WO1998050745A1 - Zweiflutiger und in luftrichtung einreihiger hartverlöteter flachrohrverdampfer für eine kraftfahrzeugklimaanlage - Google Patents

Zweiflutiger und in luftrichtung einreihiger hartverlöteter flachrohrverdampfer für eine kraftfahrzeugklimaanlage Download PDF

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WO1998050745A1
WO1998050745A1 PCT/EP1998/002634 EP9802634W WO9850745A1 WO 1998050745 A1 WO1998050745 A1 WO 1998050745A1 EP 9802634 W EP9802634 W EP 9802634W WO 9850745 A1 WO9850745 A1 WO 9850745A1
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flat tube
tube evaporator
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flat
tubes
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PCT/EP1998/002634
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Roland Haussmann
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Valeo Klimatechnik Gmbh & Co. Kg
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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
    • F28F9/026—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits
    • F28F9/027—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits in the form of distribution pipes
    • F28F9/0273—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits in the form of distribution pipes with multiple holes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/00321—Heat exchangers for air-conditioning devices
    • B60H1/00335—Heat exchangers for air-conditioning devices of the gas-air type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60H1/3204—Cooling devices using compression
    • B60H1/3227—Cooling devices using compression characterised by the arrangement or the type of heat exchanger, e.g. condenser, evaporator
    • 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
    • F28D1/05391—Assemblies of conduits connected to common headers, e.g. core type radiators with multiple rows of conduits or with multi-channel conduits combined with a particular flow pattern, e.g. multi-row multi-stage radiators

Definitions

  • the invention relates to a double-flow brazed flat tube evaporator made of aluminum or an aluminum alloy for a motor vehicle air conditioning system with the features of the preamble of claim 1.
  • a double-flow flat tube evaporator is known from DE-195 15 526 Cl in addition to other more than two-flow embodiments .
  • the depth of the evaporator is identical to the corresponding width dimension of the flat tube.
  • the width dimension of the flat tube can, however, also be somewhat smaller, in particular if one includes a corresponding front overhang of the ribbing by the zigzag lamellas.
  • the invention is based on the knowledge that this assumption is based on a prejudice.
  • the invention is based on the knowledge that even with otherwise constant parameters of known generic flat tube evaporators, a reduction in the overall depth is at least partially compensated for by increasing the efficiency of the distribution device. With a reduced overall depth, the refrigerant only needs to be distributed to a smaller number of chambers of the flat tubes per inlet chamber fed by the distribution channel on the inlet side.
  • the invention describes a way rather than the way of increasing the number of floods the double flow to obtain an optimization by reducing the depth.
  • the invention has for its object to increase the efficiency of a generic double-flow flat tube evaporator in a structurally particularly simple manner.
  • the structurally particularly simple design of the double-flow flat tube evaporator according to the invention can already be recognized from the fact that the increase in the relative efficiency enables a significant saving in installation depth, particularly in the small installation space of motor vehicles, without having to deteriorate the thermal output of the evaporator. This also saves building material in the direction of the building depth, and longitudinal transverse walls due to multiple flooding become unnecessary.
  • EP-A2-0 414 433 does not show, like the flat tube evaporator according to the invention, a single-row design in the air direction, which determines the structural depth, but an in Air direction double-row design (so-called duplex arrangement) also of an evaporator (column 6, lines 34-37) with two separate heat exchanger blocks also using flat tubes, which are arranged one behind the other in the air direction.
  • This arrangement is based on the concept that the heat output, in contrast to the invention, is obtained not by reducing but by increasing the installation depth. Even if the dimensions in the individual heat exchanger block of this duplex arrangement overlap with the combination of values according to the invention, the combination according to the invention cannot be excited in a flat tube evaporator with a single-row design.
  • DE-Al-30 20 424 relates generally to a heat exchanger constructed with flat tubes, which is developed under the conditions of an engine cooler of motor vehicles.
  • this prior publication assumes an engine cooler with a construction depth of 32 to 35 mm and, in another combination of values, reduces it to 23 mm and less. It is not possible to transfer these conditions of a heat exchanger such as a water cooler in motor vehicles to a flat tube evaporator in motor vehicles. This is already clear from the fact that the conventional flat tube evaporators have never known an installation depth smaller than 60 mm.
  • FIG. 1 shows a perspective and partially broken-open representation of an example of a double-flow flat tube evaporator, to which the dimensions of the invention relate;
  • FIG. 2 shows a plan view of the tube plate of the collector serving as a distributor from the interior thereof, specifically with reference to an inlet chamber in a group of flat tubes;
  • FIG. 3 shows a cross section through the block of the flat tubes of the evaporator according to FIG. 1 and FIG. 2, which is ribbed with zigzag ribs;
  • FIG. 6 shows a diagram with the overall depth B of the evaporator as the abscissa, the flow cross-sectional area F for the refrigerant as the ordinate and the space LH as the parameter curve family,
  • Fig. 7 is a diagram with the depth B as the abscissa, the heat exchanger efficiency ⁇ as the ordinate and Slat division T as a family of curves.
  • the flat tube evaporator shown in FIGS. 1 to 3 consists of all of its parts made of aluminum or an aluminum alloy and is brazed on its parts.
  • the flat tubes 2 each have parallel flat sides 4 of the same type and front ends 6, which have a streamlined profile here without restricting the generality, but can also be designed differently rounded or even angular or obtuse at right angles to the flat sides.
  • chambers 8 are partitioned by intermediate walls 10 as continuous channels.
  • the number of substantially equally sized chambers considered in the context of the invention is preferably between 5 and 15, depending on the actual structural depth.
  • the flat tubes 2 are ribbed with each other at a constant mutual distance LH as a block via sandwiched zigzag lamellae, which are preferably flush on the air inlet side with the relevant end faces 6 and, for better water drainage on the air outlet side, are preferably somewhat opposite the flat side 6 there according to the drawing in FIG 3 survive.
  • the overall depth B is specified as the distance between the two front fronts of the zigzag fins 12 in the inflow direction LR of the outside air, the upstream side, as mentioned, the front end being flush with the relevant end face 6 of the flat tubes or flush in the transverse direction of the inflow direction LR, while on the outflow side the end face protrudes beyond the adjacent end faces L of the flat tubes 2.
  • the mutual distance between adjacent flat sides 4 of a pair of adjacent flat tubes 2 is designated LH because it is identical to the so-called fin height of the respective zigzag fin.
  • Each flat tube 2 has a tube thickness d measured between its two opposite flat sides 4 and a wall thickness w between each chamber 8 and the outer one Flat side 4 of the relevant flat tube 2.
  • Each zigzag lamella 12 also has a pitch T, which describes the distance between adjacent, similar phases of the zigzag lamella, such as the distance between adjacent vertices on one side of the zigzag lamella in question.
  • the external action on the flat tubes 2 serving as heat exchange tubes of the evaporator is carried out by outside air in the motor vehicle according to the arrow LR (air direction) in FIGS. 1 and 3.
  • each flat tube 2 is double flow according to the reversing arrow UP in Fig. 1.
  • For the flow reversal at one end of the respective flat tubes in the block serve individual end caps 14 as shown in FIG. 1, but their function of a common deflection box or other flow deflection member can be taken over.
  • the refrigerant is fed into the evaporator in accordance with the inlet arrow Z in FIG. 1 through a connecting piece 16 on the end face of a header box 18 comprising a tube sheet 20 and a lid 22.
  • the ends of the flat tubes 2 facing away from the end caps 14 are in slots or outer and / and or inner collar of the tube sheet 20 so that they can communicate with the interior of the collector 18.
  • the inlet-side connecting piece 16 of the collector 18 merges into a distributor pipe 24 of a distributor, which is closed at its free end and has an outlet opening 26 on its circumference, each with an inlet chamber 28 of a group of more than one in the tube plate 20 inserted flat tube 2 communicates.
  • the number of flat tubes assigned to an inlet chamber can change depending on the distance of the respective outlet opening 26 as a function of the connecting piece 16, but this is not realized in FIG. 2, where two flat tubes each communicate with an inlet chamber 28 without restricting the generality. Practically comes in connection with According to the invention, in particular the number of only one flat tube 2 per entry chamber up to five flat tubes per entry chamber is in question, as mentioned both with a constant number and with adapted variability between the limits 1 and 5 mentioned.
  • the second flood of all flat tubes in the flow direction of the refrigerant communicates with a common outlet chamber 30 in the collector 18, which extends over its entire length and is separated from the individual inlet chambers 28 in terms of flow by a longitudinal partition wall 32 which also extends along the collector 18 in this.
  • the entry chambers 28, for their part, are at least largely or entirely separated from one another by transverse walls 34.
  • the transverse walls 34 extend at right angles from that side of the longitudinal partition wall 32 which faces away from the exit chamber 30.
  • the outlet chamber 30 communicates with an external flow outlet 36 of the refrigerant from the evaporator.
  • the flow outlet can also be designed as an outer connection connection according to the drawing in FIG. 1.
  • Flow entry and flow exit are of course also possible for any other possible design, including one in which the two exits are provided on opposite end faces of the collector 18.
  • the input-side and the output-side collecting devices are formed by separate collectors, so that the longitudinal transverse wall 32 is then omitted for each of these separate collectors.
  • the heat exchanger index (kx A A ) is plotted against the overall depth (B) of the flat tube evaporator.
  • the heat exchanger index is formed from the Product of the heat transfer coefficient (k) and the total outer air contact area (A A ) and has the unit watt / Kelvin.
  • the overall depth is plotted in millimeters.
  • Fig. 4 illustrates the surprising effect of the invention that with a suitable choice of the pipe thickness (d) and the space occupied by the lamella (LH), the heat exchanger index (kx A A ) can still be kept constant by halving the overall depth (B).
  • this performance equality is achieved with a halved overall depth (B), since the lack of inner and outer heat transfer surface due to an improved refrigerant distribution in the flat tubes of reduced overall depth (B) and due to significantly higher heat transfer coefficients is compensated on the inside as well as on the outside.
  • the construction depth is halved when the evaporator is used in motor vehicle air conditioning systems with considerable advantages in terms of installation space and weight.
  • the flow area (F) is also of crucial importance.
  • the internal heat transfer coefficient must be very high on the one hand, which is achieved by a high flow velocity and a small flow cross-section (F), and on the other hand the refrigerant-side pressure loss must not be too great due to an excessively high flow velocity, otherwise the effective temperature difference between the refrigerant and the incoming ambient air is reduced too much.
  • a flow area (F) of 400-600 mm 2 is required for the medium performance range of the motor vehicle air conditioning systems. This minimum flow area (F) can be effectively achieved by reducing the overall depth (B) according to FIG. 6 by increasing the number of tubes and thus by reducing the space (LH) occupied by the lamella.
  • Fig. 7 shows the influence of the fin division (T) on the heat exchanger efficiency ( ⁇ ), which is plotted as the ordinate over the structural depth (B) as the abscissa.
  • the influence of the lamella division is considerably greater at small depths than at the usual large depths of more than 60 mm.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen zweiflutigen und in Luftrichtung einreihigen hartverlöteten Flachrohrverdampfer aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung für eine Kraftfahrzeugklimaanlage, bei dem zulaufseitig ein Verteiler des Kältemittels auf die Eingänge einzelner Flachrohre (2) oder insbesondere Gruppen derselben vorgesehen ist und die Flachrohre stranggepreßte mehrkammerige Rohre sind, zwischen denen Zickzacklamellen (12) sandwichartig eingeschachtelt sind. Nach der Erfindung ist vorgesehen, daß die Bautiefe (B) des Verdampfers höchstens 50 mm beträgt.

Description

Zweiflutiger und in Luftrichtung einreihiger hartverlöteter Flachrohrverdampfer für eine Kraftfahrzeugklimaanlage
Die Erfindung bezieht sich auf einen zweiflutigen und in Luftrichtung einreihigen hartverlöteten Flachrohrverdampfer aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung für eine Kraftfahrzeugklimaanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Ein derartiger zweiflutiger Flachrohrverdampfer ist neben weiteren mehr als zweiflutigen Ausführungsformen aus der DE-195 15 526 Cl bekannt.
Auf dem Markt befindliche Flachrohrverdampfer einer solchen Bauart haben mit soeben erst bekanntgewordenen Prototypen eine Bautiefe von 60 mm, während die Bautiefe standardmäßig bei vergleichbaren Plattenverdampfern 66 bis etwa 100 mm beträgt.
Wie schon die gattungsgemäße Veröffentlichung zeigt, bestand bisher das Bestreben, den Wirkungsgrad dann, wenn dies erwünscht ist, im Übergang auf mehr als zweiflutige Verdampfer zu erhöhen.
Darüber hinaus hat man sowohl bei zweiflutigen als auch bei mehr als zweiflutigen Verdampfern sich bemüht, die einzelnen Flachrohre mit einem möglichst gleich bleibenden Verhältnis von flüssigem zu gasförmigem Kältemittel zu beschicken und hierfür, wie dies auch schon gattungsgemäß vorgesehen ist,, zulaufseitig das Kältemittel auf die Eingänge von Gruppen von Flachrohren zu verteilen. Äquivalent hierzu ist in der Gattung auch die momentan nicht aus dem Stand der Technik für Flachrohrverdampfer nachweisbare Idee mit einbezogen, diese Verteilung auch noch in bezug auf jedes einzelne Flachrohr vorzunehmen. Eine derartige Verteilung auf einzelne Rohre eines Verdampfers, nicht jedoch ausdrücklich eines Flachrohrverdampfers, ist an sich aus der EP-A1-0 566 899 be- kannt.
Bei allen derartigen Verteilungen des zulaufseiti- gen Kältemittels auf Flachrohre erfolgt zugleich eine Verteilung auf alle Kammern des jeweiligen Flachrohres, die sich in Richtung der Bautiefe des Verdampfers hintereinander erstrecken. Die Bautiefe des Verdampfers ist dabei im Grenzfall mit der entsprechenden Breitendimension des Flachrohres identisch. Die Breitendimension des Flachrohres kann jedoch auch etwas geringer sein, insbesondere, wenn man einen entsprechenden stirnseitigen Überstand der Verrippung durch die Zickzacklamellen mit einbezieht.
Nun ist gerade beim Einbau von Bauteilen in Kraftfahrzeuge ein Hauptproblem immer der verfügbare Einbauraum im Kraftfahrzeug. Es besteht daher generell bei Bauelementen zum Einbau in Kraftfahrzeuge das Bestreben, die Außendimensionen bei vorgegebener Nutzleistung minimal zu halten. Es ist dabei als selbstverständlich vorauszusetzen, daß dieser Grundgedanke auch bei all den bekannten gattungsgemäßen Flachrohrverdampfern, die sich auf dem Markt befinden, zugrunde lag. Daraus ist herzuleiten, daß die Fachwelt bisher bei derartigen Flachrohrverdampfern bei Berücksichtigung aller Anforderungen eine Bautiefe von weniger als 60 mm nicht als geeignet in Betracht zog.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß diese Annahme auf einem Vorurteil beruht.
Die Erfindung beruht vielmehr auf der Erkenntnis, daß selbst bei sonst gleichbleibenden Parametern bekannter gattungsgemäßer Flachrohrverdampfer eine Verringerung der Bautiefe mindestens teilweise dadurch kompensiert wird, daß dabei der Wirkungsgrad der Verteileinrichtung erhöht wird. Denn bei verringerter Bautiefe braucht zulaufseitig das Kältemittel nur auf eine geringere Zahl von Kammern der Flachrohre pro vom Verteilkanal gespeister Eintrittskammer verteilt zu werden.
In diesem Sinne beschreibt die Erfindung einen Weg, statt über den Weg der Erhöhung der Anzahl der Fluten über die Zweiflutigkeit hinaus eine Optimierung durch Verringerung der Bautiefe zu erhalten.
Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad eines gattungsgemäßen zweiflutigen Flachrohrverdampfers in einer konstruktiv besonders einfachen Weise zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird bei einem Flachrohrverdampfer mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 durch die Wertekombination dessen Kennzeichens gelöst; dabei wird nicht nur ein geringer Bautiefenbereich ausgewählt, sondern zusätzlich der von einer Zickzacklamelle eingenommene Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Flachrohren wertemäßig festgelegt.
Die Bedeutung dieser Wertekombination läßt sich am besten beispielsweise erklären. Wenn man also beispielsweise von der kleinsten konventionellen Bautiefe von 60 mm stattdessen im Sinne eines mittleren Wertes der erfindungsgemäßen Kombination auf 42 mm übergeht und dabei auch den Zwischenraum zwischen den Flachrohren kleiner als üblich oder jedenfalls im erfindungsgemäßen Wertebereich wählt, erhält man eine Konfiguration, bei der die für ein Kraftfahrzeug wesentliche Einsparung an Bautiefe weitgehend durch eine relativ große Anzahl nebeneinander angeordneter Flachrohre kompensiert wird. Diesem Effekt überlagert sich die schon erörterte bessere Verteilung des Kältemittels im günstigen Sinne. Die konstruktiv besonders einfache Bauart des erfindungsgemäßen zweiflutigen Flachrohrverdampfers ist schon daran zu erkennen, daß die Erhöhung des relativen Wirkungsgrades eine gerade bei dem geringen Einbauraum von Kraftfahrzeugen wesentliche deutliche Einsparung an Bautiefe ermöglicht, ohne die Wärmeleistung des Verdampfers zu verschlechtern zu müssen. Dabei erfolgt auch eine Einsparung an Baumaterial in Bautiefenrichtung und durch Mehrflutigkeit bedingte Längsquerwände werden entbehrlich.
Die EP-A2-0 414 433 zeigt nicht wie der erfindungsgemäße Flachrohrverdampfer eine in Luftrichtung einreihige Ausbildung, welche die Bautiefe bestimmt, sondern eine in Luftrichtung zweireihige Ausbildung ( sogenannte Duplex-Anord- nung) auch eines Verdampfers (Sp. 6, Z. 34-37) mit zwei auch Flachrohre verwendenden separaten Wärmetauscherblöcken, die mit gegenseitigem Abstand in Luftrichtung hintereinander angeordnet sind. Dieser Anordnung liegt das Konzept zugrunde, die Wärmeleistung im Gegensatz zur Erfindung nicht unter Verringerung, sondern unter Erhöhung der Einbautiefe zu gewinnen. Selbst bei Überlappung von Bemessungen im einzelnen Wärmetauscherblock dieser Duplex-Anordnung mit der erfindungsgemäßen Wertekombination kann dadurch die erfindungsgemäße Kombination bei einem Flachrohrverdampfer mit einreihiger Ausbildung nicht angeregt werden.
Die DE-Al-30 20 424 betrifft allgemein einen Wärmetauscher in Bauweise mit Flachrohren, der unter den Bedingungen eines Motorkühlers von Kraftfahrzeugen entwickelt ist. Diese Vorveröffentlichung geht als Stand der Technik von einem Motorkühler mit einer Bautiefe von 32 bis 35 mm aus und erniedrigt diese in einer anderen Wertekombination auf 23 mm und weniger. Eine Übertragung dieser Bedingungen eines Wärmetauschers wie eines Wasserkühlers bei Kraftfahrzeugen auf einen Flachrohrverdampfer bei Kraftfahrzeugen ist nicht möglich. Dies wird schon daran deutlich, daß ja die konventionellen Flachrohrverdampfer bisher keine kleinere Einbautiefe als 60 mm kannten.
In den weiteren Unteransprüchen erfolgt eine begleitende Optimierung von im Zusammenhang mit der Erfindung als wesentlich erkannten Parametern, die es im Zusammenspiel sogar ermöglichen, die Wärmeleistung von marktüblichen gattungsgemäßen, Flachrohrverdampfern nicht nur zu erreichen, sondern sogar etwas zu übertreffen.
Neben der schon erwähnten Bautiefe und dem jeweils von einer Zickzacklamelle eingenommenen Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Flachrohren (Ansprüche 2 und 3 sowie Ansprüche 4 und 5 ) erfolgt dabei eine begleitende Optimierung auf die zwischen ihren Flachseiten gemessene Dicke der Flachrohre (Ansprüche 6 bis 9), die Wandstärke der Flachrohre zwi- sehen ihrer Außenfläche und ihrer jeweiligen inneren Kammer (Ansprüche 10 bis 14) und auf die Teilung der Zickzacklamellen (Ansprüche 15 bis 19). Die Länge der Flachrohre hat sich demgegenüber als unkritisch erwiesen und kann dem entsprechenden Platzangebot im Kraftfahrzeug angepaßt werden.
Im Rahmen der Erfindung wird, teilweise abweichend von dem Gebrauch in einigen Fachfirmen, unter Teilung der Abstand benachbarter Scheitel derselben Zickzacklamelle verstanden bzw. der Wiederholungsabstand gleicher Phasen der Zickzackwellung .
Die Erfindung wird im folgenden anhand schemati- scher Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in perspektivischer und teilweise aufgebrochener Darstellung ein Beispiel eines zweiflutigen Flachrohrverdampfers, auf den sich die Maßangaben der Erfindung beziehen;
Fig. 2 eine Draufsicht auf den Rohrboden des als Verteiler dienenden Sammlers aus dessen Innenraum, und zwar bezogen auf eine Eintrittskammer in eine Gruppe von Flachrohren;
Fig. 3 einen Querschnitt durch den mit Zickzacklamellen sandwichartig verrippten Block der Flachrohre des Verdampfers gemäß Fig. 1 und Fig. 2;
Fig. 4 ein Diagramm mit der Bautiefe B als Abszisse, der Wärmetauscherkennzahl k x AA als Ordinate und dem Zwischenraum LH als Parameterkurvenschar,
Fig. 5 ein Diagramm mit dem freien Abstand LH als Abszisse, der Versperrung der Flachrohre bezogen auf die gesamte Anströmfläche in % als Ordinate und der Rohrdicke d als Parameterkurvenschar,
Fig. 6 ein Diagramm mit der Bautiefe B des Verdampfers als Abszisse, der Strömungsquerschnittsfläche F für das Kältemittel als Ordinate und des Zwischenraums LH als Parameterkurvenschar,
Fig. 7 ein Diagramm mit der Bautiefe B als Abszisse, dem Wärmetauscherwirkungsgrad η als Ordinate und der Lamellenteilung T als Kurvenschar.
Der in Fig. 1 bis Fig. 3 dargestellte Flachrohrverdampfer besteht in allen seinen dargestellten Teilen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und ist auf seinen Teilen hartverlötet.
Die Flachrohre 2 weisen jeweils parallele gleichartige Flachseiten 4 sowie stirnseitige Enden 6 auf, die ohne Beschränkung der Allgemeinheit hier ein Stromlinienprofil haben, ebenso aber auch anders gerundet oder gar eckig bzw. stumpf rechtwinklig zu den Flachseiten ausgebildet sein können. Innerhalb jedes Flachrohres sind als jeweils durchgehende Kanäle Kammern 8 durch Zwischenwände 10 abgeteilt. Die im Rahmen der Erfindung in Betracht gezogene Anzahl im wesentlichen gleich groß dimensionierter Kammern liegt vorzugsweise zwischen 5 und 15 je nach tatsächlicher Bautiefe.
Die Flachrohre 2 sind mit jeweils konstantem gegenseitigen Abstand LH als Block über sandwichartig zwischengeschaltete Zickzacklamellen miteinander verrippt, die auf der Lufteintrittsseite vorzugsweise mit den betreffenden Stirnseiten 6 bündig sind und für besseren Wasserablauf an der Luftaustrittsseite vorzugsweise etwas gegenüber der dortigen Flachseite 6 gemäß der zeichnerischen Darstellung in Fig. 3 überstehen. In Fig. 3 ist auch die Bautiefe B als Abstand der beiden Stirnfronten der Zickzacklamellen 12 in Anströmrichtung LR der Außenluft angegeben, wobei anströmseitig wie erwähnt die Stirnfront mit der betreffenden Stirnseite 6 der Flachrohre bündig ist bzw. in Querrichtung der Anströmrichtung LR fluchtet, während abströmseitig die Stirnfront über die benachbarten Stirnseiten L der Flachrohre 2 übersteht.
Der gegenseitige Abstand benachbarter Flachseiten 4 eines Paares benachbarter Flachrohre 2 ist deswegen mit LH bezeichnet, weil er identisch ist mit der sogenannten Lamellenhöhe der jeweiligen Zickzacklamelle.
Jedes Flachrohr 2 hat eine zwischen seinen beiden entgegengesetzten Flachseiten 4 gemessene Rohrdicke d sowie eine Wandstärke w zwischen jeder Kammer 8 und der äußeren Flachseite 4 des betreffenden Flachrohres 2.
Jede Zickzacklamelle 12 hat ferner eine Teilung T, welche den Abstand benachbarter gleichartiger Phasen der Zickzacklamelle beschreibt wie etwa den Abstand benachbarter Scheitel an einer Seite der betreffenden Zickzacklamelle.
Die äußere Beaufschlagung der als Wärmetauschrohre des Verdampfers dienenden Flachrohre 2 erfolgt durch Außenluft im Kraftfahrzeug entsprechend dem Pfeil LR (Luftrichtung) in Fig. 1 und Fig. 3.
Die innere Beaufschlagung jedes Flachrohres 2 ist zweiflutig entsprechend dem Umkehrpfeil UP in Fig. 1. Für die Strömungsumkehr an dem einen Ende der jeweiligen Flachrohre im Block dienen gemäß Fig. 1 einzelne Endkappen 14, deren Funktion aber auch von einem gemeinsamen Umlenkkasten oder sonstigen strömungsmäßigen Umlenkglied übernommen werden kann.
Die Zuleitung des Kältemittels in den Verdampfer erfolgt entsprechend dem Zulaufpfeil Z in Fig. 1 durch einen Anschlußstutzen 16 an der Stirnseite eines Sammelkastens 18 aus Rohrboden 20 und Deckel 22. Die den Endkappen 14 abgewandten Enden der Flachrohre 2 sind dabei in Schlitzen oder äußeren und/oder inneren Kragen des Rohrbodens 20 so aufgenommen, daß sie mit dem Innenraum des Sammlers 18 kommunizieren können.
Der zulaufseitige Anschlußstutzen 16 des Sammlers 18 geht in diesem in ein Verteilrohr 24 einer Verteileinrichtung über, das an seinem freien Ende abgeschlossen ist und an seinem Umfang je eine Austrittsöffnung 26 aufweist, die jeweils mit einer Eintrittskammer 28 einer Gruppe von mehr als einem im Rohrboden 20 steckenden Flachrohr 2 kommuniziert. Die Zahl der einer Eintrittskammer zugeordneten Flachrohre kann dabei vom Abstand der jeweiligen Austrittsöffnung 26 in Abhängigkeit vom Anschlußstutzen 16 wechseln, was in Fig. 2 jedoch nicht realisiert ist, wo ohne Beschränkung der Allgemeinheit jeweils zwei Flachrohre mit jeweils einer Eintrittskammer 28 kommunizieren. Praktisch kommt im Zusammenhang mit der Erfindung insbesondere die Anzahl von nur einem Flachrohr 2 pro Eintrittskammer bis zu fünf Flachrohren pro Eintrittskammer in Frage, und zwar wie erwähnt sowohl mit Konstanz dieser Zahl als auch mit angepaßter Veränderlichkeit zwischen den genannten Grenzen 1 und 5.
Die in Strömungsrichtung des Kältemittels zweite Flut aller Flachrohre kommuniziert mit einer gemeinsamen Austrittskammer 30 im Sammler 18, welche sich über deren gesamte Länge erstreckt und von einer sich ebenfalls längs des Sammlers 18 in diesem erstreckenden Längstrennwand 32 von den einzelnen Eintrittskammern 28 strömungsmäßig getrennt ist. Die Eintrittskammern 28 ihrerseits sind voneinander durch Querwände 34 mindestens großenteils oder gänzlich getrennt. Die Querwände 34 erstrecken sich dabei rechtwinklig von der der Ausgangskammer 30 abgewandten Seite der Längstrennwand 32 aus.
Die Ausgangskammer 30 kommuniziert mit einem äußeren Strömungsaustritt 36 des Kältemittels aus dem Verdampfer.
Der Strömungsaustritt kann wie der Eintrittsstutzen 16 ebenfalls als äußerer Anschlußstutzen gemäß der zeichnerischen Darstellung in Fig. 1 gestaltet sein. Ebenfalls kommen natürlich Strömungseintritt und Strömungsaustritt auf jede andere mögliche Gestaltung in Frage, auch eine solche, bei der die beiden Austritte an entgegengesetzten Stirnseiten des Sammlers 18 vorgesehen sind. Ebenso könnte man daran denken, den Strömungsaustritt oder in besonderer Konstruktionsweise, etwa unter Verwendung von Druckguß, auch den Strömungseintritt an der Längsseite des Sammlers 18 vorzusehen. Schließlich ist im .Rahmen der Erfindung auch nicht ausgeschlossen, daß die eingangsseitigen und die ausgangsseitigen Sammeleinrichtungen von gesonderten Sammlern gebildet sind, so daß dann die Längsquerwand 32 bei jedem dieser gesonderten Sammler entfällt.
Im Diagramm der Fig. 4 ist die Wärmetauscherkennzahl (k x AA) über der Bautiefe (B) des Flachrohrverdampfers aufgetragen. Die Wärmetauscherkennzahl wird gebildet aus dem Produkt der Wärmedurchgangszahl (k) und der gesamten äußeren luftberührten Fläche (AA) und besitzt die Einheit Watt/Kelvin. Die Bautiefe ist in Millimeter aufgetragen. Die gestrichelte Kurve gilt für einen von der Lamelle eingenommenen Zwischenraum LH = 5 mm, die strichpunktierte Kurve gilt für LH = 7 mm, die durchgezogene Kurve für LH = 9 mm.
Die gesamte Kurvenschar (LH) gilt für eine Rohrdicke d = 1,8 mm und eine Lamellenteilung T = 2,8 mm.
Fig. 4 veranschaulicht den überraschenden Effekt der Erfindung, daß bei entsprechender Wahl der Rohrdicke (d) sowie des von der Lamelle eingenommenen Zwischenraums (LH) die Wärmetauscherkennzahl (k x AA) bei Halbierung der Bautiefe (B) noch konstant gehalten werden kann.
So kann z.B. ein Verdampfer mit einer Bautiefe von 60 mm auf eine solche von ca. 30 mm verkleinert werden, wenn der von der Lamelle eingenommene Zwischenraum (LH) von 9 mm auf 5 mm reduziert wird und eine Rohrdicke von d = 1,8 mm zum Einsatz kommt. Trotz erheblich geringerer äußerer Fläche, aber auch bei geringerer innerer Wärmeübertragungsfläche wird diese Leistungsgleichheit bei halbierter Bautiefe (B) erreicht, da die fehlende innere und äußere Wärmeübertragungs- fläche durch eine verbesserte Kältemittelverteilung in den Flachrohren reduzierter Bautiefe (B) und durch erheblich höhere Wärmeübergangszahlen sowohl auf der Innen- als auch auf der Außenseite kompensiert wird.
Durch die Bautiefenhalbierung entstehen beim Einsatz des Verdampfers in Kraftfahrzeugklimaanlagen erhebliche Vorteile bezüglich des Einbauraumes und des Gewichtes.
Bei der Reduzierung des von der Lamelle eingenommenen Zwischenraumes (LH) muß gemäß Fig. 5 darauf geachtet werden, daß die luftseitige Versperrung (V) der Flachrohre, die in Fig. 5 als Ordinate in Prozent aufgetragen ist, nicht zu groß wird, da sonst bei einer vorgegebenen Luftmenge die Luftgeschwindigkeiten in dem von der Lamelle eingenommenen Zwischenraum (LH) zu groß werden und das Kondenswasser nicht mehr im Lamellenblock in den Zickzacklamellen ablaufen kann, ohne daß es von der Luft mitgerissen wird.
Bei den in Kraftfahrzeugen vorgegebenen Bauräumen und Luftvolumenströmen sollte daher eine luftseitige Versper- rung von 22% nicht überschritten werden. Dies bedeutet, daß bei Reduzierung des von der Lamelle eingenommenen Zwischenraumes (LH) ebenfalls die Rohrdicke (d) reduziert werden muß. Bei einem Zwischenraum (LH) von 5 mm sollte daher eine Rohrdicke (d) von 1 - 1,5 mm und bei einem Zwischenraum (LH) von z.B. 7 mm eine solche von 1,5 - 2 mm zum Einsatz kommen.
Neben der luftseitigen VerSperrung der Flachrohre, die entscheidend für den Kondenswasserablauf, aber auch für den luftseitigen Druckverlust ist, ist weiterhin die Strömungsfläche (F) von entscheidender Bedeutung.
Fig. 6 zeigt den Zusammenhang der Strömungsfläche (F) (mm2) und der Bautiefe (B) (mm) mit dem freien Zwischenraum (LH) für eine Rohrdicke von d = 1,8 mm. Die gestrichelte Linie gilt dabei für einen Zwischenraum (LH) von 5 mm, während die durchgezogene Linie für LH = 9 mm gilt.
Für eine maximale Leistung muß einerseits die innere Wärmeübergangszahl sehr hoch sein, was durch eine hohe Strömungsgeschwindigkeit und einen kleinen Strömungsquerschnitt (F) erreicht wird, und andererseits darf auch der kältemittelseitige Druckverlust durch eine zu hohe Strömungsgeschwindigkeit nicht zu groß werden, da sonst die wirksame Temperaturdifferenz zwischen dem Kältemittel und der anströmenden Umgebungsluft zu stark reduziert wird. Für das Maximum des Produkts zwischen der wirksamen Temperaturdifferenz und der inneren Wärmeübergangszahl ist für den mittleren Leistungsbereich der Kraftfahrzeugklimaanlagen eine Strömungsfläche (F) von 400 - 600 mm2 erfoderlich. Diese Mindestströ- mungsflache (F) kann bei Reduzierung der Bautiefe (B) gemäß Fig. 6 durch eine Erhöhung der Rohranzahl und damit durch eine Reduzierung des von der Lamelle eingenommenen Zwischenraumes (LH) wirkungsvoll erreicht werden.
Bei gleichzeitiger Verringerung der Rohrdicke (d) in Verbindung mit einer verkleinerten Wandstärke (w) kann auch bei reduziertem Zwischenraum ( LH ) ein Anstieg der luftseitigen Versperrung (V) vermieden werden.
Durch die aufeinander abgestimmte Auslegung des Zwischenraumes ( LH ) , der Rohrdicke ( d ) sowie der Wandstärke des Rohres (w) kann die in Fig. 4 gezeigte Konstanthaltung der Wärmetauscherkennzahl (k x AA) bei halbierter Bautiefe erreicht werden. Dies ist jedoch nur dann möglich, wenn die Lamellenteilung (T) z.B. wie in Fig. 1 mit T = 2,8 mm nicht zu groß gewählt ist.
Fig. 7 zeigt den Einfluß der Lamellenteilung (T) auf den Wärmetauscherwirkungsgrad (η), der als Ordinate über der Bautiefe (B) als Abszisse aufgetragen ist. Die Parameterkurven für die Lamellenteilung (T) gelten für eine konstante Lamellenhöhe ( LH ) von 7 mm sowie für eine konstante Rohrdicke von d = 1,8 mm.
Überraschenderweise ist bei Flachrohrverdampfern der im Oberbegriff beschriebenen Bauart der Einfluß der Lamellenteilung bei kleinen Bautiefen erheblich stärker als bei sonst üblichen großen Bautiefen von mehr als 60 mm. Diese Wirkung kann zusätzlich zu den Einflüssen des Zwischenraumes ( H ) , der Rohrdicke (d) und der Wandstärke ( ) bei Verdampfern mit kleinen Bautiefen nutzbar gemacht werden, so daß gerade im Bereich der Bautiefen von 20 - 40 mm eine erhebliche Steigerung im Wärmetauscherwirkungsgrad durch eine engere Lamellenteilung von T = 2 bis T = 3 mm erreicht wird, die bei bisher üblichen Bautiefen von mehr als 60 mm nicht absehbar war.

Claims

Zweiflutiger und in Luftrichtung einreihiger hartverlöteter Flachrohrverdampfer für eine KraftfahrzeugklimaanlagePatentansprüche
1. Zweiflutiger und in Luftrichtung einreihiger hartverlöteter Flachrohrverdampfer aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung für eine Kraftfahrzeugklimaanlage, bei dem zulaufseitig ein Verteiler (24,28) des Kältemittels auf die Eingänge einzelner Flachrohre ( 2 ) oder insbesondere Gruppen derselben vorgesehen ist und die Flachrohre stranggepreßte mehrkammerige Rohre sind, zwischen denen Zickzacklamellen (12) sandwichartig eingeschachtelt sind, g e k e n n z e i c h n e t durch die Kombination folgender Merkmale:
- die Bautiefe (B) des Verdampfers beträgt mindestens 25 mm und höchstens 50 mm;
- der von einer Zickzacklamelle (12) eingenommene Zwischenraum (LH) zwischen zwei benachbarten Flachrohren (2) beträgt mindestens 5 mm und höchstens 9 mm.
2. Flachrohrverdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bautiefe (B) höchstens 40 mm beträgt.
3. Flachrohrverdampfer nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die Bautiefe (B) mindestens 35 mm beträgt .
4. Flachrohrverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (LH) höchstens 8 mm beträgt.
5. Flachrohrverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (LH) mindestens 6 mm beträgt.
6. Flachrohrverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis
5, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen ihren Flachseiten ( 4 ) gemessene Dicke ( d ) der Flachrohre ( 2 ) höchstens 2 mm beträgt .
7. Flachrohrverdampfer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (d) höchstens 1,8 mm beträgt.
8. Flachrohrverdampfer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (d) mindestens 1 mm beträgt.
9. Flachrohrverdampfer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (d) mindestens 1,5 mm beträgt.
10. Flachrohrverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke (w) der Flachrohre (2) zwischen ihrer Außenfläche und ihrer jeweiligen inneren Kammer höchstens 0,5 mm beträgt.
11. Flachrohrverdampfer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke (w) höchstens 0,4 mm beträgt.
12. Flachrohrverdampfer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke (w) höchstens 0,25 mm beträgt .
13. Flachrohrverdampfer nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke (w) mindestens 0,2 mm beträgt.
14. Flachrohrverdampfer nach einem der Ansprüche 11 oder 12 sowie Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke (w) 0,3 mm beträgt.
15. Flachrohrverdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung (T) der Zickzacklamellen (12) höchstens 4 mm beträgt.
16. Flachrohrverdampfer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung (T) höchstens 3 mm beträgt.
17. Flachrohrverdampfer nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung (T) mindestens 2 mm beträgt .
18. Flachrohrverdampfer nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung (T) mindestens 2,4 mm beträgt.
19. Flachrohrverdampfer nach den Ansprüchen 16 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung (T) im Bereich von 2,6 bis 2,8 mm liegt.
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