EP1790933A1

EP1790933A1 - Koaxial oder Rohr-in-Rohr-Anordnung, insbesondere für einen Wàrmetauscher

Info

Publication number: EP1790933A1
Application number: EP06022999A
Authority: EP
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. Seewald; Karl-Heinz Dipl.-Ing. Staffa; Uli Dipl.-Ing. Vedder; Christoph Dipl.-Ing. Walter
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2005-11-25
Filing date: 2006-11-06
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2026-11-06
Also published as: DE102005056650A1; DE502006008755D1; EP1790933B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Koaxialrohr (1) oder eine Rohr-in-Rohr-Anordnung für die getrennte Leitung mindestens zweier Medien, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Koaxialrohr (7) oder der Rohr-in-Rohr-Anordnung mindestens ein und in einer Querschnittsfläche maximal sechzehn Turbulenzerzeuger (11) vorgesehen sind, der bzw. die im inneren Bereich (2) des Innenrohres (3) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Koaxialrohr oder eine Rohr-in-Rohr-Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Aus der EP 1 202 016 A2 ist ein einstückiges Wärmetauscherrohr mit einem Mehrkammer-Profil bekannt, gemäß dem um einen Zentralkanal mehrere Außenkanäle vorgesehen sind. Die Außenkanäle sind durch Zwischenwände, die in radialer Richtung verlaufen, unterteilt. An der Wandung des Zentralkanals sind wellenartige Vorsprünge vorgesehen, die sich geringfügig in den Zentralkanal hinein erstrecken. Diese Vorsprünge dienen der Verringerung der Querschnittsfläche und somit der Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit. Die Vorsprünge können auch schraubenförmig ausgebildet sein, wobei konstante, sich ändernde oder wechselnde Steigungen vorgesehen sein können. Der Innenkanal wird bei diesem Wärmetauscherrohr als Hochdruckseite, die Außenkanäle als Niederdruckseite verwendet.
Ein Beispiel einer Verwendung eines zweiteiligen Koaxialrohrsystems, bestehend aus einem Außenrohr und einem in das Außenrohr eingeschobenen Innenrohr, für eine Klimaanlage, insbesondere eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage, ist aus der DE 199 44 951 A1 bekannt. Hierin sind wendelförmige Stege, weiche die Außenkanäle voneinander trennen, sowie das Vorsehen von Turbulenzelementen an den Stegen offenbart.
Aus der US 6,098,704 B2 ist eine Rohr-in-Rohr-Anordnung bekannt, wobei sowohl das Außenrohr als auch das Innenrohr eine Vielzahl in äquidistanten Abständen über den Umfang verteilter, in radialer Richtung ein kurzes Stück nach innen zeigender Rippen aufweist, die eine keilartige Gestalt halben. Diese Rippen dienen hierbei dem Korrosionsschutz, so dass die Rohrwand zwischen den beiden Medien geschützt und die Lebensdauer der Rohr-in-Rohr-Anordnung verlängert wird.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Koaxialrohr zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Koaxialrohr oder eine Rohr-in-Rohr-Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist ein Koaxialrohr oder eine Rohr-in-Rohr-Anordnung für die getrennte Leitung mindestens zweier Medien, wobei es sich vorzugsweise um Kältemittel handelt, vorgesehen, wobei bei dem Koaxialrohr oder der Rohr-in-Rohr-Anordnung mindestens ein und in einer Querschnittsfläche vorzugsweise maximal sechzehn, besonders vorzugsweise maximal zwölf Turbulenzerzeuger vorgesehen sind, der bzw. die im inneren Bereich des Innenrohres angeordnet sind. Die Turbulenzerzeuger bewirken, dass die Grenzschicht an der Wandung des Innenrohres gestört und dadurch verringert wird, wodurch der Wärmeaustausch und dadurch die Leistung des Wärmetauschers verbessert wird. Durch eine verbesserte Leistungsdichte eines Wärmetauschers lässt sich derselbe bei gleicher Leistung kleiner bauen, wodurch sich das Gesamtgewicht, der Materialbedarf und somit die Kosten des Koaxialrohres bzw. der Rohr-in-Rohr-Anordnung verringert. Bevorzugt sind hierbei die Turbulenzerzeuger im Hochdruckbereich angeordnet, welcher üblicherweise im inneren Bereich vorgesehen ist. Es ist jedoch auch eine verdrehte Anordnung von Hoch- und Niederdruckbereich möglich, d.h. der Niederdruckbereich ist innen, der Hochdruckbereich außen angeordnet.
Der Begriff "Rohr" ist im Folgenden sehr weit auszulegen und bezieht sich nicht nur auf runde Querschnitte, sondern insbesondere auch ovale, abgerundet rechteckförmige oder auch beliebige andere Querschnitte. Beim Rohr kann es sich auch um zwei ineinander angeordnete Rohre handeln, die keine direkten Verbindungen aufweisen (Rohr-in-Rohr-Anordnung). Hierbei können jedoch auch positionierende Elemente für das Innenrohr im Außenrohr vorgesehen sein, wie beispielsweise am Außen- und/oder Innenrohr vorgesehene, radial nach innen beziehungsweise außen vorstehende Rippen, um gegebenenfalls eine koaxiale Anordnung sicherzustellen. Die Anordnung des Innenrohres oder des inneren Bereichs im Außenrohr ist vorzugsweise koaxial, muss es jedoch nicht sein, so dass auch außermittige Anordnungen möglich sind. Ebenso können auch mehrere Innenrohre vorgesehen sein, die mittels mehrerer Hülsen angeschlossen werden. Das Innenrohr kann auch mit dem Außenrohr in den Kontaktbereichen verlötet oder auf andere Weise mit demselben verbunden sein.
Der Turbulenzerzeuger wird bevorzugt durch eine in Längsrichtung des Koaxialrohres bzw. der Rohr-in-Rohr-Anordnung verlaufende Wendel gebildet. Bei der Wendel handelt es sich insbesondere bevorzugt um eine Rundrohrwendel, wobei zwischen Wendel und Innenwand ein Spalt vorgesehen ist. Die Differenz des Innendurchmessers des Innenrohres und der Wendelbreite beträgt bevorzugt 0,2 bis 1 mm, so dass die Wendel sich im Falle eines Biegens des Rohres nicht verklemmt. Die Wendel erstreckt sich bevorzugt nicht über die gesamte Länge des Rohres, sondern ist insbesondere ca. 20 mm kürzer, jedoch ist sie vorzugsweise minimal etwa halb so lang wie das Rohr, abzüglich von ca. 20 mm. Die Ganghöhe der Wendel beträgt vorzugsweise 15 bis 40 mm.
Als Turbulenzerzeuger können alternativ oder bei entsprechender Ausgestaltung auch in Verbindung mit einer Wendel mindestens eine, insbesondere mindestens vier und maximal zwölf Innenrippen im Innenrohr vorgesehen sein. Die Innenrippen können sich in radialer Richtung zur Mittellängsachse hin erstrecken, sie können jedoch auch schräg zur radialen Richtung verlaufend ausgebildet sein.
Die Innenrippen weisen vorzugsweise eine Rippendicke von 0,1 bis 0,2 mm auf, sind also im Vergleich zu den sonstigen Wandstärken des Rohres dünn ausgebildet. Die Rippenhöhe der Innenrippen beträgt vorzugsweise 0,5 bis 1,5 mm bei einem Innendurchmesser des Innenrohres von 4 bis 8 mm.
Die Innenrippen sind vorzugsweise in äquidistanten Abständen verteilt über den Innenumfang des Innenrohres angeordnet. Es ist jedoch auch eine ungleichmäßige Verteilung, wie auch eine unterschiedliche Rippenhöhe, möglich.
Als Turbulenzerzeuger kommt auch mindestens ein, insbesondere zwei oder drei Stege im Innenrohr in Frage. Denkbar sind selbstverständlich auch insbesondere vier, fünf, sechs, sieben, acht; neun oder zehn Stege. Der Steg kann hierbei in radialer Richtung verlaufend, wie auch auf beliebige andere Weise (d.h. als sonstige Sehne) verlaufend ausgebildet sein. Sind mehrere Stege vorgesehen, so können diese sich vorzugsweise in der Längsmittelachse des Rohres schneiden und den inneren Bereich in mehrere Teilbereiche unterteilen, wobei auch Überströmöffnungen in den Stegen vorgesehen sein können.
Der mindestens eine Steg weist vorzugsweise eine Stegdicke von 0,2 bis 0,6 mm auf, ist also vorzugsweise dünner als die Außen- und Innenwand des Rohres.
Der Außendurchmesser des Außenrohres beträgt vorzugsweise 10 bis 20 mm, insbesondere 12 bis 18 mm. Der Innendurchmesser des Innenrohres beträgt vorzugsweise 3 bis 10 mm, insbesondere 4 bis 8 mm. Die Dicke von Rippen oder Stegen zwischen dem Innen- und Außenrohr beträgt vorzugsweise 0,3 bis 1,1 mm, insbesondere 0,5 bis 1,0 mm.
Vorzugsweise sind die Einströmöffnungen der beiden Medien auf unterschiedlichen Seiten des Koaxialrohres oder der Rohr-in-Rohr-Anordnung angeordnet, so dass das Koaxialrohr bzw. die Rohr-in-Rohr-Anordnung im Gegenstrombetrieb durchströmt wird.
Der äußere Bereich, in welchem vorzugsweise das Niederdruckmedium strömt, ist vorzugsweise in mindestens sechs, insbesondere in mindestens acht Teilkanäle und maximal in zwanzig, vorzugsweise in maximal sechzehn Teilkanäle unterteilt.
Die Wandstärke der Außenwand ist vorzugsweise größer als oder gleich groß wie die Wandstärke der Wand zwischen Außenrohr und Innenrohr. Dabei beträgt die Wandstärke der Außenwand vorzugsweise 0,6 bis 1,3 mm, insbesondere 0,8 bis 1,1 mm, die der Innenwand 0,6 bis 1,2 mm, vorzugsweise 0,8 bis 1,0 mm.
Die Dicke der Rippen oder Stege, welche die einzelnen Teilkanäle des Außenrohres unterteilen, ist vorzugsweise kleiner oder gleich der Wandstärke der Wand des Außenrohres. Dabei beträgt die Stegbreite vorzugsweise 0,5 bis 1,0 mm, wobei die Wandstärke der Außenwand 0,6 bis 1,3 mm beträgt.
Mindestens einer der Turbulenzerzeuger und/oder mindestens eine der Innenrippen und/oder mindestens einer der Stege, und/oder mindestens eine der Rippen zwischen Innen- und Außenrohr ist vorzugsweise schräg bezüglich der Rohrlängsachse angeordnet. Dabei kann sich die Steigung jedoch auch über die Gesamtlänge des Rohres ändern, wie auch die Drehrichtung.
Bevorzugt ist mindestens einer der Turbulenzerzeuger und/oder mindestens eine der Innenrippen und/oder mindestens einer der Stege und/oder mindestens eine der Rippen zwischen Innen- und Außenrohr derart schräg bezüglich der Rohrlängsachse mit einer derartigen Steigung ausgebildet, dass eine 360°-Drehung über eine Rohrlänge von 15 bis 35 mm, insbesondere von 20 bis 25 mm, erfolgt.
Weiterhin kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn die Länge mindestens einer der Turbulenzerzeuger und/oder mindestens einer der Innenrippen und/oder mindestens einer der Stege und/oder mindestens einer der Rippen zwischen Innen- und Außenrohr dem 0,3-fachen bis 0,5-fachen, vorzugsweise dem 0,4-fachen der Rohrlänge entspricht. Denkbar ist es aber auch, dass die Länge zumindest einer der vorgenannten Einrichtungen im Wesentlichen der Rohrlänge entspricht.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform ist ein Koaxialrohr oder eine Rohr-in-Rohr-Anordnung für die getrennte Leitung mindestens zweier Medien vorgesehen, deren Druckniveau sich unterscheidet, vorgesehen, wobei bei dem Koaxialrohr oder der Rohr-in-Rohr-Anordnung die Niederdruckseite in radialer Richtung näher der Mittellängsachse als die Hochdruckseite angeordnet ist. Durch die verdrehte Anordnung kann das Innenrohr mit geringerer Wandstärke ausgebildet sein, wodurch sich das Gesamtgewicht, der Materialbedarf und somit die Kosten des Koaxialrohres bzw. der Rohr-in-Rohr-Anordnung verringert. Ferner können die Abmessungen etwas verringert werden, wodurch auch die Wärmeeinleitung von außen in das System verringert und somit die Leistung gesteigert werden kann.
Bevorzugt ist bei der verdrehten Anordnung von Hoch- und Niederdruckseite der freie Strömungsquerschnitt der Hochdruckseite insgesamt kleiner als der freie Strömungsquerschnitt der Niederdruckseite. Dabei unterscheiden sich die freien Strömungsquerschnitte derart, dass der freie Strömungsquerschnitt der Hochdruckseite insgesamt vorzugsweise maximal halb so groß und vorzugsweise minimal ein Viertel so groß ist, insbesondere bevorzugt etwa ein Drittel +/- 10% so groß ist, wie der freie Strömungsquerschnitt der Niederdruckseite. Diese Querschnittsverhältnisse ergeben einen sehr guten Wärmeaustausch zwischen den beiden Medien.
Der Außendurchmesser des Außenrohres beträgt - bei verdrehter Anordnung von Hoch- und Niederdruckseite - vorzugsweise 10 bis 18 mm, insbesondere 12 bis 16 mm. Der Innendurchmesser des Innenrohres beträgt vorzugsweise 6 bis 12 mm, insbesondere 8 bis 10 mm. Die Breite der Rippen zwischen dem Innen- und Außenrohr beträgt vorzugsweise 0,3 bis 0,8 mm, insbesondere bevorzugt 0,4 bis 0,7 mm.
Das Außenrohr ist - bei der verdrehten Anordnung von Hoch- und Niederdruckseite - vorzugsweise in mindestens sechs, insbesondere in mindestens zehn, insbesondere bevorzugt in mindestens zwölf Teilkanäle und maximal in zwanzig, vorzugsweise in maximal sechzehn Teilkanäle unterteilt. Diese Unterteilung ermöglicht optimale Festigkeitseigenschaften des Rohres, verbunden mit einer großen Wärmeübertragungsfläche für das im äußeren Bereich strömende Medium.
Die Wandstärke der Außenwand ist - bei der verdrehten Anordnung von Hoch- und Niederdruckseite - vorzugsweise größer als die Wandstärke der Wand zwischen Außenrohr und Innenrohr. Auf Grund der größeren Druckdifferenz vom Außenrohr zur Umgebung hin als vom Außenrohr zum inneren Bereich kann die Wandstärke zum Innenrohr geringer ausgelegt werden, so dass eine Materialeinsparung möglich ist. Ist - wie bei herkömmlichen Koaxialrohren - der maximale Druck im Innenrohr vorgesehen, so muss das Außenrohr jedoch auch dem entsprechenden Druck standhalten können, weshalb es eine entsprechende Wandstärke aufweisen sollte und daher bei herkömmlichen Koaxialrohren entsprechend dem Innenrohr ausgelegt ist, wodurch das Koaxialrohr schwerer und somit teurer als ein erfindungsgemäßes Koaxialrohr ist. Im Übrigen kann durch die dünnere Wand auch eine Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung erzielt werden.
Die Breite der Rippen oder Stege, welche die einzelnen Teilkanäle des Außenrohres unterteilen, ist vorzugsweise kleiner als sie Wandstärke der Wand des Außenrohres, wodurch sich auch Material einsparen lässt.
Bevorzugt ist die Breite der Stege, welche die einzelnen Teilkanäle des Außenrohres unterteilen, größer oder gleich der Wandstärke der Wand zwischen Außenrohr und Innenrohr.
Um insbesondere den Druckverlust beim Einströmen in das Innenrohr möglichst gering zu halten, erfolgt das Einströmen des entsprechenden Mediums vorzugsweise im Wesentlichen koaxial, wofür das entsprechende Anschlussstück entsprechend ausgebildet ist.
Ein erfindungsgemäßes Koaxialrohr oder eine erfindungsgemäße Rohr-in-Rohr-Anordnung kann insbesondere für Wärmetauscher, vorzugsweise für Kraftfahrzeug-Klimaanlagen, insbesondere bevorzugt für Hochdruck-Klimaanlagen (wie beispielsweise bei R744-Klimaanlagen) von Kraftfahrzeugen verwendet, jedoch sind auch andere Anwendungen möglich. Besonders bevorzugt ist die Verwendung als so genannter innerer Wärmetauscher bzw. innerer Wärmeüberfirager. Insbesondere bei letztgenannter Verwendung und bei der Verwendung von R744 verhält sich das verwendete Kältemittel üblicherweise, auch wenn es zumindest teilweise in gasförmigem Zustand befindlich ist, aufgrund der in der Regel sehr hohen Dichte ähnlich wie ein Fluid. Insbesondere dadurch ist es möglich beispielsweise durch Verwendung eines Turbulenzerzeugers die Wärmeübertragung zwischen den Kanälen zu erhöhen.
Insbesondere bei der Verwendung als innerer Wärmetauscher in einem Kältemittelkreislauf kann sich die vorgeschlagene Beaufschlagung mit Hochdruck auf der Außenseite bzw. Niederdruck auf der Innenseite als besonders vorteilhaft erweisen. So weist der Hochdruck üblicherweise eine höhere Temperatur als der Niederdruck auf, so dass besonders gut zusätzliche Wärmeenergie vom hochdruckseitigen Kältemittel an die Umgebung abgeführt werden kann.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit Varianten, teilweise unter Bezugnahme auf die Zeichnung, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: einen Schnitt durch ein Koaxialrohr gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Wärmeaustauschers mit einem anderen Koaxialrohr,
Fig. 3: einen Längsschnitt durch einen Endbereich des Koaxialrohrs von Fig. 1 mit Anschlussstück,
Fig. 4: einen Schnitt durch ein Koaxialrohr gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 5: einen Schnitt durch ein Koaxialrohr gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel,
Fig. 6: einen Schnitt durch ein Koaxialrohr gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel, und
Fig. 7: einen Schnitt durch ein Koaxialrohr gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel.

Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist ein Wärmetauscher 1, von dem nur ein Querschnitt in den Figuren 1 und 3 dargestellt ist, der aber im Prinzip ausgebildet sein kann, wie in Fig. 2 mit einem vergrößert dargestellten, anderen Querschnitt dargestellt ist, vorgesehen. Dieser Wärmeaustauscher 1 dient dem Wärmeaustausch von einem ersten Medium und einem zweiten Medium. Hierbei strömt das erste Medium durch den inneren Bereich 2 eines Innenrohres 3 und das zweite Medium durch den äußeren Bereich 4 welcher zwischen einem Außenrohr 5 und dem Innenrohr 3 gebildet ist. Hierbei sind Innenrohr 3 und Außenrohr 5 samt dazwischen in radialer Richtung in Längsrichtung durchgehend verlaufender Rippen 6 einstückig als ein Koaxialrohr 7 aus einer Aluminiumlegierung extrudiert.
Der Außendurchmesser des Koaxialrohres 7 beträgt vorliegend 16 mm, die Wandstärke des Außenrohres 5 0,8 mm, die Wandstärke des Innenrohres 3 0,6 mm, die Rippenbreite 0,7 mm und der Innendurchmesser 7 mm. Es sind zwölf Rippen 6, also auch zwölf voneinander unterteilt ausgebildete Außenkanäle vorgesehen, welche auf Grund der einander entsprechenden Breite der einzelnen Rippen 6 in äquidistanten Abständen um das Innenrohr 3 verteilt sind.
Um das kühlende und das zu kühlende Medium in das Koaxialrohr 7 einzuleiten, sind an beiden Enden des Koaxialrohres 7 Anschlussbauteile 8 (siehe Fig. 2) vorgesehen, über welche die Medien, welche durch den inneren Bereich 2 bzw. den äußeren Bereich 4 vorliegend im Gegenstrombetrieb strömen, getrennt voneinander zu- bzw. abgeleitet werden.
Am einstückig extrudierten Koaxialrohr 7 liegt am Außenrohr 5 (Hochdruckseite) ein höherer Druck p_a an als am Innenrohr 3 (Niederdruckseite), an welchem der Druck p_i anliegt. Der Betriebsdruck auf Niederdruckseite beträgt gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ca. 130 bar, der entsprechende Berstdruck 264 bar, und der Betriebsdruck auf Hochdruckseite beträgt ca. 160 bar, der entsprechende Berstdruck 352 bar. Die genannten Druckwerte beziehen sich insbesondere auf die Verwendung von CO₂ (R744) als Kältemittel.
Dadurch, dass die Hochdruckseite innen angeordnet ist, lässt sich eine verbesserte, definierte Anströmung des Hochdruckkältemittels über das entsprechende Anschlussstück 8.realisieren, insbesondere ist, wie vorliegend in Fig. 3 dargestellt, eine umlenkungsfreie Anströmung des Hochdruckkältemittels in Richtung der Längsachse des Innenrohres vorgesehen, wodurch der Druckverlust verringert und dadurch die Kälteleistung verbessert werden kann. Die Anströmung des Niederdruckkältemittels erfolgt in radialer Richtung bezüglich der Längsachse des Koaxialrohres 1.
Um jedoch eine gute Vermischung des Hochdruckkältemittels im inneren Bereich 2 zu ermöglichen, ist gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel im Innenraum des Innenrohres 3 ein Turbulenzerzeuger 11 in Form einer Wendel (Rundrohrwendel) vorgesehen, welche sich im Koaxialrohr angeordnet auch mit demselben verbiegen lässt. Die Ganghöhe der Wendel entspricht vorliegend einem Mehrfachen des Innendurchmessers des Innenrohres 3 und ist über die gesamte Koaxialrohrlänge konstant. Die Wendel lenkt das im Innenrohr strömende Kältemittel um, so dass sich keine laminare Strömung im Wandbereich ausbildet und dadurch eine verbesserte Vermischung und ein verbesserter Wärmeaustausch ergibt.
Gemäß möglicher Varianten ändert sich die Ganghöhe der Wendel über die Länge des Koaxialrohres und/oder ändert sich die Drehrichtung der Wendel, wobei auch mehrfach Änderungen vorgesehen sein können.
Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel welches - sofern nicht nachfolgend erwähnt - dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht, jedoch keine Wendel als Turbulenzerzeuger 11 aufweist. Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel sind vielmehr gleichmäßig über den Innenumfang des Innenrohres 3 verteilt als Turbulenzerzeuger 11 acht Innenrippen 21 in radialer Richtung nach innen vorstehend vorgesehen. Die Innenrippen haben eine Rippendicke, die 0,1 mm geringer als die Wandstärke des Außenrohres 5 ist. Die Länge der Innenrippen 21 beträgt vorliegend 1 mm, so dass sie einen Kreis von 5 mm Durchmesser in der Mitte des Innenrohres 3 frei fassen.
Gemäß dem dritten, in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel, welches sofern nicht nachfolgend erwähnt - dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht, jedoch keine Wendel als Turbulenzerzeuger 11 aufweist, sieht als Turbulenzerzeuger 11 zwei sich senkrecht kreuzende Stege 22 im Innenrohr 3 auf, welche den inneren Bereich 2 vierteilen. Die Stegdicke ist vorliegend um 0,1 mm geringer als die Wandstärke des Außenrohres 5.
In Fig. 6 ist als viertes Ausführungsbeispiel ein Koaxialrohr 7 mit einer Wendel als Turbulenzerzeuger 11 dargestellt, welches andere Abmessungen als das Koaxialrohr 7 des ersten Ausführungsbeispiels aufweist.
Gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel ist ein Wärmetauscher 1, von dem nur ein Querschnitt in Fig. 6 dargestellt ist, der aber im Prinzip ausgebildet sein kann, wie in Fig. 2 mit einem vergrößert dargestellten, anderen Querschnitt dargestellt ist, vorgesehen. Dieser Wärmeaustausch 1 dient Wärmeaustausch von einem ersten Medium und einem zweiten Medium. Hierbei strömt das erste Medium durch den inneren Bereich 2 eines Innenrohres 3 und das zweite Medium durch den äußeren Bereich 4 welcher zwischen einem Außenrohr 5 und dem Innenrohr 3 gebildet ist. Hierbei sind Innenrohr 3 und Außenrohr 5 samt dazwischen in radialer Richtung in Längsrichtung durchgehend verlaufender Rippen 6 einstückig als ein Koaxialrohr 7 aus einer Aluminiumlegierung extrudiert.
Der Außendurchmesser des Koaxialrohres 7 beträgt vorliegend 16 mm, die Wandstärke des Außenrohres 5 0,8 mm, die Wandstärke des Innenrohres 3 0,6 mm, die Rippenbreite 0,7 mm und der Innendurchmesser 11 mm. Es sind vierzehn Rippen 6, also auch vierzehn voneinander unterteilt ausgebildete Außenkanäle vorgesehen, welche auf Grund der einander entsprechenden Breite der einzelnen Rippen 6 in äquidistanten Abständen um das Innenrohr 3 verteilt sind. Die freien Querschnittsfläche des Innenrohres 3 beträgt ca. 95 mm², die Summe der freien Querschnittsflächen der Außenkanäle beträgt ca. 35 mm², ist also etwa 60% kleiner als die des Innenrohres 3.
Im Innenraum des Innenrohres 3 ist ein Turbulenzerzeuger 11 in Form einer Wendel (Rundrohrwendel) vorgesehen, welche sich im Koaxialrohr angeordnet auch mit demselben verbiegen lässt. Die Ganghöhe der Wendel entspricht vorliegend etwa dem doppelten Innendurchmesser des Innenrohres 3, also etwa 22 mm, und ist über die gesamte Koaxialrohrlänge konstant. Die Wendel lenkt das im Innenrohr strömende Kältemittel um, so dass sich keine laminare Strömung im Wandbereich ausbildet und dadurch eine verbesserte Vermischung und ein verbesserter Wärmeaustausch ergibt.
Um das kühlende und das zu kühlende Medium in das Koaxialrohr 7 einzuleiten, sind an beiden Enden des Koaxialrohres 7 Anschlussbauteile 8 (siehe Fig. 2) vorgesehen, über welche die Medien, welche durch den inneren Bereich 2 bzw. den äußeren Bereich 4 vorliegend im Gegenstrombetrieb strömen, getrennt voneinander zu- bzw. abgeleitet werden.
Am einstückig extrudierten Koaxialrohr 7 liegt am Außenrohr 5 (Hochdruckseite) ein höherer Druck an als am Innenrohr 3 (Niederdruckseite). Der Betriebsdruck auf Niederdruckseite beträgt gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ca. 130 bar, der entsprechende Berstdruck 264 bar, und der Betriebsdruck auf Hochdruckseite beträgt ca. 160 bar, der entsprechende Berstdruck 352 bar. Die genannten Druckwerte beziehen sich insbesondere auf die Verwendung von CO₂ (R744) als Kältemittel.
Dadurch, dass die Niederdruckseite innen angeordnet ist, lässt sich eine verbesserte Anströmung des Niederdruckkäkemittels über das entsprechende Anschlussstück 8 realisieren, insbesondere ist, wie vorliegend in Fig. 3 dargestellt, eine umlenkungsfreie Anströmung des Niederdruckkältemittels in Richtung der Längsachse des Innenrohres vorgesehen, wodurch der Druckverlust verringert und dadurch die Kälteleistung verbessert werden kann. Die Anströmung des Hochdruckkältemittels erfolgt in radialer Richtung bezüglich der Längsachse des Koaxialrohres 1.
Fig. 7 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Koaxialrohres, wobei im Innenrohr 3 als Turbulenzerzeuger 11 sowohl vier gleichmäßig über den Umfang verteilte Innenrippen 21 mit einer Länge von etwa dem halben Radius und zwei senkrecht zueinander und auf Lücke zu den Innenrippen 21 angeordnete Stege 22 vorgesehen sind, welche den Innenraum in vier voneinander getrennte Bereiche unterteilen. Ansonsten entspricht das Koaxialrohr 7 dem des vierten Ausführungsbeispiels, jedoch ist eine entsprechende Ausgestaltung der Turbulenzerzeuger 11 auch auf die zuvor beschriebene Form möglich. Diese Einbauten im Innenrohr 3 vergrößern die Wärmeübergangsfläche und verbessern daher den Wärmeaustausch.
Gemäß einer ersten Variante des fünften Ausführungsbeispiels ist das Koaxialrohr gedreht extrudiert, d.h. die Rippen, Innenrippen und Stege verlaufen wendelartig, vorliegend mit konstanter Steigung.
Gemäß einer zweiten Variante des fünften Ausführungsbeispiels ist das Koaxialrohr wiederum gedreht extrudiert, jedoch verändert mit sich ändernder Drehgeschwindigkeit, so dass sich die Steigung der Rippen, Innenrippen und Stege über die Länge des Koaxialrohres verändert.
Entsprechend einer weiteren Variante des fünften Ausführungsbeispiels sind an Stelle von den in radialer Richtung verlaufenden Stegen zwei Sehnen einander gegenüberliegend im Innenrohr des Koaxialrohres vorgesehen.
Ein nicht in der Zeichnung dargestelltes sechstes Ausführungsbeispiel sieht eine Rohr-in-Rohr-Anordnung als Koaxialrohr vor, wobei das Außenrohr Rippen und das Innenrohr als Turbulenzerzeuger Innenrippen und Stege aufweist, und das Außenrohr am Ende der Rippen mit dem Innenrohr verlötet ist, wodurch sich eine Ausgestaltung entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel ergibt.
Eine erste Variante des sechsten Ausführungsbeispiels sieht vor, dass die beiden Rohre in unterschiedliche Richtungen gedreht extrudiert sind, d.h. dass die Strömungsverläufe der im Inneren strömenden Kältemittel zum Einen im Gegenstrombetrieb und zum Anderen auch in unterschiedlichen Richtungen gedreht sind, wodurch der Wärmeaustausch verbessert wird.
Gemäß einer zweiten Variante weisen die Verdrehungen der beiden Rohre gegeneinander sich über die Länge ändernde Steigungen auf, so dass bspw. im Einströmbereich eine kleinere Steigung und im Ausströmbereich eine größere Steigung vorgesehen werden kann.

Claims

Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung für die getrennte Leitung mindestens zweier Medien, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Koaxialrohr (7) oder der Rohr-in-Rohr-Anordnung mindestens ein und in einer Querschnittsfläche vorzugsweise maximal sechzehn Turbulenzerzeuger (11) vorgesehen sind, der bzw. die im inneren Bereich (2) des Innenrohres (3) angeordnet sind.
Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Querschnittsfläche maximal zwölf Turbulenzerzeuger (11) vorgesehen sind.
Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbulenzerzeuger (11) durch eine in Längsrichtung des Koaxialrohres (1) bzw. der Rohr-in-Rohr-Anordnung verlaufende Wendel gebildet ist.
Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Turbulenzerzeuger (11) mindestens eine, insbesondere mindestens vier und maximal zwölf Innenrippen (21) im Innen rohr (3) vorgesehen sind.
Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenrippen (21) eine Rippendicke von 0,1 bis 0,2 mm aufweisen.
Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenrippen (21) eine Rippenhöhe von 0,5 bis 1,5 mm bei einem Innendurchmesser des Innenrohres (3) von 4 bis 8 mm aufweisen.
Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenrippen (21) sich in radialer Richtung erstreckend ausgebildet sind.
Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenrippen (21) in äquidistanten Abständen verteilt über den Innenumfang des Innenrohres (3) angeordnet sind.
Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Turbulenzerzeuger (11) mindestens ein, insbesondere zwei oder drei Stege (22) im Innenrohr (3) vorgesehen sind.
Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Steg (22) sich in radialer Richtung erstreckend ausgebildet ist.
Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Steg (22) eine Stegdicke von 0,2 bis 0,6 mm aufweist.
Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Turbulenzerzeuger (11) und/oder mindestens eine der Rippen (7) zwischen Innen- und Außenrohr (3 und 5) schräg bezüglich der Rohrlängsachse angeordnet ist.
Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Turbulenzerzeuger (11) und/oder mindestens eine der Rippen (7) zwischen Innen- und Außenrohr (3 und 5) derart schräg bezüglich der Rohrlängsachse mit einer derartigen Steigung ausgebildet ist, dass eine 360°-Drehung über eine Rohrlänge von 15 bis 40 mm, insbesondere von 20 bis 30 mm, erfolgt.
Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge mindestens einer der Turbulenzerzeuger (11) und/oder mindestens eine der Innenrippen (21) und/oder mindestens einer der Stege (22) und/oder mindestens eine der Rippen (7) zwischen Innen- und Außenrohr (3 und 5) dem 0,3-fachen bis 0,5-fachen, vorzugsweise dem 0,4-fachen der Rohrlänge entspricht.
Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruckseite in radialer Richtung näher der Mittellängsachse als die Hochdruckseite angeordnet ist.
Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Strömungsquerschnitt der Hochdruckseite insgesamt kleiner ist als der freie Strömungsquerschnitt der Niederdruckseite.
Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Strömungsquerschnitt der Hochdruckseite insgesamt maximal halb so groß und minimal ein Viertel so groß ist, insbesondere ein Drittel +/- 10% so groß ist, wie der freie Strömungsquerschnitt der Niederdruckseite.
Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser des Außenrohres 10 bis 20 mm, insbesondere 12 bis 18 mm, beträgt.
Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser des Innenrohres 3 bis 10 mm, insbesondere 4 bis 8 mm, beträgt.
Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite von Rippen (7) oder Stegen zwischen dem Innen- und Außenrohr (3 und 5) 0,3 bis 1,1 mm, insbesondere 0,5 bis 1,0 mm, beträgt.
Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmöffnungen der beiden Medien auf unterschiedlichen Seiten des Koaxialrohres oder der Rohr-in-Rohr-Anordnung angeordnet sind.
Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr in mindestens sechs, insbesondere in mindestens acht zwölf Teilkanäle und maximal in zwanzig, vorzugsweise in maximal sechzehn Teilkanäle unterteilt ist.
Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke der Außenwand größer als oder gleich groß wie die Wandstärke der Wand zwischen Außenrohr und Innenrohr ist.
Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Rippen oder Stege, welche die einzelnen Teilkanäle des Außenrohres unterteilen, kleiner oder gleich der Wandstärke der Wand des Außenrohres ist.
Wärmetauscher in Koaxialrohrbauweise, gekennzeichnet durch mindestens ein Koaxialrohr oder eine Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 24.
Wärmetauscher nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Anschlussstück (8) zur Einleitung mindestens eines Mediums vorgesehen ist, welches eine Einleitung des Mediums in koaxialer Richtung zum Koaxialrohr (1) bzw. zur Rohr-in-Rohr-Anordnung vorsieht.
Klimaanlage, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch mindestens ein Koaxialrohr oder eine Rohr-in-Rohr-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 24.
Verwendung eines Koaxialrohrs oder einer Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, eines Wärmetauschers nach Anspruch 25 oder 26 bzw. einer Klimaanlage nach Anspruch 27, wobei zumindest eins der Medien ein Kältemittel ist, insbesondere R744 und/oder R134a.
Verwendung eines Koaxialrohrs oder einer Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 24 oder 28 bzw. eines Wärmetauschers nach Anspruch 25 oder 26 in einem Kältemittelkreislauf, insbesondere als innerer Wärmetauscher.