in einen Fahrzeuginnenraum eines Kraftfahrzeugs geleiteten Luft, weist auf wenigstens einen Verdichter, einen Zuheizer und/oder Verdampfer gemäß obiger bevorzugter Ausführungsform, ein Expansionsventil und einen Kühler gemäß obiger Ausführungsform. Der Verdichter und das Expansionsventil sind aus dem St, bekannt. Weiter ist bekannt, dass in Hochdruckkühlkreisläufen das Kühlmittel zumindest in einem Abschnitt des Kühlkreislaufes, welcher sich von einem Ausgang des Verdichters über den Hochdruckwärmetauscher zu dem Expansionsventil erstreckt, unter Hochdruck steht.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen. Darin zeigen:
Fig. 1 eine Teildarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Austausch von Wärme, eines Wärmetauschers eines Gaskühlers; Fig. 2 eine Darstellung, welche einen Zusammenhang zwischen geometrischen Abmessungen von Komponenten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Austausch von Wärme, eines Wärmetauschers eines Gaskühlers, zeigt;
Fig. 3 eine graphische Darstellung mit einem Zusammenhang zwischen einer Blocktiefe eines zweireihigen Gaskühlers mit erfindungsgemäßen Flachrohren und einer Flachrohrtiefe eines erfindungsgemäßen Rohres für zwei Berstdrücke;
Fig. 4 eine graphische Darstellung mit einem Zusammenhang zwischen einer Flachrohrtiefe eines erfindungsgemäßen Rohres und einer Blocktiefe eines zweireihigen Gaskühlers mit erfindungsgemäßen Flachrohren für zwei Berstdrücke;
Fig. 5 eine graphische Darstellung mit einem Zusammenhang zwischen einer Luftanströmgeschwindigkeit und einer Gaskühlerleistung für einen Gaskühler mit erfindungsgemäßen Flachrohren und für einen vergleichbaren Gaskühler mit verdrehten Flachrohren sten Gaskühlermatrix;
Fig. 6 eine graphische Darstellung mit einem Zusammenhang zwischen einer Luftanströmgeschwindigkeit und einer Gaskühlerleistung für einen Gaskühler mit erfindungsgemäßen Flachrohren und für einen vergleichbaren Gaskühler mit verdrehten Flachrohren gemäß einer zweiten Gaskühlermatrix;
Fig. 7 eine graphische Darstellung mit einem Zusammenhang zwischen einer Flachrohrbreite und einem Gewicht einer Gaskühlermatrix für verschiedenen Gaskühlermatrizen;
Fig. 8 eine graphische Darstellung mit einem Zusammenhang zwischen einer Luftanströmgeschwindigkeit und einer gewichtsbezogenen Gaskühlerleistung für einen Gaskühler mit erfindungsgemäßen Flachrohren und für ei- nen vergleichbaren Gaskühler mit verdrehten Flachrohren gemäß einer ersten Gaskühlermatrix;
Fig. 9 eine graphische Darstellung mit einem Zusammenhang zwischen einer Luftanströmgeschwindigkeit und einer gewichtsbezogenen Gaskühlerleistung für einen Gaskühler mit erfindungsgemäßen Flachrohren und für einen vergleichbaren Gaskühler mit verdrehten Flachrohren gemäß einer zweiten Gaskühlermatrix; Fig. 10 eine Teildarstellung eines herkömmlichen Wärmetauschers eines Gaskühlers mit mehreren herkömmlichen verdrehten Flachrohren gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines zweireihigen Hochdruckgaskühlers, kurz Gaskühler, 110. Der ausführungsgemäße zweireihige Gaskühler 110 weis Schaltung von 29/31 - 31/29 sowie eine Gesamtabmessung einer Wärmetauschermatrix von ungefähr B x H= 462,0 x 660 mm2 auf. Eine Blocktiefe des zweireihigen Gaskühlers 110 beträgt ungefähr 16 mm.
In Fig. 1 bezieht sich das Bezugszeichen 100 jeweils auf ein erfindungsgemäßes (Flach-)Rohr des zweireihigen Gaskühler 110.
Das Flachrohr 100 weist eine Rohrlänge von ungefähr 670 mm sowie einen flachrohrartigen Querschnitt 101 mit einer langen Seite, einer Flachrohrtiefe, von 5,8 mm und einer gegenüber dieser langen Seite wesentlich kürzeren Seite, einer Flachrohrbreite, von 1 ,5 mm auf.
Ferner weist das Flachrohr 100 einen über die gesamte Rohrlänge, entlag einer Rohrlängsachse geraden Rohrverlauf auf.
Bei dem ausführungsgemäßen, zweireihigen Gaskühler sind die Rohre 100 in zwei zueinander parallelen Ebenen 102, 103 angeordnet.
Innerhalb jeder Ebene 102, 103 sind die Flachrohre 100 in einem Abstand von ungefähr 2 mm bis 10 mm, bevorzugt zwischen 4 mm und 8 mm und im besonderen von ca. 6 mm ebenfalls parallel zueinander angeordnet.
Zwischen jeweils zwei parallel in einer Ebene 102, 103 benachbart angeord- neten Flachrohren 100 sind entlang der Rohrlänge bzw. in Längsrichtung 104 der Rohre 100 Wellrippen 106 mit jeweils einer Wellrippenhöhe von ungefähr 6 mm angeordnet.
Der ausführungsgemäße zweireihige Gaskühler 110 weist insgesamt eine Rippendichte von 75 Rippen/dm auf. Ein Vorzugsbereich für die Rippendichte ist von 65 bis 85 Rippen/dm.
Die Flachrohre 100 werden in der Längsrichtung 104 von einem Kühlmittel unter Hochdruck durchflössen, wozu in dem Flachrohr 100 mehrere Durch- flusskanäle 105 im wesentlichen parallel zu der Längsrichtung 104 bzw. der Längsachse des Flachrohrs 100 vorgesehen sind. Ein Paar von Sammeltanks 120, aufweisend zwei Sammelrohre 123, 124, ist mit jedem Flachrohrende 121 an einer dafür vorgesehenen Anschlussstelie verbunden, um sich in einer Richtung, einer Hauptausdehnungsrichtung, senkrecht zur Längsrichtung 104 jedes Rohres 100 zu erstrecken. Auch diese werden vom Kühlmittel unter Hochdruck durchströmt.
Demzufolge weist der flachrohrartige Querschnitt 101 bzw. die lange Seite des flachrohrartigen Querschnitts 101 des Rohres 100 an der jeweiligen An- Schlussstelle einen in Bezug auf die Hauptausdehnungsrichtung der Sammeltanks 120 einen vorgegebenen Winkel von ungefähr 90° auf.
An der Anschlussstelle ist seitens der Sammeltanks 120 eine Ausnehmung für den Anschluss des Flachrohres 100 vorgesehen. Ein Querschnitt der Ausnehmung ist dabei dem Querschnitt 101 des Flachrohres 100 angepasst. Daneben weist die Ausnehmung eine zusätzliche Ausformung, eine Einführschräge für die Flachrohre 100, auf.
Unter einem miteinander Verbinden wird ein Verbinden in der Weise ver- standen, dass durch diese Verbindung ein flüssiges und/oder gasförmiges Fluid, wie in diesem Fall das Kühlmittel, flüssigkeits- und/oder gasdicht strömen kann.
Entsprechende Verfahren zur Herstellung einer solchen dichten Verbindung, wie Löten, Schweißen und/oder Kleben oder Kombinationen hieraus, sind aus dem Stand der Technik bekannt.
Die Sammeltanks 120 bzw. die Sammelrohre 123, 1124 weisen jeweils einen rohrformigen Querschnitt 122 auf, wobei ein Innendurchmesser 200 des rohrformigen Querschnitts 122 ungefähr gleich ist der Rohrtiefe des Flachrohres 100. Eine Sammelrohrwandstärke 201 ist abhängig von einem geforderten Berstdruck.
Fig.2 zeigt geometrische Zusammenhänge zur Bestimmung der Blocktiefe.
Die Blocktiefe T(Ges) bestimmt sich nach: T(Ges)= 2 * T(FI) + 2 x d(Wand, Sammelrohr) + b(Spalt),
wobei mit T(FI) die Flachrohrtiefe, mit d(Wand, Sammelrohr) eine Wandstärke eines Sammelrohrs und mit d(Spalt) ein Spalt zwischen den zwei Sammelrohren bezeichnet wird.
Fig.3 zeigt eine graphische Darstellung mit einem Zusammenhang zwischen einer Blocktiefe eines zweireihigen Gaskühlers mit erfindungsgemäßen Flachrohren und einer Flachrohrtiefe eines erfindungsgemäßen Flachrohres für zwei Berstdrücke, nämlich 270 bar und 360 bar.
Dem dargestellten graphischen Zusammenhang liegt weiter zugrunde, dass b(Spalt)= 0,8 mm beträgt und sich d(Wand, Sammelrohr) nach
d(Wand, Sammelrohr) = 0,1 * P(Berst) * T(FI)/(2 * s)
bestimmt, wobei P(Berst) den Berstdruck und s eine Streckgrenze eines Sammelrohrwerkstoffes bezeichnet, s wird vorliegend mit 50N/mm2 (AA 3003 mod) angenommen.
Fig.3 ist zu entnehmen, dass für eine Blocktiefe von 16 mm und einem Berstdruck von 270 bar die maximale Flachrohrtiefe T(Fl) = 5,9 mm betragen darf. Bei einem Berstdruck von 360 bar beträgt die maximale Flachrohrtiefe T(FI) = 5,5 mm.'
Somit ist die Flachrohrtiefe T(Fl) < 6 mm bei geraden Flachrohren bei zwei- reihigen Hochdruckgaskühlern mit einer Blocktiefe von 16 mm ausreichend für einen Berstdruck von 270 bar.
Weiterhin ist hier zu berücksichtigen, dass mit abnehmenden Flachrohrtiefen
T(FL) sich eine Kontaktfläche zwischen einer Wellrippe und dem Flachrohr bei konstanter Blocktiefe verringert. Aus diesem Grund sollte bei einer
Blocktiefe von 16 mm die einzelne Flachrohrtiefe auch nicht kleiner als un- gefähr 5 mm sein. Entsprechendes ist auch für andere Ges. berücksichtigen.
Weiter ist Fig.3 zu entnehmen, dass bei einer Blocktiefe von 14 mm bei zwei- reihigen Gaskühlern die Flachrohrtiefe T(FI) < 5,20 mm bei geraden Flachrohren für einen Berstdruck von 270 bar ausreichend ist.
Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung mit einem Zusammenhang zwischen einer Flachrohrtiefe eines erfindungsgemäßen Rohres und einer Blocktiefe eines zweireihigen Gaskühlers mit erfindungsgemäßen Flachrohren für zwei Berstdrücke, nämlich 270 bar und 360 bar.
Fig.4 ist beispielweise zu entnehmen, dass bei einem Berstdruck von 270 bar (360 bar) und einer Blocktiefe von 15 mm eine Flachrohrtiefe von unge- fähr 5,2 mm (5,6 mm) bei geraden Flachrohren ausreichend ist.
Fig.5 und Fig.6 zeigen eine Gaskühlerleistung über einer Luftanströmgeschwindigkeit bei vorgegebenen Randbedingungen.
In. Fig.5 werden 2 zweireihige Hochdruckgaskühler mit einer Rippendichte von 75 Rippen/dm, einer Rippenhöhe von 6 mm, einer Blocktiefe von 16 mm und gleicher Rohrverschaltung 29/31 - 31/29 miteinander verglichen.
Gaskühler 1 weist herkömmliche Flachrohre mit verdrehten Flachrohrenden und mit einer Flachrohrtiefe von 7 mm auf. Die Abmessungen der Wärmetauschermatrix dieses Gaskühlers 1 betragen B x H = 462,0 x 650,0 mm2 bei einer Stirnfläche F(St) = 30,0 dm2.
Gaskühler 2 weist die erfindungsgemäßen Flachrohre mit geradem Rohr- verlauf und mit einer Flachrohrtiefe von 5,8 mm auf. Die Abmessungen der Wärmetauschermatrix des Gaskühlers 2 betragen B x H = 462,0 x 664,0 mm2 bei einer Stirnfläche von 30,7 dm2.
Durch die größere Stirnfläche des Gaskühlers 2 kann der Nachteil der gerin- geren Flachrohrtiefe und somit verkleinerten Kontaktfläche zwischen Wellrippe und Flachrohr in etwa egalisiert werden. Der Gaskühler 2 weist bei ei- nem gleichen Massenstrom einen höheren kältemittelseit auf.
In Fig.6 werden 2 zweireihige Hochdruckgaskühler mit einer Rippendichte von 75 Rippen/dm, einer Rippenhöhe von 4,5 mm, einer Blocktiefe von 16 mm und gleicher Rohrverschaltung 37/40 - 40/37 miteinander verglichen.
Gaskühler 1 weist herkömmliche Flachrohre mit verdrehten Flachrohrenden und mit einer Flachrohrtiefe von 7mm auf. Die Abmessungen der Wärmetau- schermatrix dieses Gaskühlers 1 betragen B x H = 458,8 x 650,0 mm2 bei einer Stirnfläche F(St) = 29,8 dm2.
Gaskühler 2 weist die erfindungsgemäßen Flachrohre mit geradem Rohrverlauf und mit einer Flachrohrtiefe von 5,8 mm auf. Die Abmessungen der Wärmetauschermatrix des Gaskühlers 2 betragen B x H = 458,0 x 664,0 mm2 bei einer Stirnfläche von 30,5 dm2.
Durch die größere Stirnfläche des Gaskühlers 2 kann der Nachteil der geringeren Flachrohrtiefe und somit verkleinerten Kontaktfiäche zwischen Well- rippe und Flachrohr in etwa egalisiert werden. Der Gaskühler 2 weist bei einem gleichen Massenstrom einen höheren kältemittelseitigen Druckabfall auf.
Fig. 7 zeigt eine graphische Darstellung mit einem Zusammenhang zwischen einer Flachrohrbreite und einem Gewicht einer Gaskühlermatrix für verschiedene Gaskühlermatrizen.
Dargestellt sind in Fig.7 die Zusammenhänge für ein erfindungsgemäßes Flachrohr mit einer Flachrohrtiefe von T(FI) < 6 mm sowie für ein herkömmli- ches Flachrohr mit größerer Flachrohrtiefe, nämlich T(FI) = 7 mm.
Die Zusammenhänge sind dargestellt'jeweils für die Flachrohrbreiten von 1 ,4 mm und 1 ,6 mm und zwei Wellrippenhöhen von 4,5 mm und 6 mm bei einer Rippendichte von 75 Rippen/dm. Eine Wellrippendicke beträgt 0,1 mm. Fig.7 kann ein deutlich geringeres Gewicht bei Gaskühlern dungsgemäßen Flachrohrtiefe T(FI) < 6 mm entnommen werden.
Fig.8 und Fig.9 zeigen eine gewichtsbezogene Gaskühlerleistung, welche sich durch Division der Gaskühlerleistung durch das Gewicht der Wärmetauschermatrix ergibt, über der Luftanströmgeschwindigkeit bei vorgegebenen Randbedingungen.
Die dargestellte Gaskühlerleistung bezieht sich auf die bereits in Fig.5 und Fig.6 behandelten Gaskühler.
Fig.8 und Fig.9 ist zu entnehmen, dass die gewichtsbezogene Gaskühlerleistung für die beiden Gaskühler mit den erfindungsgemäßen Flachrohren mit einer Flachrohrtiefe T(FI) < 6,1 mm deutlich größer ist im Vergleich zu den beiden Gaskühlern mit herkömmlichen Flachrohren mit einer Flachrohrtiefe von 7 mm.
Die vorliegende Erfindung kann insbesondere auf Kühler oder Zuheizer eines Hochdruckkühlkreislaufs angewendet werden. Eine Ausgestaltung der jeweiligen Wärmetauschermatrix ist nicht auf im obigen beschriebene Geometrien beschränkt. Sie kann im Rahmen der erfinderischen Flachrohrgeometrie und der Berstdruckanforderungen beliebig gewählt werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit bevorzugten Ausfüh- rungsformen unter Bezug auf die anliegenden Zeichnungen vollständig erläutert wurde, erschließen sich dem Fachmann zahlreiche Abwandlungen und Modifikationen, die sämtlich im Umfang der vorliegenden Erfindung liegen, die in den anliegenden Ansprüchen festgelegt ist.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Vorrichtung zum Austausch von Wärme, mit wenigstens einer Durchflusseinrichtung und wenigstens einer mit der wenigstens einen Durchflusseinrichtung an einer Anschlussstelle verbundenen Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung, wobei die wenigstens eine Durchflusseinrichtung einen flachrohrartigen Querschnitt mit einer langen Seite und einer gegenüber der langen Seite kurzen Seite sowie eine vorgegebene Durchflusseinrichtungsl nge aufweist, wobei die wenigstens eine Durchflusseinrichtung und die wenigstens eine Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung von einem unter einem Hochdruck stehenden Fluid durchströmbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Durchflusseinrichtung einen über die gesamte Durchflusseinrichtungslange, entlag einer Längsachse der Durch- flusseinrichtung geraden Verlauf aufweist, die lange Seite des flachrohrartigen Querschnitts eine Länge von ungefähr 5 mm bis 6,1 mm, insbesondere 5 mm bis 5,9 mm, aufweist und an der Anschlussstelle die lange Seite des flachrohrartigen Querschnitts der Durchflusseinrichtung einen in Bezug auf eine Hauptaüsdehnungsrichtung der Sammel- und/oder Verteiiungsein- richtung Winkel von ungefähr 90° aufweist.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die kurze Seite des flachrohrartigen Querschnitts der Durchflusseinrichtung eine Länge von ungefähr 1 mm bis 2 mm aufweist und/der die Durchflusseinrichtungslange ungefähr 200 mm bis 800 mm beträgt.
3. Vorrichtung gemäß wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflusseinrichtung mindestens einen inneren Strömungskanal im wesentlichen parallel zu der Längsachse, bevorzugt mehrere innere Strömungskanäle im wesentlichen parallel zu der Längsachse, aufweist.
4. Vorrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Strömungskanal im Querschnitt eine Form auf- weist, welche im wesentlichen kreis-, ellipsenförmig, polygonartig oder rechteckig ist, oder Mischformen hieraus aufweist.
5. Vorrichtung gemäß wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Vielzahl von den Durchflusseinrichtungen aufweist, deren jede mit der wenigstens einen Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung verbunden ist und/oder die im wesentlichen in mindestens einer Ebene und/oder im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Durchflusseinrichtungen in zwei Ebenen angeordnet sind.
7. Vorrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zwei Sammel- und/oder Verteilungseinrichtungen aufweist, deren jede mit einem Ende der wenigstens einen Durch- flusseinrichtung verbunden ist.
8. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung einen rohrformigen Querschnitt aufweist, wobei ein Innendurchmesser des rohrformigen Querschnitts der Sammel- und/oder Verteilungseinrich- tung ungefähr gleich der langen Seite des flachrohrar Schnitts der Durchflusseinrichtung ist.
9. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die wenigstens eine Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung durchströmende Fiuid ein Kühlmittel ist und/oder unter einem Druck von ungefähr 125 bar steht.
10. Kühler, insbesondere Gaskühler, und/oder Zuheizer mit einer Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler und/oder Zuheizer eine Vielzahl von den Durchflusseinrichtungen aufweist, deren jede mit der wenigstens einen Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung verbunden ist und/oder die im wesentlichen in einer Ebene und/oder im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, und der Kühler und/oder Zuheizer eine Vielzahl von Rippen aufweist, die zwischen benachbarten Durchflusseinrichtungen im wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung der jeweiligen Durchflusseinrichtung angeordnet sind, um einen Wärmeaustausch zwischen Luft und dem Fluid zu fördern.
11. Vorrichtung zum Klimatisieren einer in einen Fahrzeuginnenraum ei- nes Kraftfahrzeugs geleiteten Luft, mit wenigstens einem Verdichter, einem Verdampfer und/oder Zuheizer, einem Expansionsventil und einem Kühler, wobei wenigstens ein Zuheizer und/oder ein Kühler gemäß Anspruch 10 ist.
12. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Austausch von Wärme, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Verfahren an einer Anschlussstelle zwischen mindestens einer Durchflusseinrichtung und einer Sammel- und/oder Verteilungs- einrichtung eine Verbindung hergestellt wird, welche Verbindung einer Gruppe entnommen wird, welche Löt-, Schweiß- oc düngen enthält, wobei die wenigstens eine Durchflusseinrichtung
- einen flachrohrartigen Querschnitt aufweist mit einer langen Seite mit einer Länge von ungefähr 5 mm bis 6,1 mm, insbesondere 5,9 mm, und mit einer gegenüber der langen Seite kurzen Seite,
- eine vorgegebene Durchflusseinrichtungslange aufweist,
- von einem unter einem Hochdruck stehenden Fluid durchströmbar ist und - einen über die gesamte Durchflusseinrichtungslange, entlag einer Längsachse der Durchflusseinrichtung geraden Verlauf aufweist, wobei die wenigstens eine Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung von dem unter Hochdruck stehenden Fluid durchströmbar sind und wobei an der Anschlussstelle die lange Seite des flachrohrartigen
Querschnitts der Durchflusseinrichtung einen in Bezug auf eine Hauptausdehnungsrichtung der Sammel- und/oder Verteilungseinrichtung Winkel von ungefähr 90° aufweist.
EP05707146A 2004-02-04 2005-02-02 Vorrichtung zum austausch von wärme und verfahren zur herstellung einer derartigen vorrichtung Withdrawn EP1716377A1 (de)

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