EP3009780B1 - Wärmeübertrager - Google Patents

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EP3009780B1
EP3009780B1 EP15190213.7A EP15190213A EP3009780B1 EP 3009780 B1 EP3009780 B1 EP 3009780B1 EP 15190213 A EP15190213 A EP 15190213A EP 3009780 B1 EP3009780 B1 EP 3009780B1
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EP
European Patent Office
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refrigerant
heat exchanger
channels
coolant
flow path
Prior art date
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EP15190213.7A
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French (fr)
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EP3009780A1 (de
EP3009780B2 (de
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Sarah Gorzellik
Matthias Seitz
Herbert Hofmann
Gottfried DÜRR
Arthur Bauer
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Mahle International GmbH
Original Assignee
Mahle International GmbH
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Publication of EP3009780B1 publication Critical patent/EP3009780B1/de
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    • F28F2250/10—Particular pattern of flow of the heat exchange media
    • F28F2250/106—Particular pattern of flow of the heat exchange media with cross flow

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger for cooling a heat source of a motor vehicle with coolant channels and refrigerant channels according to the preamble of claim 1.
  • a generic heat exchanger for cooling a heat source of a motor vehicle comprising a plurality of refrigerant channels and a plurality of coolant channels.
  • the coolant passages are formed by clearances provided between the refrigerant passages, wherein heat transferring surfaces are provided between a refrigerant guided in the refrigerant passages and a coolant guided in the coolant passages.
  • the refrigerant channels In the area of the heat transfer surfaces, the refrigerant channels have a refrigerant-carrying volume which is larger by a factor between 4 and 6 than the coolant-carrying volume of the coolant channels in the region of the heat transfer surfaces. This is to achieve a so-called chiller with a compact design and a high heat exchange efficiency.
  • a heat exchanger for a motor vehicle which can be traversed by refrigerant.
  • the flowing into the heat exchanger refrigerant flow is thereby divided by a valve device to at least two separate strands such that there is no mutual mixing of each inflowing refrigerant partial flow. This is to a uniform temperature distribution can be ensured.
  • JP-A-2000356488 and DE-A-102004024825 disclose a heat exchanger according to the preamble of claim 1.
  • the present invention therefore deals with the problem of providing a heat exchanger of the generic type an improved or at least one alternative embodiment, which in particular allows efficient cooling with low weight and low cost of the heat exchanger , This problem is solved according to the invention by the subject matter of independent claim 1.
  • Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
  • the present invention is based on the general idea of combining the advantages of an indirect evaporator (chiller) with the advantages of CO 2 as the refrigerant and thereby to be able to provide a compact, high-efficiency and, on the other hand, inexpensive heat exchanger, in particular for battery cooling.
  • the heat exchanger according to the invention thus serves for cooling a heat source, such as a high-voltage battery or an electronic component, in a motor vehicle and has in a known manner coolant channels and refrigerant channels.
  • the individual refrigerant channels in a flat tube together with the adjoining refrigerant channels of the other flat tubes form a refrigerant flow path.
  • the coolant channels, which lined up a coolant flow path are also for the coolant flows around the flat tubes.
  • refrigerant now carbon dioxide (CO 2 ) is used, wherein the refrigerant flow on the one hand at least once is deflected U-shaped and the refrigerant channels also have a ratio between their wall thickness and their free diameter (inner diameter) of at least 0.4. Due to the at least unique U-shaped deflection, both the run length and the flow velocity can be increased and thus the heat transfer rate can be increased. Due to the comparatively high pressure and the associated small volume flows, the deflection on the refrigerant side is preferable, it being understood that a U-shaped deflection of the coolant flow path can be provided.
  • CO 2 carbon dioxide
  • a U-shaped flow path can be understood to mean a flow path that runs first in one direction and then after a 180 ° turn in the reverse direction, so that the refrigerant flows in opposite directions in the two flow path sections.
  • the refrigerant channels are positioned parallel to each other in so-called flat tubes, so that such a flat tube comprises a plurality of mutually parallel refrigerant channels. Between the individual flat tubes are the coolant channels, so that an outer wall of a respective flat tube simultaneously forms a wall of a coolant channel.
  • the refrigerant channels may be heat transfer elements, such as turbulence inserts or corrugated fins, which improve heat transfer.
  • heat transfer elements such as turbulence inserts or corrugated fins, which improve heat transfer.
  • the refrigerant channels themselves wear-resistant over the long term against the comparatively high pressure, they are dimensioned such that the ratio of their wall thickness to the free diameter or the channel width is at least 0.4.
  • a further requirement for the refrigerant channels according to the invention is that a web present between two refrigerant passages of a flat tube has a width which is at least 40% of the channel width, ie, the diameter of the refrigerant channel, preferably even 70 or even 100% of the (inner) diameter of the refrigerant channel.
  • the refrigerant channels and the coolant channels are arranged in sections, that is to say locally, in cross flow and in the entirety, that is to say globally, in countercurrent.
  • a particularly favorable embodiment from the thermodynamic point of view arises when both the refrigerant flow path and the coolant flow path are deflected the same and thus a countercurrent or cross flow can be maintained over all paths. Since it is to be expected in a chiller in normal operation with an overheating of the refrigerant of about 5 Kelvin, it is advantageous if in particular the last section before the refrigerant discharge is in countercurrent.
  • the countercurrent principle is used here because in the last flow often the refrigerant is already evaporated and only further heated, that is superheated.
  • a hydraulic diameter of the refrigerant channels is between 0.3 and 1.0 mm.
  • the hydraulic diameter is a calculated value which is used to calculate pressure loss and throughput in pipes and channels, provided that the cross section of the pipe or of the channel deviates from the circular shape.
  • the hydraulic diameter is thus to be determined in particular for refrigerant channels whose cross-section is, for example, square with rounded corners or elliptical.
  • the hydraulic diameter is for such channels thus the diameter of that circular channel, which would have the same pressure loss as the given channel at the same length and the same average flow rate.
  • the inner walls of the refrigerant channels are smooth, whereas the inner walls of the coolant channels are structured, ie in particular rough, in order to be able to achieve improved heat transfer.
  • the improved heat transfer is generated by the larger surface.
  • the edges of the component lead to a flow separation and thus to increased turbulence. Due to the high pressure load and the requirements on the internal cleanliness, however, a structured inside of the refrigerant channel does not make sense. In order to rule out any impairment of the circulation, purity requirements for all media-carrying parts exist for the components installed in the circuit.
  • particles are only tolerated up to a certain amount and consistency.
  • structurings on the inside make sense (for example if the flow channels have not round but star-shaped cross-sections.
  • heat transfer elements in particular turbulence inserts or corrugated fins, are arranged in the coolant channels. Such heat transfer elements increase the surface area available for heat transfer and thereby enable improved heat exchange.
  • FIGS. 1 and 4 to 8 has a heat exchanger 1 according to the invention for cooling a heat source of a motor vehicle, in particular for cooling a heat pump or a high-voltage battery or an electronic component, coolant channels 2 and 3 refrigerant channels.
  • carbon dioxide (CO 2 ) is used as the refrigerant in all heat exchangers 1 and, moreover, a refrigerant flow path 7 is deflected at least once in a U-shaped manner. Due to the at least unique U-shaped deflection of at least the refrigerant flow path 7, the efficiency and also the performance of the heat exchanger 1 according to the invention can be significantly increased.
  • the refrigerant channels 3 have a ratio between their wall thickness w and their diameter d of at least 0.4 (cf. FIGS. 2 and 3 ). Due to the high pressure in the refrigerant channels 3 and the associated small volume flows, a deflection on the refrigerant side is preferable.
  • the individual refrigerant channels 3 are arranged parallel to each other in flat tubes 4, wherein a web 5 present between two refrigerant channels 3 has a width b which is at least 40% of the diameter of the refrigerant channel 3, preferably even 70 or 100% of the diameter of the refrigerant channel 3 (again the FIGS. 2 and 3 ).
  • Such thick webs 5 ensure the required tensile strength.
  • the individual refrigerant channels 3 are connected evenly or progressively. In this case, progressive means that the flow cross-sectional area of the refrigerant side increases from one flow path to the next. As a result, the increasing volume of the refrigerant flow during evaporation is taken into account. This does not affect the geometric shape of the individual refrigerant channels 3 in the respective flat tube 4, but is set by the number of flat tubes 4 per flow path 6, 7.
  • the refrigerant channels 3 are preferably round or elliptical (see. FIG. 3 ), but may also have a square cross-section with rounded corners, as for example according to the FIG. 2 is shown.
  • both the refrigerant flow path 7 and the coolant flow path 6 are deflected, resulting in a particularly effective cooling.
  • the refrigerant and the coolant for example a water-glysantin mixture, are in both flow paths 6, 7 in the cross flow, as well as in the heat exchanger 1 according to Figures 4 and 5.
  • the heat exchanger 1 according to the FIG. 5 It works in cross-flow and is 2-flow, both refrigerant side and coolant side and each has a deflection of the coolant flow path 6 and the refrigerant flow path 7 in width.
  • the heat exchanger 1 according to the FIG. 4 is formed four-flow and has one compared to that according to the FIG. 5 Heat exchanger 1 shown a higher flow velocity through which the heat transfer is improved. Due to the 4-flood training also a better protection against overheating can be guaranteed.
  • the refrigerant channels 3 are taken in one or two collectors 8, in which a channel height h in relation to the material thickness w 1 (wall thickness of the collector 8) is a maximum of 3, better even less than 1.5.
  • a collector 8 is for example in the FIGS. 6 and 7 shown.
  • a hydraulic diameter d H of the refrigerant channels 3 between 0.3 and 1.0 mm.
  • a comparable hydraulic diameter d H for the coolant channels 2 is preferably between 0.5 and 2.0 mm.
  • an optimal ratio of pressure drop and heat transfer can be achieved on the coolant side.
  • a particularly advantageous ratio between the hydraulic diameter of the coolant channels 2 and the hydraulic diameter of the refrigerant channels 3 is greater than 1.0, preferably this ratio is between 1.5 and 3.
  • On the refrigerant side usually a two-phase mixture is heated, which usually too significantly worse heat transfer coefficient on the refrigerant side than on the coolant side leads.
  • heat transfer elements 9 for example turbulence inserts or corrugated fins, which increase the surface available for heat exchange, are arranged in the coolant channels 2.
  • the heat transfer available surface can be structured, which in turn increases the surface. Due to the high pressure load and the requirement for internal cleanliness, a structured surface for the refrigerant side, i. H. Concrete for the inner circumferential surface of the refrigerant channels 3, however, not suitable.
  • the refrigerant flow path 7 at least once deflected in a U-shape and indeed in width, wherein the coolant flow path 6 can be deflected in corresponding coolant headers 10.
  • the coolant flow path 6 and the refrigerant flow path 7 run in countercurrent.
  • Fig. 8 is a trained as R744 evaporator heat exchanger 1 shown with an upstream expansion element 11.
  • the expansion element 11 can be designed, for example, as an electronic expansion valve (EXV).
  • EXV electronic expansion valve
  • This expansion element 11 was typically grown on conventional R134a evaporators.
  • EXV electronic expansion valve
  • the expansion element 11 is installed in assembly with the evaporator, there are cost advantages, advantages in handling and possibly advantages in the interfaces.
  • the term "unit” is to be understood that the expansion element 11 (in particular TXV) is mechanically (possibly even cohesively) connected to the evaporator / chiller.
  • Such an assembly could, for example, by an integration of the valve housing in the evaporator / chiller flange (+ possibly a Mitlöten) take place.
  • the heat exchanger 1 according to the invention can be a high performance, ie achieve high efficiency of the heat exchanger 1, with low space requirements and favorable connection situation, especially if a connection arranged both for the coolant flow path 6 and the refrigerant flow path 7 on the same side of the heat exchanger 1 are.
  • a high pressure resistance can be ensured by the refrigerant channels 3 designed according to the invention, which enables the use of CO 2 as the refrigerant.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager zur Kühlung einer Wärmequelle eines Kraftfahrzeugs mit Kühlmittelkanälen und Kältemittelkanälen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Aus der DE 10 2011 107 281 A1 ist ein gattungsgemäßer Wärmeübertrager zur Kühlung einer Wärmequelle eines Kraftfahrzeugs bekannt, umfassend eine Mehrzahl von Kältemittelkanälen sowie eine Mehrzahl von Kühlmittelkanälen. Die Kühlmittelkanäle sind durch zwischen den Kältemittelkanälen vorgesehenen Freiräumen gebildet, wobei wärmeübertragende Flächen zwischen einem in den Kältemittelkanälen geführten Kältemittel und einem in den Kühlmittelkanälen geführten Kühlmittel vorgesehen sind. Im Bereich der Wärmeübertragungsflächen weisen die Kältemittelkanäle ein kältemittelführendes Volumen auf, das um einen Faktor zwischen 4 und 6 größer ist, als das kühlmittelführende Volumen der Kühlmittelkanäle im Bereich der Wärmeübertragungsflächen. Hierdurch soll ein sogenannter Chiller mit einer kompakten Bauform und einer hohen Wärmetauscheffizienz erreicht werden.
  • Aus der DE 10 2005 020 499 A1 ist ein Wärmeübertrager für ein Kraftfahrzeug bekannt, der von Kältemittel durchströmbar ist. Der in den Wärmeübertrager einströmende Kältemittelstrom wird dabei durch eine Ventileinrichtung auf mindestens zwei voneinander getrennte Stränge derart aufgeteilt, dass es zu keiner gegenseitigen Durchmischung des jeweils einströmenden Kältemittelteilstroms kommt. Hierdurch soll eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung sichergestellt werden können.
  • Im stetig zunehmenden Segment der Hybrid- und Elektrofahrzeuge ist ein besonders effektives Temperaturmanagement von Hochvoltbatterien von zentraler Bedeutung für die Reichweitenverlängerung und den effizienten Einsatz der elektrischen Energie. Zur Kühlung der Batterien werden dabei sogenannte "Chiller" eingesetzt, die kompakt bauen. Um dabei die Kühlleistung erhöhen zu können, wird zunehmend auch CO2 als Kältemittel eingesetzt, wodurch jedoch die Systeme auf höhere Systemdrücke und Temperaturen ausgelegt werden müssen. Bisherige Plattenwärmeübertrager zur Kühlung eines Niedertemperaturkreislaufes sind hierzu nicht geeignet.
  • JP-A-2000356488 und DE-A-102004024825 offenbaren einen Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Wärmeübertrager der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere eine effiziente Kühlung bei gleichzeitig geringem Gewicht und geringen Kosten des Wärmeübertragers ermöglicht.
    Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
    Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Vorteile eines indirekten Verdampfers (Chillers) mit den Vorteilen von CO2 als Kältemittel zu kombinieren und dadurch einen einerseits kompakt bauenden, hocheffizienten und andererseits kostengünstigen Wärmeübertrager, insbesondere zur Batteriekühlung, bereitstellen zu können. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager dient somit zur Kühlung einer Wärmequelle, beispielsweise einer Hochvoltbatterie oder eines Elektronikbauteils, in einem Kraftfahrzeug und besitzt in bekannter Weise Kühlmittelkanäle und Kältemittelkanäle. Die einzelnen Kältemittelkanäle in einem Flachrohr bilden zusammen mit den sich daran anschließenden Kältemittelkanälen der anderen Flachrohre einen Kältemittelströmungsweg. In analoger Weise gilt dies auch für die Kühlmittelkanäle, die aneinander gereiht einen Kühlmittelströmungsweg bilden. Selbstverständlich strömt dabei das Kühlmittel um die Flachrohre. Als Kältemittel wird nun Kohlendioxid (CO2) eingesetzt, wobei der Kältemittelströmungsweg einerseits zumindest einmal U-förmig umgelenkt ist und die Kältemittelkanäle zudem ein Verhältnis zwischen ihrer Wandstärke und ihrem freien Durchmesser (Innendurchmesser) von mindestens 0,4 aufweisen. Durch die mindestens einmalige U-förmige Umlenkung können sowohl die Lauflänge als auch die Strömungsgeschwindigkeit erhöht und damit die Wärmeübertragungsrate gesteigert werden. Aufgrund des vergleichsweise hohen Drucks und den damit verbundenen kleinen Volumenströmen bietet sich die Umlenkung auf der Kältemittelseite bevorzugt an, wobei selbstverständlich auch eine U-förmige Umlenkung des Kühlmittelströmungsweges vorgesehen werden kann. Unter einem U-förmigen Strömungsweg kann dabei ein Strömungsweg verstanden werden, der zuerst in die eine Richtung und anschließend nach einer 180°-Wende in die umgekehrte Richtung verläuft, so dass in den beiden Strömungswegabschnitten das Kältemittel in entgegengesetzte Richtungen strömt. Selbstverständlich ist dabei auch eine mehrmalige Umkehr bzw. Umlenkung möglich. Die Kältemittelkanäle sind dabei parallel zueinander in sogenannten Flachrohren positioniert, so dass ein derartiges Flachrohr mehrere parallel zueinander verlaufende Kältemittelkanäle umfasst. Zwischen den einzelnen Flachrohren befinden sich die Kühlmittelkanäle, so dass eine Außenwand eines jeweiligen Flachrohrs gleichzeitig auch eine Wandung eines Kühlmittelkanals bildet. Zwischen den einzelnen Flachrohren, d. h. in den Kühlmittelkanälen, können sich Wärmeübertragerelemente, wie beispielsweise Turbulenzeinlagen oder Wellrippen befinden, welche die Wärmeübertragung verbessern. Um die Kältemittelkanäle selbst langfristig verschleißbeständig gegen den vergleichsweise hohen Druck ausbilden zu können, werden diese derart bemessen, dass das Verhältnis deren Wandstärke zum freien Durchmesser bzw. der Kanalbreite mindestens 0,4 beträgt. Eine weitere Anforderung für die erfindungsgemäßen Kältemittelkanäle ist, dass ein zwischen zwei Kältemittelkanälen eines Flachrohrs vorhandener Steg eine Breite aufweist, die zumindest 40% der Kanalbreite, d. h. des Durchmessers des Kältemittelkanals, vorzugsweise sogar 70 oder sogar 100% des (Innen-)Durchmessers des Kältemittelkanals beträgt. Durch derart massive Stege ist es problemlos möglich, die in den Kältemittelkanälen auftretenden Drücke auch langfristig aufnehmen zu können. Mit einem derart ausgebildeten Wärmeübertrager kann somit nicht nur ein kompakt bauender Wärmeübertrager mit vergleichsweise hoher Wärmeübertragungsrate erreicht werden, sondern dieser lässt sich darüber hinaus auch vergleichsweise kostengünstig herstellen, was insbesondere im Hinblick auf einen Wettbewerb im Automobilzulieferungssektor von großem Vorteil ist.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind die Kältemittelkanäle und die Kühlmittelkanäle abschnittsweise, das heißt lokal, im Kreuzstrom und in der Gesamtheit, das heißt global, im Gegenstrom angeordnet. Eine aus thermodynamischer Sicht besonders günstige Ausführung ergibt sich dabei, wenn sowohl der Kältemittelströmungsweg als auch der Kühlmittelströmungsweg gleich umgelenkt werden und somit ein Gegenstrom bzw. Kreuzstrom über alle Wege aufrechterhalten werden kann. Da bei einem Chiller im Normalbetrieb mit einer Überhitzung des Kältemittels von ca. 5 Kelvin zu rechnen ist, ist es vorteilhaft, wenn sich insbesondere der letzte Abschnitt vor dem Kältemittelaustritt im Gegenstrom befindet. Das Gegenstromprinzip wird hier angewandt, weil im letzten Strömungsweg häufig das Kältemittel bereits verdampft ist und nur noch weiter aufgeheizt, d.h. überhitzt wird. Während bei der Verdampfung keine Temperaturänderung stattfindet, erwärmt sich das Kältemittel im überhitzten Bereich. Hier kommt somit der Stromführung eine besondere Bedeutung. Sinnvolle Varianten ergeben sich dadurch insbesondere, wenn sowohl die Kältemittelseite als auch die Kühlmittelseite umgelenkt werden und sich sowohl das Kühlmittel als auch das Kältemittel in dem jeweiligen Strömungsweg im Gegenstrom befindet. Hierbei ist eine 2-, 4- oder 6-flutige Stromführung denkbar. Werden sowohl die Kühlmittelseite als auch die Kältemittelseite umgelenkt, können sich auch beide Strömungswege im Kreuzstrom befinden, wobei es hier dann besonders sinnvoll ist, den Kältemittelaustritt und den Kühlmitteleintritt in den gleichen Abschnitt zu legen und dadurch global gesehen eine Gegenstromcharakteristik auszubilden. Auch hier kann die Kältemittelseite 4- oder 6-flutig ausgebildet sein.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung beträgt ein hydraulischer Durchmesser der Kältemittelkanäle zwischen 0,3 und 1,0 mm. Der hydraulische Durchmesser ist dabei eine rechnerische Größe, die zur Berechnung von Druckverlust und Durchsatz in Rohren und Kanälen herangezogen wird, sofern der Querschnitt des Rohres bzw. des Kanals von der Kreisform abweicht. Der hydraulische Durchmesser ist somit insbesondere für Kältemittelkanäle zu bestimmen, deren Querschnitt beispielsweise quadratisch mit abgerundeten Ecken oder elliptisch ist. Der hydraulische Durchmesser gibt für derartige Kanäle somit den Durchmesser desjenigen kreisrunden Kanals an, der bei gleicher Länge und gleicher mittlerer Strömungsgeschwindigkeit den gleichen Druckverlust wie der gegebene Kanal aufweisen würde. Mit dem empirisch herausgefundenen hydraulischen Durchmesser zwischen 0,3 mm und 1,0 mm kann sowohl eine optimale Druckbeständigkeit als auch ein optimaler Wärmeübergang erreicht werden. Besonders vorteilhaft hierbei sind selbstverständlich runde bzw. elliptische Kanäle.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung sind die Innenwände der Kältemittelkanäle glatt, wohingegen die Innenwände der Kühlmittelkanäle strukturiert, d. h. insbesondere rau, sind, um eine verbesserte Wärmeübertragung erzielen zu können. Die verbesserte Wärmeübertragung wird dabei durch die größere Oberfläche erzeugt. Zudem führen die Kanten des Bauteiles zu einer Strömungsablösung und damit zu einer erhöhten Turbulenz. Aufgrund der hohen Druckbelastung sowie der Anforderungen an die Innenreinheit ist eine strukturierte Innenseite des Kältemittelkanals hingegen nicht sinnvoll. Um generell eine Beeinträchtigung des Kreislaufes auszuschließen, existieren für die im Kreislauf verbauten Komponenten Reinheitsanforderungen für alle Medien führenden Teile.
  • Beispielsweise werden Partikeln (Flitter, Späne etc.) nur bis zu einer bestimmten Menge und Beschaffenheit toleriert. Hierfür machen Strukturierungen auf der Innenseite Sinn (z.B. wenn die Strömungskanäle nicht runde, sondern sternförmige Querschnitte haben.
  • Zweckmäßig sind in den Kühlmittelkanälen Wärmeübertragerelemente, insbesondere Turbulenzeinlagen oder Wellrippen angeordnet. Derartige Wärmeübertragerelemente vergrößern die zur Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Oberfläche und ermöglichen dadurch einen verbesserten Wärmetausch.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
  • Es zeigen, jeweils schematisch,
    • Fig. 1
    einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager mit umgelenkten Kältemittel- und Kühlmittelkanälen,
    Fig. 2
    eine Schnittdarstellung durch ein Flachrohr mit erfindungsgemäß ausgebildeten Kältemittelkanälen,
    Fig. 3
    eine Darstellung wie in Figur 2, jedoch mit anderen Kältemittelkanälen,
    Fig. 4
    einen erfindungsgemäßen 4-flutigen Wärmeübertrager im Kreuzstrom und zusätzlicher Umlenkung in der Tiefe,
    Fig. 5
    einen 2-flutigen Wärmeübertrager im Kreuzstrom sowohl kühlmittelseitig als auch kältemittelseitig und Umlenkung in der Breite,
    Fig. 6
    einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager im Gegenstrom einer kältemittelseitigen Umlenkung in der Breite,
    Fig. 7
    einen Wärmeübertrager im Gegenstrom mit kühl- und kältemittelseitiger Umlenkung,
    Fig. 8
    einen als Verdampfer ausgebildeten Wärmeübertrager mit vorgeschaltetem Expansionsorgan.
  • Entsprechend den Figuren 1 sowie 4 bis 8, weist ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager 1 zur Kühlung einer Wärmequelle eines Kraftfahrzeuges, insbesondere zur Kühlung einer Wärmepumpe oder einer Hochvoltbatterie oder eines elektronischen Bauteils, Kühlmittelkanäle 2 sowie Kältemittelkanäle 3 auf. Erfindungsgemäß ist bei sämtlichen Wärmeübertragern 1 Kohlendioxid (CO2) als Kältemittel eingesetzt und zudem ist ein Kältemittelströmungsweg 7 zumindest einmal U-förmig umgelenkt. Durch die zumindest einmalige U-förmige Umlenkung zumindest des Kältemittelströmungsweges 7 kann die Effizienz und auch die Leistung des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 deutlich erhöht werden. Da CO2 als Kältemittel verwendet wird und hierbei vergleichsweise hohe Drücke auftreten, weisen die Kältemittelkanäle 3 zudem erfindungsgemäß ein Verhältnis zwischen ihrer Wandstärke w und ihrem Durchmesser d von mindestens 0,4 auf (vgl. insbesondere auch die Figuren 2 und 3). Aufgrund des hohen Drucks in den Kältemittelkanälen 3 und den damit verbundenen kleinen Volumenströmen bietet sich eine Umlenkung auf der Kältemittelseite bevorzugt an.
  • Die einzelnen Kältemittelkanäle 3 sind dabei in Flachrohren 4 parallel zueinander verlaufend angeordnet, wobei ein zwischen zwei Kältemittelkanälen 3 vorhandener Steg 5 eine Breite b aufweist, die zumindest 40% des Durchmessers des Kältemittelkanals 3, vorzugsweise sogar 70 oder 100% des Durchmessers des Kältemittelkanals 3 beträgt (vgl. wiederum die Figuren 2 und 3). Derart dicke Stege 5 gewährleisten die erforderliche Zugfestigkeit. Selbstverständlich ist dabei denkbar, dass die einzelnen Kältemittelkanäle 3 gleichmäßig oder progressiv verschaltet sind. Progressiv bedeutet dabei, dass die Strömungsquerschnittsfläche der Kältemittelseite von einem Strömungsweg zum nächsten zunimmt. Dadurch wird dem bei der Verdampfung zunehmenden Volumen der Kältemittelströmung Rechnung getragen. Dies betrifft nicht die geometrische Form der einzelnen Kältemittelkanäle 3 in dem jeweiligen Flachrohr 4, sondern wird durch die Anzahl der Flachrohre 4 pro Strömungsweg 6, 7 eingestellt.
  • Um die erforderliche hohe Druckfestigkeit an sich gewährleisten zu können, sind die Kältemittelkanäle 3 vorzugsweise rund oder elliptisch ausgebildet (vgl. Figur 3), können aber auch einen quadratischen Querschnitt mit ausgerundeten Ecken aufweisen, wie dies beispielsweise gemäß der Figur 2 dargestellt ist.
  • Betrachtet man den Wärmeübertrager 1 gemäß der Figur 1, so kann man erkennen, dass dieser im Kreuzstrom arbeitet, so dass ein Kühlmittelströmungsweg 6 im Wesentlichen orthogonal zum Kältemittelströmungsweg 7 strömt. Selbstverständlich ist alternativ auch die Ausführung als Gegenstromkühler denkbar. Da bei einem Wärmeübertrager 1 (Chiller) im Normalbetrieb mit einer Überhitzung des Kältemittels von ca. 5 Kelvin zu rechnen ist, ist es darüber hinaus vorteilhaft, wenn sich insbesondere der letzte Abschnitt vor dem Kältemittelaustritt im Gegenstrom befindet.
  • Betrachtet man die einzelnen Strömungswege 6, 7 beim Wärmeübertrager 1 gemäß der Figur 1, so kann man erkennen, dass sowohl der Kältemittelströmungsweg 7 als auch der Kühlmittelströmungsweg 6 umgelenkt werden, wodurch sich eine besonders effektive Kühlung ergibt. Das Kältemittel und das Kühlmittel, beispielsweise ein Wasser-Glysantin-Gemisch, befinden sich in beiden Strömungswegen 6, 7 im Kreuzstrom, ebenso wie bei dem Wärmeübertrager 1 gemäß in Figuren 4 und 5. Hierbei ist es besonders sinnvoll, den Kältemittelaustritt und den Kühlmitteleintritt in den gleichen Abschnitt zu legen, wobei selbstverständlich die Kältemittelseite auch 4- oder 6-flutig ausgeführt sein kann.
  • Der Wärmeübertrager 1 gemäß der Figur 5 funktioniert dabei im Kreuzstrom und ist 2-flutig, sowohl kältemittelseitig als auch kühlmittelseitig und besitzt jeweils eine Umlenkung des Kühlmittelströmungsweges 6 und des Kältemittelströmungsweges 7 in der Breite. Der Wärmeübertrager 1 gemäß der Figur 4 ist 4-flutig ausgebildet und besitzt dabei eine im Vergleich zu dem gemäß der Figur 5 gezeigten Wärmeübertrager 1 eine höhere Strömungsgeschwindigkeit, durch welche der Wärmeübertrag verbessert wird. Durch die 4-flutige Ausbildung kann auch ein besserer Schutz gegen Überhitzung gewährleistet werden.
  • Prinzipiell sind die Kältemittelkanäle 3 in einem oder zwei Sammlern 8 gefasst, in welchen eine Kanalhöhe h im Verhältnis zur Materialstärke w1 (Wandstärke des Sammlers 8) maximal 3, besser sogar kleiner als 1,5 beträgt. Ein derartiger Sammler 8 ist beispielsweise in den Figuren 6 und 7 dargestellt.
  • Um einen ausreichenden Wärmeübergang sowie eine ausreichende Druckbeständigkeit gewährleisten zu können, liegt ein hydraulischer Durchmesser dH der Kältemittelkanäle 3 zwischen 0,3 und 1,0 mm. Ein vergleichbarer hydraulischer Durchmesser dH für die Kühlmittelkanäle 2 liegt vorzugsweise zwischen 0,5 und 2,0 mm. Hierdurch kann ein optimales Verhältnis von Druckabfall und Wärmeübertragung auf der Kühlmittelseite erreicht werden. Ein besonders vorteilhaftes Verhältnis zwischen dem hydraulischen Durchmesser der Kühlmittelkanäle 2 und dem hydraulischen Durchmesser der Kältemittelkanäle 3 ist größer als 1,0, vorzugsweise liegt dieses Verhältnis zwischen 1,5 und 3. Auf der Kältemittelseite wird üblicherweise ein Zweiphasengemisch erwärmt, das in der Regel zu deutlichen schlechteren Wärmeübergangskoeffizienten auf der Kältemittelseite als auf der Kühlmittelseite führt. Um das Kältemittel effizient erwärmen und damit das Kühlmittel effizient kühlen zu können, müssen hohe Wärmeübertragungsflächen und kleine hydraulische Durchmesser auf der Kältemittelseite realisiert werden. Auf der Kühlmittelseite hingegen liegt ein sehr guter Wärmeübergang vor, wobei auf der Kühlmittelseite jedoch ein niedrigerer Druckabfall anzustreben ist.
  • Um eine Wärmeübertragung zusätzlich verbessern zu können, sind in den Kühlmittelkanälen 2 Wärmeübertragerelemente 9, beispielsweise Turbulenzeinlagen oder Wellrippen angeordnet, die die zum Wärmetausch zur Verfügung stehende Oberfläche erhöhen. Selbstverständlich kann auch die dem Wärmeübertrag zur Verfügung stehende Oberfläche strukturiert ausgebildet sein, wodurch sich die Oberfläche wiederum vergrößert. Aufgrund der hohen Druckbelastung sowie der Anforderung an die Innenreinheit ist eine strukturierte Oberfläche für die Kältemittelseite, d. h. konkret für die Innenmantelfläche der Kältemittelkanäle 3 hingegen nicht geeignet.
  • Betrachtet man schließlich noch den Wärmeübertrager 1 gemäß der Figur 6, so ist auch hier der Kältemittelströmungsweg 7 zumindest einmal U-förmig umgelenkt und zwar in der Breite, wobei der Kühlmittelströmungsweg 6 in entsprechenden Kühlmittelsammlern 10 umgelenkt werden kann. Der Kühlmittelströmungsweg 6 und der Kältemittelströmungsweg 7 verlaufen hierbei im Gegenstrom.
  • Bei dem Wärmeübertrager 1 gemäß der Figur 7 erfolgt sowohl eine U-förmige Umlenkung des Kühlmittelströmungsweges 6 als auch eine U-förmige Umlenkung des Kältemittelströmungsweges 7, jeweils 2-flutig, wobei auch hier die Durchströmung im Gegenstrom. Da beim Gegenstrom Verluste von wärmeübertragender Fläche in Kauf genommen werden müssen, ist hier prinzipiell ein Kreuzstrom zu bevorzugen.
  • Beim Gegenstrom müssen in Strömungsrichtung müssen Verteilkanäle mit eingebracht werden, wogegen der Kreuzstrom konstruktiv einfacher ist, jedoch nicht besonders gut bezüglich Effizienz und Reaktion auf Überhitzung. Am besten ist für sehr kompakte Wärmeübertrager daher eine Kombination bei der zwar die einzelnen Abschnitte im Kreuzstrom betrieben werden, diese jedoch (zumindest anteilig) nach dem Gegenstromprinzip hintereinander angeordnet werden.
  • Gemäß der Fig. 8 ist ein als R744-Verdampfer ausgebildeter Wärmeübertrager 1 mit einem vorgeschalteten Expansionsorgan 11 gezeigt. Das Expansionsorgan 11 kann beispielsweise als elektronisches Expansionsventil (EXV) ausgebildet sein. Dieses Expansionsorgan 11 wurde bei herkömmlichen R134a-Verdampfern in der Regel an diesem angebaut. Für R744 und auch für Bauteile mit elektronischem Expansionsventil (EXV) werden diese jedoch meistens getrennt vom Wärmeübertrager 1 in den Kreislauf eingebunden. Wird das Expansionsorgan 11 in Baueinheit mit dem Verdampfer verbaut, ergeben sich Kostenvorteile, Vorteile beim Handling und ggf. Vorteile bei den Schnittstellen. Unter dem Begriff "Baueinheit" ist dabei zu verstehen, dass das Expansionsorgan 11 (insbesondere TXV) mechanisch (ggf. sogar stoffschlüssig) mit dem Verdampfer/Chiller verbunden ist. Eine solche Baueinheit könnte z.B. durch eine Integration des Ventilgehäuses in den Verdampfer/Chiller-Flansch (+ggf. ein Mitlöten) erfolgen.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 1 lässt sich eine hohe Leistung, d. h. eine hohe Effizienz des Wärmeübertragers 1 erreichen, bei geringem Bauraumbedarf und günstiger Anschlusssituation, insbesondere sofern ein Anschluss sowohl für den Kühlmittelströmungsweg 6 als auch für den Kältemittelströmungsweg 7 auf der gleichen Seite des Wärmeübertragers 1 angeordnet sind. Durch die erfindungsgemäß ausgebildeten Kältemittelkanäle 3 kann darüber hinaus eine hohe Druckbeständigkeit gewährleistet werden, welche den Einsatz von CO2 als Kältemittel ermöglicht.

Claims (10)

  1. Wärmeübertrager (1) zur Kühlung einer Wärmequelle eines Kraftfahrzeugs mit einen Kühlmittelströmungsweg (6) bildenden Kühlmittelkanälen (2) und einen Kältemittelströmungsweg (7) bildenden Kältemittelkanälen (3), wobei
    - das Kältemittel CO2 ist,
    - der Kältemittelströmungsweg (7) zumindest einmal U-förmig umgelenkt ist,
    - die Kältemittelkanäle (3) ein Verhältnis zwischen ihrer Wandstärke (w) und ihrem Durchmesser (d) von mindestens 0,4 aufweisen,
    - ein zwischen zwei Kältemittelkanälen (3) vorhandener Steg (5) eine Breite b aufweist, die zumindest 40% des Durchmessers des Kältemittelkanals (3), vorzugsweise sogar 70%, besonders bevorzugt sogar 100% des Durchmessers des Kältemittelkanals (3) beträgt,
    - die Kältemittelkanäle (3) in einem Sammler (8) gefasst sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammler (8) Verteilkanäle aufweist, bei welchen gilt h/w1 < 3,0, insbesondere h/w1 < 1,5, wobei h die Höhe des Verteilkanals/Sammlers und w1 die Wandstärke des Sammlers sind.
  2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Kühlmittelströmungsweg (6) zumindest einmal U-förmig umgelenkt ist.
  3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kältemittelkanäle (3) einen quadratischen Querschnitt mit ausgerundeten Ecken aufweisen.
  4. Wärmeübertrager nach Anspruch1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kältemittelkanäle (3) rund oder elliptisch ausgebildet sind.
  5. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kältemittelkanäle (3) und die Kühlmittelkanäle (2) abschnittsweise im Kreuzstrom und in der Gesamtheit im Gegenstrom angeordnet sind.
  6. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    in den Kühlmittelkanälen (2) Wärmeübertragerelemente (9), insbesondere Turbulenzeinlagen oder Wellrippen, angeordnet sind.
  7. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - ein hydraulischer Durchmesser dh der Kältemittelkanäle (3) 0,3 mm < dh < 1,0 mm beträgt.
    - ein hydraulischer Durchmesser dh der Kühlmittelkanäle (2) 0,5 mm < dh < 2,0 mm beträgt.
  8. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein Kältemittelströmungsweg (7) progressiv ausgebildet ist.
  9. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Abstand zwischen zwei Kältemittelkanäle (3) fassenden Flachrohren (4) eine maximale Kühlmittelkanalhöhe von 3,5mm bildet.
  10. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 19
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Wärmeübertrager (1) als Verdampfer ausgeführt ist und in Baueinheit mit einem vorgeschalteten Expansionsorgan (11), insbesondere einem elektronischen Expansionsventil (EXV), ausgeführt wird.
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