WO2001069157A2 - Wärmeübertrager für eine co2-fahrzeugklimaanlage - Google Patents

Wärmeübertrager für eine co2-fahrzeugklimaanlage Download PDF

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WO2001069157A2
WO2001069157A2 PCT/DE2001/000887 DE0100887W WO0169157A2 WO 2001069157 A2 WO2001069157 A2 WO 2001069157A2 DE 0100887 W DE0100887 W DE 0100887W WO 0169157 A2 WO0169157 A2 WO 0169157A2
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heat transfer
pressure side
exchanger according
small channels
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Ullrich Hesse
Stephan Leuthner
Petra Beil
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Robert Bosch Gmbh
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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
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/04—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element
    • 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
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0031—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other
    • F28D9/0043—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other the plates having openings therein for circulation of at least one heat-exchange medium from one conduit to another
    • F28D9/005—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other the plates having openings therein for circulation of at least one heat-exchange medium from one conduit to another the plates having openings therein for both heat-exchange media

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger with a first channel through which a high-pressure side refrigerant flow flows and a second channel through which low-pressure side refrigerant flows and separated from the first channel.
  • Such a heat exchanger is known to be used as an internal heat exchanger in a C0 2 vehicle air conditioning system from status report no. 20 of the German Refrigeration and Air Conditioning Association: "Carbon Dioxide - Special Features and Chances of Use as a Refrigerant, page 137 (November 1998).
  • the refrigerant (C0 2 ) flows through the internal heat exchanger. Once on the way from the gas cooler to the evaporator, the second time between the evaporator and the compressor.
  • the main task of the internal heat exchanger is to allow additional cooling by the internal heat exchanger when the ambient temperature is high and the gas cooler is not able to cool the refrigerant sufficiently before expansion.
  • the heat flow is released from the high pressure side after the gas cooler to the low pressure side after the evaporator (before entering the compressor).
  • the partially liquid refrigerant on the suction side then evaporates completely before it reaches the compressor.
  • the internal heat exchanger is expediently designed as a counterflow heat exchanger.
  • the internal heat exchanger known from the status report of the German refrigeration and air-conditioning association mentioned above is currently used for.
  • B. manufactured as a countercurrent double tube heat exchanger.
  • the tube profile is made from extruded aluminum.
  • the high-pressure side refrigerant flow is guided in the inner pipe for reasons of strength.
  • the first and second channels each have a plurality of small channels arranged in or on individual heat transfer plates and that several layers of the heat transfer plates are connected to one another, for example. soldered or welded, s nd, such heat exchangers can be very compact, i. H. with a small volume and at the same time a large heat transfer surface. Due to the large number of small channels and the design and mode of operation of the heat exchanger in the countercurrent principle, the heat transfer can be improved with an acceptable pressure drop compared to the known solution.
  • the heat transfer area can be increased significantly. It is preferable that the hydraulic diameter of the small channels is selected so that the product of the heat transfer coefficient and the heat transfer surface on the high pressure side corresponds to the product of the heat transfer coefficient and heat transfer surface on the low pressure side.
  • the flow guidance, for. B. be selected by zigzagging the small channels so that the product of heat transfer coefficient and heat transfer surface on the high pressure side corresponds to the product of heat transfer coefficient and heat transfer surface on the low pressure side.
  • the channels are produced on or in the metal sheets by means of an ablative or orderly manufacturing process means that the channels, ie. H. make the duct diameters very small to match the operating pressure conditions.
  • the proposed heat exchanger can be used for high pressures up to approximately 150 bar.
  • FIG. 1 shows the structure and flow conditions in an exemplary embodiment of a heat exchanger according to the invention constructed from individual sheet metal layers
  • FIG. 2 shows a first
  • Figure 3 shows a second
  • Figure 4 shows a third arrangement of a compact heat exchanger.
  • FIG. 1 of a heat exchanger according to the invention is very compact in that individual plate-shaped heat transfer plates 1, 2, 3, which are soldered or welded to one another and packed between two cover plates 8, 9, with small channels
  • C0 2 low pressure (arrow EN) flows into an inlet opening 15 of the left cover plate 8, through the channels 11 of the first heat transfer plate 1 from bottom to top, and continues through the flow opening 5 of the second heat transfer plate 2 third heat transfer plate 3 and there also through its small channels 13 from bottom to top and through the corresponding flow openings 7 of the third, second and first heat transfer plate 3, 2, 1 and then through the outlet opening 17 of the left cover plate 8 (arrow AN) ,
  • the heat exchanger shown is refrigerated by the high-pressure side refrigerant (black arrows) in an most direction and in counterflow from the low-pressure side refrigerant (hatched arrows).
  • the heat exchanger shown in FIG. 1 thus consists of individual layers defined by the heat transfer plates, which are in countercurrent to C0 2 and which are located on one side
  • the heat transfer coefficient on the low pressure side is generally much smaller than that on the high pressure side.
  • Such a compact heat exchanger can advantageously be made from copper or copper alloy, stainless steel, aluminum and other materials.
  • the exemplary embodiment of a heat exchanger according to the invention described above can advantageously be used as an internal heat exchanger in a C0 2 air conditioning system in vehicles, in particular motor vehicles.
  • an internal heat exchanger with the structure described above and the flow conditions described can be designed for high pressures up to approximately 150 bar.
  • the first (high-pressure) flow channel marked by black arrows in FIG. 1 lies in a first flow path from a gas cooler to an evaporator and the second marked by hatched arrows in the figure
  • a high pressure up to approximately 150 bar and high temperature can prevail in the first flow path and a low pressure up to approximately 60 bar and relatively low temperature can prevail in the second flow path.
  • the relevant expert has made it clear from the above description that the heat exchanger shown in FIG. 1 is only schematic and exemplary and that another geometry deviating from a plate-like shape of the heat transfer plates, for. B. a cylindrical structure can be realized.
  • the first heat transfer plate 1 there are two small channels 11 in the first heat transfer plate 1, through which the coolant flows on the low-pressure side.
  • the approximately U-shaped cross section of the small channels 11 is closed by the second heat transfer plate 2, so that the coolant cannot escape.
  • a connection 20, for example a soldered connection is provided for mutually fastening the two heat transfer plates 1, 2.
  • the small channels 12 through which the coolant flows are located exactly above the small channels 11 on the low pressure side, but on the side of the second heat transfer plate 2 facing away from the first heat transfer plate 1.
  • the long side of the small channels 12 on the high pressure side could be shown in FIG 2 further heat transfer plate 3, not shown, can be closed.
  • the small channels 11, 12 are flowed through by the coolant in the countercurrent principle.
  • the heat exchanger of FIG. 2 can be made even more compact by arranging the openings of the small channels 11 on the low pressure side to be offset from the openings of the high pressure side. flowed small channels 12.
  • a first web 22 of the first heat transfer plate 1 lying between the two openings of the small channels 11 now lies exactly opposite the opening of a small channel 12 through which the high-pressure side flows, such that it is de through the pressure difference m of the channels 11, 12 generated forces absorbs.
  • the second web 24 is reduced to such an extent compared to the first web 22 of the exemplary embodiment according to FIG. 3 that the stresses caused by the pressure differences in the webs are just as great that the permissible stresses of the respective material are not exceeded ,
  • the openings of the small channels 11 are opposite the openings of the small channels 12 arranged offset from one another.
  • the embodiment according to FIG. 4 allows the heat exchanger to be made even more compact.
  • the thickness of the heat transfer plates 1, 2 could be in the order of magnitude between 600 to 1000 ⁇ m, the dimensions of the small channels 11, 12 between 400 to 1400 ⁇ m and that
  • the width of the webs 22, 24 move between 350 to 800 ⁇ m with a pressure difference of ⁇ p to 225 bar and copper as the material.
  • the size ratios can suitably vary up or down and in any case are not a limitation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einem von einem hochdruckseitigen Kältemittelstrom in einer ersten Richtung durchströmten ersten Kanal und einem von niederdruckseitigem Kältemittel in einer zur ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung durchströmten, vom ersten Kanal getrennten zweiten Kanal, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der erste und zweite Kanal jeweils eine Vielzahl von in oder auf einzelnen Wärmeübertragungsblechen (1, 2, 3,...) gebildeten kleinen Kanälen (11, 12, 13,...) aufweisen, und dass mehrere Lagen der Wärmeübertragungsbleche miteinander verlötet oder verschweißt sind.

Description

WÄRMEÜBERTRAGER FÜR EINE C02-FAHRZEUGKLIMAANLAGE
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einem von einem hochdruckseitigen Kältemittelstrom durchströmten ersten Kanal und einem von niederdruckseit-Agem Kältemittel durchströmten, vom ersten Kanal getrennten zweiten Kanal.
Ein derartiger Wärmeübertrager ist in einer Verwendung als innerer Wärmeübertrager einer C02-Fahrzeugklimaanlage aus dem Statusbericht Nr. 20 des Deutschen Kälte- und Klimatechnischen Vereins: "Kohlendioxid - Besonderheiten und Einsatzchancen als Kältemittel, Seite 137 (November 1998) be- kannt .
Ausgehend von den Vorschriften und Regelungen für den Ausstieg aus der Anwendung von FCKW nimmt das Interesse an natürlichen Kältemitteln als Alternative zu FCKW zu.
Zur Palette der natürlichen Kältemittel gehört auch das nicht brennbare und nicht toxische Kohlendioxid. Forschungen zum Kohlendioxid, das 1866 erstmalig als Kältemittel verwen- det wurde und in den Fünfziger Jahren aus der Anwendung verschwand, erlebten Ende der Achtziger Jahre durch Arbeiten von Lorentzen und Mitarbeitern eine Renaissance. Zukünftige Einsatzgebiete liegen bei der Fahrzeugklimatisierung, Wärme- pumpen, transportablen Klimageräten kleiner Leistung, Luftentfeuchtungsgeräten und Trocknern.
Um die Leistung und Effizienz des C02-Prozesses zu erhöhen, wurde ein sogenannter innerer oder interner Wärmeübertrager vorgeschlagen. Der interne Wärmeübertrager wird vom Kältemittel (C02) durchströmt. Einmal auf dem Weg vom Gaskühler zum Verdampfer, das zweite Mal zwischen Verdampfer und Verdichter. Die Hauptaufgabe des internen Wärmeübertragers ist in Zeiten, in denen hohe Umgebungstemperaturen vorliegen, während denen der Gaskühler also nicht in der Lage ist, das Kältemittel vor der Expansion genügend abzukühlen, durch den internen Wärmeübertrager eine zusätzliche Abkühlung zu ermöglichen. Der Wärmestrom wird von der Hochdruckseite nach dem Gaskühler an die Niederdruckseite nach dem Verdampfer (vor Eintritt in den Verdichter) abgegeben. Das teilweise noch flüssige Kältemittel an der Saugseite verdampft dann komplett, bevor es den Verdichter erreicht. Der interne Wärmeübertrager ist sinnvollerweise als Gegenstromwärmeübertra- ger ausgeführt .
Der aus dem oben erwähnten Statusbericht des Deutschen kälte- und klimatechnischen Vereins bekannte interne Wärmeübertrager wird momentan z. B. als Gegenstrom- Doppelrohrwärmeübertrager hergestellt. Dabei wird das Rohr- profil aus extrudiertem Aluminium hergestellt. Der hoch- druckseitige Kältemittelstrom wird aus Festigkeitsgründen im inneren Rohr geführt. Schwierig hierbei ist die Dimensionie- rung der saugseitigen Wärmeübertragungsfläche bzw. der saug- seitig durchströmten Querschnittsfläche, um einen befriedigenden Wärmeübergangskoeffizient be akzeptablem Druckabfall des Kältemittels zu erzielen.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen kleinen kompakten Wärmeübertrager, bei dem in einem kleinen Volumen eine sehr große wärmeübertragende Fläche realisiert werden kann, anzugeben, der sich für eine Verwendung als innerer Wärmeübertrager m einer C02-Klιmaanlage eignet.
Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst .
Dadurch, dass gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung der erste und zweite Kanal jeweils gebildet aus einer Vielzahl von in oder auf einzelnen Wärmeübertragungsblechen angeordneten kleinen Kanälen aufweisen und dass mehrere Lagen der Wärmeübertragungsbleche miteinander verbunden, zB . verlötet oder verschweißt, s nd, lässt s ch e n solcher Wärmeübertrager sehr kompakt, d. h. mit einem kleinen Volumen und gleichzeitig großer wärmeübertragender Fläche herstellen. Durch die Vielzahl der kleinen Kanäle und die Auslegung und Betriebsweise des Wärmeübertragers im Gegenstromprinzip kann der Wärmeübergang bei vertretbarem Druckabfall gegenüber der bekannten Lösung verbessert werden.
Durch die große Anzahl der kleinen Kanäle kann die wärme- übertragende Fläche deutlich vergrößert werden. Es ist zu bevorzugen, dass der hydraulische Durchmesser der kleinen Kanäle so gewählt ist, dass das Produkt aus Wärmeübertragungskoeffizient und wärmeübertragender Fläche auf der Hochdruckseite dem Produkt aus Wärmeübertragungskoeffi- zient und wärmeübertragender Fläche auf der Niederdruckseite entspricht .
Alternativ oder zusätzlich kann auch die Strömungsführung, z. B. durch eine Zickzackführung der kleinen Kanäle so ge- wählt sein, dass das Produkt aus Wärmeübertragungskoeffizient und wärmeübertragender Fläche auf der Hochdruckseite dem Produkt aus Wärmeübertragungskoeffizient und wärmeübertragender Fläche auf der Niederdruckseite entspricht.
Dadurch, dass die Kanäle auf bzw. in den Blechen mittels eines abtragenden oder auftragenden Fertigungsverfahrens hergestellt werden, lassen sich die Kanäle, d. h. die Kanaldurchmesser in Anpassung an die Betriebsdruckverhältnisse sehr klein ausführen.
Durch seine kompakte Bauweise ist der vorgeschlagene Wärmeübertrager für hohe Drücke bis etwa 150 bar einsetzbar.
Zeichnung
Weitere vorteilhafte Merkmale eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele .
Die Figur 1 zeigt die Struktur und Strömungsbedingungen bei einem Ausführungsbeispiel eines aus einzelnen Blechlagen aufgebauten erfindungsgemäßen Wärmeübertragers, Figur 2 eine erste, Figur 3 eine zweite, sowie Figur 4 eine dritte Anordnung eines kompakten Wärmeübertragers .
Ausführungsbeispiel
Das in der Figur 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ist sehr kompakt dadurch, dass einzelne plattenförmige Wärmeübertragungsbleche 1, 2, 3, die untereinander verlötet oder verschweißt und zwischen zwei Deckelplatten 8, 9 gepackt sind, mit kleinen Kanälen
11, 12, 13 und Strömungsöffnungen 4, 5, 6, 7 versehen sind. An einer Eintrittsöffnung 14 der linken Deckelplatte 8 einströmendes C02 hohen Drucks (Pfeil EH) strömt durch die Strömungsöffnung 4 des linken Wärmeübertragungsbleches hin- durch zum mittleren Wärmeübertragungsblech 2, durch dessen Kanäle 12 in Pfeilrichtung nach unten und strömt von dort wieder nach links durch die Strömungsöffnung 6 des ersten Wärmeübertragungsbleches 1 und die Austrittsöffnung 16 der Deckelplatte 8 aus (Pfeil AH) . Weiterhin strömt, wie die schraffierten Pfeile angeben, C02 niederen Drucks (Pfeil EN) in eine Eintrittsöffnung 15 der linken Deckelplatte 8, durch die Kanäle 11 des ersten Wärmeübertragungsblechs 1 von unten nach oben, weiterhin durch die Strömungsöffnung 5 des zweiten Wärmeübertragungsblechs 2 hindurch zum dritten Wärme- Übertragungsblech 3 und dort ebenfalls durch dessen kleine Kanäle 13 von unten nach oben und durch die entsprechenden Strömungsöffnungen 7 des dritten, zweiten und ersten Wärmeübertragungsblechs 3, 2, 1 und dann durch die Austrittsöffnung 17 der linken Deckelplatte 8 aus (Pfeil AN) .
Auf diese Weise wird der dargestellte Wärmeübertrager vom hochdruckseitigen Kältemittel (schwarze Pfeile) in einer er- sten Richtung und im Gegenstrom vom niederdruckseitigen Kältemittel (schraffierte Pfeile) durchströmt.
Selbstverständlich ist die Struktur des m der Figur darge- stellten Wärmeübertragers mit nur drei Wärmeübertragungsblechen 1, 2, 3 nur beispielhaft.
Der m der Figur 1 gezeigte Wärmeübertrager besteht somit aus einzelnen, durch die Wärmeübertragungsbleche definierten Lagen, die im Gegenstrom von C02, das sich auf der einen
Seite auf hohem Druck (bis annähernd 150 bar) bei hoher Temperatur und auf der anderen Seite bei niedrigem Druck (bis annähernd 60 bar) und niedriger Temperatur befindet, durchströmt werden.
Um den Wärmeübertrager ideal an die auftretenden Wärmeübergangsbedingungen anzupassen, st zu berücksichtigen, dass der Wärmeübergang durch die Stoffeigenschaften des Fluids und den Strömungszustand bestimmt werden. Der Wärmeüber- gangskoefflzient auf der Niederdruckseite ist jedoch m allgemeinen wesentlich kleiner als derjenige auf der Hochdruckseite. Um das Volumen des Wärmeübertragers am effizientesten zu nutzen, ist daher anzustreben, das Produkt aus Wärmeübergangskoeffizient und wärmeübertragender Fläche auf der Hoch- druckseite demjenigen Produkt aus Warmeübergangskoefflzient und wärmeübertragender Fläche auf der Niederdruckseite anzupassen. Dies kann be dem gezeigten, kompakten Wärmeübertrager, der aus einzelnen Profilen, d. h. den Wärmeübertragungsblechen 1, 2, 3 besteht, m die die kleinen Kanäle 11, 12, 13 eingearbeitet sind, durch entsprechende Anpassung des hydraulischen Durchmessers der kleinen Kanäle 11, 12, 13 erfolgen. Des weiteren besteht die Möglichkeit, die wärmeübertragende Fläche bzw. den Wärmeübergangskoeffizienten durch eine entsprechende Strömungsführung der kleinen Kanäle, beispiels- weise in Zickzackform, zu vergrößern.
Ein solcher kompakter Wärmeübertrager, wie er in der Figur dargestellt ist, lässt sich vorteilhafterweise aus Kupferoder Kupferlegierung, Edelstahl, Aluminium und weiteren Werkstoffen herstellen.
Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers lässt sich vorteilhaft als innerer Wärmeübertrager in einer C02-Klimaanlage in Fahr- zeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen verwenden.
Für diesen Fall lässt sich ein innerer Wärmeübertrager mit der oben beschriebenen Struktur und den dargelegten Strömungsbedingungen für hohe Drücke bis annähernd 150 bar aus- legen.
Dabei liegt der erste in der Figur 1 durch schwarze Pfeile markierte (Hochdruck) Strömungskanal in einem ersten Strömungsweg von einem Gaskühler zu einem Verdampfer und der zweite in der Figur durch schraffierte Pfeile markierte
(Niederdruck) Strömungskanal in einem zweiten Strömungsweg vom Verdampfer zu einem Verdichter der Fahrzeugklimaanlage.
Im ersten Strömungsweg kann ein hoher Druck bis annähernd 150 bar und hohe Temperatur und im zweiten Strömungsweg ein niedriger Druck bis annähernd 60 bar und relativ niedrige Temperatur herrschen. Dem einschlägigen Fachmann ist anhand der obigen Beschreibung deutlich geworden, dass der in der Figur 1 dargestellte Wärmeübertrager lediglich schematisch und beispielhaft ist und dass auch eine andere von einer plattenförmigen Form der Wärmeübertragungsbleche abweichende Geometrie z. B. ein zy- linderförmiger Aufbau realisiert werden kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 befinden sich in dem ersten Wärmeübertragungsblech 1 exemplarisch zwei kleine Kanäle 11, die niederdruckseitig von dem Kühlmittel durchströmt werden. Der in etwa U-förmige Querschnitt der kleinen Kanäle 11 wird durch das zweite Wärmeübertragungsblech 2 geschlossen, so dass das Kühlmittel nicht entweichen kann. Zur gegenseitigen Befestigung der beiden Wärmeübertragungsbleche 1, 2 ist eine Verbindung 20 vorgesehen, beispielsweise eine Lötverbindung. Die hochdruckseitig von dem Kühlmittel durch- strömten kleinen Kanäle 12 befinden sich jeweils genau oberhalb zu den niederdruckseitigen kleinen Kanälen 11, allerdings an der von dem ersten Wärmeübertragungsblech 1 abgewandten Seite des zweiten Wärmeübertragungsblechs 2. Die Längsseite der hochdruckseitigen kleinen Kanäle 12 könnten durch ein in Figur 2 nicht dargestelltes weiteres Wärmeübertragungsblech 3 geschlossen werden. Die kleinen Kanäle 11, 12 werden im Gegenstromprinzip von dem Kühlmittel durchströmt .
Der Wärmeübertrager der Figur 2 kann gemäß der Anordnung der Figur 3 noch kompakter hergestellt werden, indem die Öffnungen der niederdruckseitigen kleinen Kanäle 11 versetzt angeordnet werden zu den Öffnungen der hochdruckseitig durch- flossenen kleinen Kanälen 12. Ein zwischen den beiden Öffnungen der kleinen Kanäle 11 liegender erster Steg 22 des ersten Wärmeübertragungsblechs 1 liegt nun genau der Öffnung eines hochdruckseitig durchflossenen kleinen Kanals 12 m der Weise gegenüber, dass er d e durch die Druckdifferenz m den Kanälen 11, 12 erzeugten Kräfte aufnimmt. Durch den Versatz der niederdruckseitigen kleinen Kanäle 11 gegenüber den hochdruckseitigen kleinen Kanälen 12 m Ebenen mit unterschiedlichen Druckniveaus läßt sich die erforderliche Dicke der Warmeübertragungsbleche 1, 2 reduzieren. Dies wird dadurch erreicht, dass die durch die Druckdifferenz m den Kanälen 11, 12 erzeugten Kräfte vermehrt durch den Steg 22 zwischen den Offnungen aufgenommen wird. Durch diese Maßnahme kann das Volumen und insbesondere die Masse des Wärme- Übertragers deutlich gesenkt werden. Dies ist insbesondere für Werkstoffe mit großer Dichte, d e auch eine große Festigkeit aufweisen, wichtig. Durch diese Masse reduzierende Maßnahme können nun auch Werkstoffe mit großer Dichte eingesetzt werden, da die Masse des Wärmeübertragers dann nicht mehr allein durch d e Dichte des Werkstoffs, sondern auch durch die Dichte des Fluids, das sich m den kleinen Kanälen 11, 12 befindet, bestimmt wird. Insbesondere Werkstoffe mit großer Festigkeit wie Edelstahl oder Kupfer finden Verwendung.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 ist der zweite Steg 24 gegenüber dem ersten Steg 22 des Ausführungsbe - spiels gemäß Figur 3 soweit reduziert, dass die durch die Druckdifferenzen m den Stegen hervorgerufenen Spannungen genauso groß sind, dass die zulässigen Spannungen des jeweiligen Werkstoffs nicht überschritten werden. Wiederum sind die Öffnungen der kleinen Kanäle 11 gegen ber den Öffnungen der kleinen Kanäle 12 versetzt zueinander angeordnet. Durch das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 kann der Wärmeübertrager noch kompakter ausgeführt werden.
Die Dicke der Wärmeübertragungsbleche 1, 2 könnte sich in der Größenordnung zwischen 600 bis 1000 μm, die Abmessungen der kleinen Kanäle 11, 12 zwischen 400 bis 1400 μm und die
Breite der Stege 22, 24 zwischen 350 bis 800 μm bewegen bei einer Druckdifferenz von δp bis 225 bar und Kupfer als Werk- stoff. Die Größenverhältnisse können jedoch in geeigneter Weise nach oben oder unten variieren und stellen in jedem Fall keine Einschränkung dar.

Claims

Ansprüche
1. Wärmeübertrager mit einem von einem hochdruckseitigen Kältemittelstrom durchströmten ersten Kanal und einem von niederdruckseitigem Kältemittel durchströmten, vom ersten
Kanal getrennten zweiten Kanal, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Kanal jeweils e ne Vielzahl von m oder auf einzelnen Wärmeübertragungsblechen (1, 2, 3,...) gebildeten kleinen Kanälen (11, 12, 13, ...) aufweisen, und dass mehrere Lagen der Wärmeübertragungsbleche miteinander verbunden sind.
2. Wärmübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass d e Strömungsführung der kleinen Kanäle so gewählt ist, dass der hochdruckseitige Kältemittelstrom und der niederdruckseitige Kältemittelstrom den Wärmeübertrager im Gegenstrompπnzip durchströmen.
3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsbleche plattenförmig sind.
4. Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass das hochdruckseitige und niederdruckseitige Kältemittel C02 ist.
5. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Durchmesser der kleinen Kanäle (11, 12, 13,...) so gewählt ist, dass das Produkt aus Wärmeübertragungskoeffizient und wärmeübertragender Fläche auf der Hochdruckseite dem Produkt aus Wärmeübertragungskoeffizient und wärmeübertragender Fläche auf der Niederdruckseite entspricht.
6. Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsführung der kleinen Kanäle so gewählt ist, dass das Produkt aus Wärmeübertragungskoeffizient und wärmeübertragender Fläche auf der Hochdruckseite dem Produkt aus Wärmeübertragungskoeffizient und wärmeübertragender Fläche auf der Niederdruckseite entspricht .
7. Wärmeübertrager nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, dass die kleinen Kanäle im Zickzackmuster in oder auf den Wärmeübertragungsblechen geführt sind.
8. Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Wärmeübertragungsbleche (1, 2, 3) aus einer Gruppe gewählt ist, die Kupfer und Kupferlegierung, Edelstahl, Aluminium und weitere Werkstoffe umfasst .
9. Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kleinen Kanäle mittels eines abtragenden oder aufbauenden Fertigungsprozesses m bzw. auf den Wärmeübertragungsblechen hergestellt sind.
10. Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprü- ehe, dadurch gekennzeichnet, dass die plattenförmigen Wärmeübertragungsbleche zwischen zwei gegenüberliegenden Deckel - platten (8, 9) eingeschlossen sind, von denen die erste Dek- kelplatte (8) Eintritts- und Austrittsöffnungen (14, 15, 16, 17) jeweils für hochdruckseitiges und für niederdruckseiti- ges Kältemittel aufweist.
11. Verwendung des Wärmeübertragers nach einem der vorangehenden Ansprüche als innerer Wärmeübertrager m einer C02- Klimaanlage m Fahrzeugen, insbesondere Kraftfahrzeugen.
12. Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Wärmeübertrager für hohe Drücke des C02- Kältemittels bis annähernd 150 bar ausgelegt ist.
13. Verwendung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kanal des inneren Wärmeübertragers m einem ersten Strömungsweg von einem Gaskühler zu einem Verdampfer und der zweite Kanal in einem zweiten Strömungsweg vom Verdampfer zu einem Verdichter der Fahrzeugkli- maanlage von C02 durchströmt wird.
14. Verwendung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Stromungsweg ein hoher Druck bis annähernd 150 bar und hohe Temperatur und im zwei- ten Strömungsweg ein niederer Druck bis annähernd 60 bar und eine niedrigere Temperatur herrschen.
15. Wärmeübertrager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die kleinen Kanäle (11) des ersten Wärmeübertragungsblechs (1) versetzt angeordnet sind zu den kleinen Kanälen (12) des zweiten Wärmeübertragungsblechs (2) .
PCT/DE2001/000887 2000-03-16 2001-03-09 Wärmeübertrager für eine co2-fahrzeugklimaanlage WO2001069157A2 (de)

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