EP1724535A2

EP1724535A2 - Vorrichtung zur Zwischenkühlung

Info

Publication number: EP1724535A2
Application number: EP06007927A
Authority: EP
Inventors: Hubertus R. Dipl.-Ing. Kamsma
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2005-05-10
Filing date: 2006-04-15
Publication date: 2006-11-22
Anticipated expiration: 2026-04-15
Also published as: US20060254757A1; EP1724535B1; DE502006007755D1; EP1724535A3; DE102005021464A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zwischenkühlung des Kältemittels, das in einem Klimakreislauf zirkuliert, enthaltend: Kompressor, Gaskühler, Verdampfer (Wärmetauscher) und Expansionsventil, und dabei eine Hochdruckseite und eine Niederdruckseite durchläuft, in denen das Kältemittel unterschiedliche Temperatur besitzt, wobei die Vorrichtung ein flaches Mehrkammerrohr (10) aufweist, durch das die eine Seite strömt und das in einem Behälter (20) angeordnet ist, durch den die andere Seite strömt. Um die Vorrichtung insbesondere herstellungsfreundlich auszubilden, ist erfindungsgemäß vorgesehen worden, dass der Behälter (20) ein schlanker, druckstabiler Behälter (20) ist, der im Wesentlichen über seine gesamte Länge als Wärmetauscher ausgebildet ist, und dass das Mehrkammerrohr (10) mit Wärmetauschrippen (30) besetzt ist, die den verbleibenden Querschnitt des Behälters (20) oder wenigstens den Querschnitt einer Abteilung (23) des Behälters (20) etwa ausfüllen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Zwischenkühlung des Kältemittels, das in einem Klimakreislauf zirkuliert, enthaltend: Kompressor, Gaskühler, Verdampfer (Wärmetauscher) und Expansionsventil und dabei eine Hochdruckseite und eine Niederdruckseite durchläuft, in denen das Kältemittel unterschiedliche Temperatur besitzt, wobei die Vorrichtung ein flaches Mehrkammerrohr aufweist, durch das die eine Seite strömt, und das in einem Behälter angeordnet ist, durch den die andere Seite strömt.
Eine Vorrichtung dieser Art, die oftmals auch als innerer Wärmetauscher in transkritischen Klimakreisläufen bezeichnet wird, ist aus der DE 196 35 454A1 bekannt. Diese kann bezüglich der erreichbaren Wärmetauschrate als fortschrittlich angesehen werden. Jedoch scheint die Herstellung dieser - liegend im Einbauraum des Kraftfahrzeuges angeordneten - Vorrichtung ziemlich aufwendig zu sein, u. a. deshalb, weil die flachen Mehrkammerrohre als Spiralen verformt sind und das Einsetzen der Wärmeleitrippen zwischen den Windungen der Spiralen ebenfalls kompliziert ist.
In der DE 103 22 028 B4 wurde ein Zwischenwärmetauscher als koaxiales Rohr in das Sammelrohr des Verdampfers integriert, wodurch eine sehr kompakte Gestaltung geschaffen wurde, die scheinbar auch günstiger herstellbar ist.
Eine andere Vorrichtung für dasselbe Anwendungsgebiet, ist aus dem US-Patent Nr. 6 681 597 B1 bekannt. Dort strömen die Hochdruckseite und die Niederdruckseite jeweils durch ein stranggepresstes, flaches Mehrkammerrohr, die miteinander über die Länge des Behälters verbunden sind, in dem sich beide Mehrkammerrohre befinden. Die bekannte Vorrichtung ist hinsichtlich ihrer Leistung und auch hinsichtlich ihres Herstellungsaufwandes verbesserungsbedüftig.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, mit anderen Gestaltungsmerkmalen eine hinsichtlich Kompaktheit und Funktionalität vergleichbare Vorrichtung vorzuschlagen, die sich günstiger herstellen lässt.
Die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich bei der Vorrichtung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale in dessen kennzeichnendem Teil.
Demnach ist der Behälter ein schlanker, druckstabiler Behälter, der im Wesentlichen über seine gesamte Länge als Wärmetauscher ausgebildet ist. Das Mehrkammerrohr ist mit Wärmetauschrippen besetzt, die den verbleibenden Querschnitt des Behälters oder wenigstens den Querschnitt einer Abteilung des Behälters etwa ausfüllen. Das Mehrkammerrohr erstreckt sich gerade durch den Behälter, weshalb u. a. die Herstellungsfreundlichkeit zu erwarten ist.
Das Mehrkammerrohr und der Behälter sind vorzugsweise mittels Extrusionsverfahren hergestellte Teile. Da der Behälter über seine gesamte Länge als Wärmetauscher ausgebildet ist, ist mit guten Ergebnissen hinsichtlich der Wärmetauscheffizienz zu rechnen. Der Behälter bzw. der Zwischenwärmetauscher besitzt ein ausgesprochen schlankes Erscheinungsbild und ist deshalb für Einsatzfälle, in denen enge Räume vorhanden sind besonders geeignet. Im Sinne der vorliegenden Erfindung sind Behälter mit einem Verhältnis Länge / Durchmesser von mindestens 3 : 1 oder größer als schlanke Behälter anzusehen. Das Mehrkammerrohre oder die Längswand teilt den Behälter in Abteilungen, wobei sich das Mehrkammerrohr in Längsrichtung durch wenigstens eine Abteilung erstreckt. Der erfindungsgemäße Zwischenwärmetauscher ist auch wegen des durchgängigen Einsatzes des Strangpressverfahrens für den Behälter und das Mehrkammerrohr besonders günstig herstellbar. Dazu kommt, dass sich das Mehrkammerrohr im Wesentlichen gerade durch die Abteilung erstreckt, d. h. es muss nicht umgeformt werden. Die Wärmetauschrippe füllt den verbleibenden Abteilungsquerschnitt etwa vollständig aus, weshalb auch hinsichtlich der Wärmetauscheffizienz gute Ergebnisse zu erwarten sind.
Das bereits angesprochene Strangpressverfahren für die Herstellung des Behälters ermöglicht es, den Abteilungsquerschnitt in dem ansonsten bevorzugt runden Druckbehälter beispielsweise rechteckig auszubilden, weshalb dort Wärmetauschrippen ohne wesentliche Quetschung sehr günstig einsetzbar sind, und dabei, wie erwähnt, den Abteilungsquerschnitt etwa vollständig ausfüllen. Erreicht werden etwa rechteckige oder quadratische Abteilungsquerschnitte entweder dadurch, dass die Wanddicke des Behälters partiell erhöht ist, oder dadurch dass in Längsrichtung des Behälters verlaufende Abstufungen des ansonsten runden Behälters vorgenommen werden. Beide Möglichkeiten sind mittels der Umformverfahren Strangpressen oder Fließpressen umsetzbar. Deshalb ist das Strangpressverfahren zur Herstellung des Behälters besonders bevorzugt. Das Mehrkammerrohr könnte auch ein gelötetes oder geschweißtes Rohr mit einem die Kammern bildenden Inneneinsatz sein.
Da der Behälter wegen seiner runden Form und auch aufgrund seiner Längswand, den enorm hohen Drücken widersteht, kann die Wärmetauschrippe aus ausgesprochen dünnem Blech hergestellt werden, da sie keinen wesentlichen Druckbeanspruchungen ausgesetzt ist.
Weitere Merkmale befinden sich in den anderen abhängigen Patentansprüchen.
Im Anschluss werden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen beschrieben. In dieser Beschreibung sind weitere Merkmale und damit einhergehende Vorteile enthalten, die sich als besonders wichtig herausstellen können.
Kurzbeschreibung der Abbildungen

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Zwischenwärmetauscher;
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch denselben;
Fig. 3 zeigt ein Ende des Zwischenwärmetauschers mit Ein - und Auslässen für Kältemittel;
Fig. 4 zeigt eine Darstellung ähnlich der Fig. 2;
Fig. 5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel;
Fig. 6 zeigt eine Weiterbildung;
Fig. 7 zeigt eine andere Weiterbildung;
Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel ohne Längswand;
Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit zwei eingesetzten Längswänden;

Gemäß den Fig. 1 und 2 bildet ein mittels Strangpressverfahren hergestelltes rundes Rohr den Behälter 20. Das Rohr weist zwei Längswände 21 und 22 auf, die das Rohr in drei Abteilungen 23, 24 und 25 aufteilen. In diesem Ausführungsbeispiel erstreckt sich in jeder Abteilung 23, 24, und 25 ein flaches, stranggepresstes Mehrkammerrohr 10 etwa über die gesamte Länge des Rohres. Jedes Mehrkammerrohr 10 besitzt in diesem Ausführungsbeispiel zwei Reihen von Durchgängen 12. Der Durchmesser der Durchgänge 12 beträgt etwa 1, 20 mm oder weniger. Jedes Mehrkammerrohr 10 ist mit einer Wärmeleitrippe 30 versehen, die den Querschnitt der entsprechenden Abteilung möglichst vollständig ausfüllt, damit das dort strömende Kältemittel möglichst nicht durch große, freie Querschnittsräume strömen muss. Im gezeigten Ausführungsbeispiel strömt das hochdruckseitige Kältemittel (Pfeile in Fig. 1) oben durch die mittlere Anschlussöffnung in das flache und größere Mehrkammerrohr 10 ein, strömt nach unten, verteilt sich dort auf die beiden anderen kleineren Mehrkammerrohre 10, um in diesen wieder nach oben und über die beiden Ausströmöffnungen weiter zum nicht gezeigten Expansionsorgan und weiter über den Verdampfer zu strömen. Das niederdruckseitige Kältemittel strömt oben über die zugeordnete Einströmöffnung 60 entweder in die mittlere Abteilung 23 oder in alle drei Abteilungen ein, strömt durch die dortigen Wärmetauschrippen 30 nach unten und verteilt sich auf die beiden anderen Abteilungen, oder es strömt im zweiten Fall dort aus dem Zwischenwärmetauscher aus und weiter zum nicht gezeigten Kompressor im Kreislauf. Das Rohr weist oben und unten einen geeigneten Deckel 50 auf, die den Behälter 20 komplettieren. Wie erkennbar ist, sind in dem Deckel 50 Strömungskanäle für das hochdruckseitige Kältemittel ausgebildet. Der bevorzugte Werkstoff ist Aluminium. Die erwähnten Teile werden zusammengefügt und mittels Löten verbunden.
Die Fig. 3 zeigt das Ein - und Ausströmen des hochdruckseitigen und des niederdruckseitigen Kältemittels in einem oben bereits kurz angerissenen Ausführungsbeispiel. Die Bezugszeichen 60 - 63 stehen für das niederdruckseitige Kältemittel. Bei 60 strömt dieses Kältemittel in die mittlere Abteilung 23 ein, oder es strömt dort aus dieser Abteilung aus. Das Bezugszeichen 63 steht für einen Anschlussblock, der Kanäle aufweist und der zu den erwähnten gelöteten Teilen gehört. Die Bezugszeichen 61 und 62 bezeichnen zwei weitere Ein - oder Ausströmöffnungen bzw. die erwähnten Kanäle, die mit den anderen beiden Abteilungen 24 und 25 kommunizieren. Die Bezugszeichen 70 - 74 bezeichnen die ebenfalls bereits erwähnten Strömungskanäle bzw. Anschlüsse für das hochdruckseitige Kältemittel, die im oberen Deckel 50 ausgebildet sind und die mit den Mehrkammerrohren 10 kommunizieren.
Im Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 4 wurde nur die mittlere Abteilung 24 mit dem Mehrkammerrohr 10 und der Wärmetauschrippe 30 belegt. In den beiden anderen Abteilungen 23 und 25 kann das niederdruckseitige Kältemittel strömen oder auch nicht strömen. Es sei noch betont, dass die Längswände 26 wesentlich dünner als in der Fig. 4 zu sehen ausgeführt werden können, da in den Abteilungen 23, 24, 25 etwa der gleiche Druck vorliegt.
Die Fig. 5 zeigt in schematisierter Darstellung ein modifiziertes Ausführungsbeispiel, welches einen Behälter 20 mit einem etwas geringeren Schlankheitsgrad aufweist.
Das Mehrkammerrohr 10 besitzt einen Umkehrbogen 11. Die Zu - und Abführung des Kältemittels erfolgt am oberen Deckel 50. Das Bezugszeichen HP steht für die Hochdruckseite und LP entsprechend für die Niederdruckseite. Der untere Deckel 50 ist gewölbt ausgebildet und die Längswand 21 endet so, dass das niederdruckseitige Kältemittel dort von der Abteilung 23 rüber zur anderen Abteilung 24 strömen kann. Der verbleibende Querschnitt beider Abteilungen 23 und 24 wird durch Wärmetauschrippen 30 ausgefüllt.
Die Fig. 6 und 7 zeigen Beispiele, die das Einsetzen der Wärmetauschrippen 30 mit dem Mehrkammerrohr 10 erleichtern, da der entsprechende Abteilungsquerschnitt der Abteilungen 23 und 25 im Behälter 20 mit einer dazu geeigneten, angepassten Form ausgestaltet wurde. Im Falle der Fig. 6 wurde die Wanddicke des Behälters 20 partiell etwas vergrößert, was durch das Bezugszeichen 27 verdeutlicht wurde. Gemäß der Fig. 7 wurden mit dem Bezugszeichen 28 Absätze in die Wand des Behälters 20 eingebracht. Solche Ausgestaltungen sind leicht im Strangpressverfahren herstellbar. Als Wärmetauschrippen 30 können übliche Wellrippen zum Einsatz kommen, die spiralartig um das entsprechende Mehrkammerrohr 10 gewickelt und dann mit dem Rohr gemeinsam in die Abteilung 23, 24, 25 eingesetzt werden können. Dies geht aus den Abbildungen nicht hervor und soll deshalb besonders betont werden.
Die Fig. 8 zeigt die einfachste Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das Mehrkammerrohr 10 erstreckt sich gerade und auf der Mittellängsebene des Behälters 20 liegend durch denselben hindurch. Die halbrunden Querschnitte der durch das Mehrkammerrohr 10 geschaffenen Abteilungen 23 des Behälters 20 sind durch Wärmeleitrippen 30 ausgefüllt. Die Wärmeleitrippen 30 besitzen dazu eine an die runde Form des Behälters 20 angepasste Rippenhöhe.
Die Fig. 9 zeigt einen weiteren Querschnitt durch eine besonders herstellungsfreundliche Vorrichtung. Dort sind zwei in den Behälter 20 einsetzbare Längswände 21, 22 vorgesehen. Die Längswände 21, 22 sind mit abgebogenen Längsrändern 40 ausgestattet, die innen an der Behälterwand anliegen. Die Längsränder 40 besitzen eine gewisse Elastizität. Das Mehrkammerrohr 10, die Wärmeleitrippen 30 und die beiden Längswände 21, 22 werden zu einem Paket zusammengelegt und gemeinsam in den Behälter 20 geschoben. Die Längsränder 40 schmiegen sich an die Behälterwand an. Dadurch werden auch perfekte Lötverbindungen ermöglicht bzw. unterstützt. Die Abteilung 23 wird durch Wärmeleitrippen 30 ausgefüllt, die eine gleichmäßige Rippenhöhe besitzen und deshalb günstig herstellbar sind.
Insgesamt ist die in erster Linie beabsichtigte Herstellungsfreundlichkeit des Zwischenwärmetauschers durch die Beschreibung und die Zeichnungen nachvollziehbar. Die Effizienz des Wärmetausches und der geringe Raumbedarf wegen der sehr schlanken Gestalt des Behälters 20 sind weitere vorteilhafte Wirkungen. Der Schlankheitsgrad des Behälters 20, ausgedrückt durch das Verhältnis Länge L / Durchmesser D, beträgt mindestens 3:1. Vorzugsweise jedoch 6 : 1 oder noch schlanker. (Fig. 1)

Claims

Vorrichtung zur Zwischenkühlung des Kältemittels, das in einem Klimakreislauf zirkuliert, enthaltend: Kompressor, Gaskühler, Verdampfer (Wärmetauscher) und Expansionsorgan, und dabei eine Hochdruckseite und eine Niederdruckseite durchläuft, in denen das Kältemittel unterschiedliche Temperatur besitzt, wobei die Vorrichtung ein flaches Mehrkammerrohr (10) aufweist, durch das die eine Seite strömt und das in einem Behälter (20) angeordnet ist, durch den die andere Seite strömt,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Behälter (20) ein schlanker, druckstabiler Behälter (20) ist, der im Wesentlichen über seine gesamte Länge als Wärmetauscher ausgebildet ist, und dass das Mehrkammerrohr (10) mit Wärmetauschrippen (30) besetzt ist, die den verbleibenden Querschnitt des Behälters (20) oder wenigstens den Querschnitt einer Abteilung (23) des Behälters (20) etwa ausfüllen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abteilung (23) durch die Anordnung des flachen und im Wesentlichen geraden Mehrkammerrohres (10) in einem im Wesentlichen runden Behälter (20) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Längswand (21) vorgesehen ist, die den Behälter in Abteilungen (23, 24) teilt und dass sich das Mehrkammerrohr (10) in Längsrichtung und im Wesentlichen unverformt durch wenigstens eine Abteilung (23) erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschrippen (30) hinsichtlich Wärmetauscheffizienz optimiert und im Wesentlichen keinen Druckbelastungen ausgesetzt sind.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (20) im Wesentlichen einen runden Querschnitt aufweist und mittels zweier Deckel (50) komplettiert wird.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Längswände (21, 22) im Behälter (20) vorgesehen sind, die parallel zueinander verlaufen.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsform der Abteilungen (23, 24, 25) für die Aufnahme des Mehrkammerrohres (10) mit Wärmetauschrippen (30) angepasst ist, beispielsweise etwa rechteckig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flache Mehrkammerrohr (10) einen Umkehrbogen (11) aufweist und sich ansonsten gerade durch zwei parallele Abteilungen (23, 24) erstreckt, die mittels der Längswand (21) gebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich jeweils ein flaches Mehrkammerrohr (10) durch eine zugeordnete Abteilung (23, 24, 25) erstreckt, wobei das Kältemittel einer Seite beispielsweise durch eines der Mehrkammerrohre (10) zugeführt wird und durch zwei anderen Mehrkammerrohre (10) abgeführt wird, oder umgekehrt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Mehrkammerrohre (10) einen größeren Querschnitt hat als die anderen Mehrkammerrohre.
Vorrichtung insbesondere nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass das größere Mehrkammerrohr (10) etwa auf der mittleren Ebene des etwa runden Behälters (20) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern (12) im flachen Mehrkammerrohr (10), einen Durchmesser von 1,20 mm oder weniger besitzen.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis (L / D) des Behälters (20) mindestens 3 : 1 beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Behälter (20) mit oder ohne Längswand als auch das Mehrkammerohr (10) vorzugsweise mittels Extrusionsverfahren herstellbar sind.