BEHR GmbH & Co. KG Mauserstraße 3, 70469 Stuttgart
Wärmeübertrager, insbesondere für ein Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere für ein Kraft- fahrzeug nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Durch die DE-A 102 60 107 der Anmelderin wurde ein Wärmeübertrager, insbesondere für ein Kraftfahrzeug bekannt, der durch eine druckstabile Bauweise gekennzeichnet ist, wie sie insbesondere bei mit CO2 betriebenen Klimaanlagen Verwendung findet. Die von Kältemittel durchströmbaren Roh¬ re sind als Mehrkammerflachrohre ausgebildet, welche mit Sammel- und/oder Verteileinrichtungen sowie Umlenkeinrichtungen kommunizierend in Verbindung stehen. Die Sammel- und/oder Verteileinrichtungen sind dabei durch eine druckstabile Plattenbauweise gekennzeichnet, die sich im We- sentlichen aus einer Bodenplatte, einer Verteilplatte und einer Deckplatte zusammensetzt. Das Kältemittel, R744, ist bei dem bekannten Wärmeü¬ bertrager auf unterschiedlichste Weise durch die Rohre geführt, wobei grundsätzlich Umlenkungen in der Breite (parallel zur Stirnfläche) und in der Tiefe (in oder entgegen der Strömungsrichtung der Luft) möglich sind. Nachteilig bei diesem Wärmeübertrager ist, dass die Ein- und Austrittskanäle bzw. der Kältemitteleintritt und -austritt nicht optimal thermisch voneinander isoliert sind, sondern vielmehr über die gemeinsamen Platten in wärmelei¬ tender Verbindung stehen.
BESTÄTIGUNG5KOP1E
Durch die DE-A 199 06 289 wurde ein Wärmeübertrager für einen C02- Kältekreislauf bekannt, bei welchem das Kältemittel vom Kältemitteleintritt bis zum Kältemittelaustritt lediglich in der Breite umgelenkt wird, sodass es den gesamten Wärmeübertragerblock dreiflutig, d. h. in drei Durchgängen durchströmt. Die Sammelkästen, welche die Rohrenden aufnehmen, sind aus Gründen der Innendruckstabilität in zwei kreisförmige Querschnitte auf¬ geteilt, die miteinander kommunizieren. Eine Umlenkung des Kältemittels in der Tiefe, d. h. ein Kreuz-Gegenstrom mit der Luft ist hier nicht vorgesehen, was die Leistung dieses Wärmeübertragers beschränkt.
Eine ähnliche Bauweise wurde durch die WO 98/51983 bekannt, wobei ein druckfester Wärmeübertrager aus Flachrohren und Sammelrohren aufge¬ baut ist, die jeweils aus mehreren miteinander kommunizierenden Kreisquer¬ schnitten aufgebaut sind. Die Sammelrohre sind als Extrusionsteile herstell- bar und somit besonders innendruckfest, allerdings auch mit entsprechen¬ den Kosten verbunden. Auch hier findet nur eine Umlenkung des Kältemit¬ tels in der Breite und nicht in der Tiefe statt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmeübertrager der ein- gangs genannten Art, insbesondere mit Umlenkmöglichkeiten in der Breite und/oder in der Tiefe hinsichtlich seiner Sammel- und/oder Verteileinrichtun¬ gen zu verbessern, wobei insbesondere auch eine thermische Trennung von Strömungskanälen mit hoher Temperaturdifferenz gegeben ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patenanspruches 1 gelöst. Er¬ findungsgemäß ist vorgesehen, dass die Sammel- und/oder Verteileinrich¬ tung als mindestens ein C-Profil ausgebildet ist, welches durch einen einge¬ schobenen Rechen geschlossen wird. Das C-Profil kann als Halbzeug bezo¬ gen oder aus einem flachen Blech abgekantet werden. Die Öffnungen zur Aufnahme von Rohrenden, so genannte Durchzüge, können einfach durch Stanzen oder Stanzprägen hergestellt werden. Der Rechen, d. h. eine Leiste mit Aussparungen im Bereich der Durchzüge kann als flaches Stanzteil mit beliebigen Formen ausgebildet werden, z. B. mit zungenförmigen Trennste¬ gen, die in das C-Profil hineinreichen und eine Unterteilung des C-Profils in einzelne Kammern bewirken. Die Trennstege, die als Trennwände wirken,
können an beliebiger Stelle jeweils zwischen den Durchzügen angeordnet werden. Das C-Profil wird mit dem Rechen und den Rohrenden verlötet und stellt somit eine preisgünstige druckfeste Lösung dar.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind für zwei Rohrreihen zwei C- Profile im Abstand nebeneinander angeordnet, d. h. in Luftströmungsrich¬ tung hintereinander. Durch den Abstand beider C-Profile ergibt sich der Vor¬ teil einer thermischen Trennung, d. h. es wird verhindert, dass Wärme von dem C-Profil höherer Temperatur zum C-Profil niedrigerer Temperatur fließt und damit den Wirkungsgrad des Wärmeübertragers verschlechtert.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind auf der den C- Profilen abgewandten Seite des Blockes Umlenkeinrichtungen vorgesehen, die vorzugsweise als U-Profil mit einem eingesetzten Wellenprofil ausgebil- det sind, wobei jeweils eine „Welle" eine Umlenkkammer bildet und zwei Rohrenden miteinander verbindet. Damit kann eine Umlenkung in der Tiefe, vorzugsweise entgegen der Luftströmungsrichtung, d. h. zur Erzeugung ei¬ nes Gegenstromes bewirkt werden. Das erste Strömungsmedium, vorzugs¬ weise Kohlendioxid tritt also zunächst in ein leeseitiges C-Profil ein, durch- strömt eine leeseitige Rohrreihe oder leeseitig angeordnete Strömungskanä¬ le, wird über die Umlenkeinrichtung entgegen der Luftströmungsrichtung umgelenkt und durchströmt eine luvseitige Rohrreihe oder Strömungskanäle bis zum Erreichen des luvseitigen C-Profils, wo das Kältemittel inzwischen eine erheblich geringere Temperatur als beim Eintritt aufweist. Durch den erfindungsgemäßen Abstand zwischen beiden C-Profilen kann Wärme vom leeseitigen C-Profil nicht zum luvseitigen C-Profil fließen und dort das Kälte¬ mittel wieder erwärmen. Diese thermische Trennung wirkt sich somit beson¬ ders vorteilhaft bei Gaskühlern mit fallender oder gleitender Temperatur des überkritischen Kältemittels aus. Die lee- und luvseitigen Strömungskanäle können als getrennte Rohrreihen, z. B. zwei Reihen von Flachrohren oder auch als durchgehendes Flachrohr mit entgegengesetzt durchströmbaren Strömungskanälen ausgebildet sein.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann das C-Profil auch als Umlenk- einrichtung verwendet werden, indem zwischen beiden Schenkeln eine Leis-
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te eingeschoben wird, die entweder die Form eines Rechens oder einer Plat¬ te mit Schlitzen aufweisen kann. Die Schlitze sind als Langlöcher ausgebildet und umfassen die Rohrenden - sie bilden bei einer zweireihigen Rohranord¬ nung einen Übertrittskanal von einer zur anderen Rohrreihe.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind an den Leisten, Rechen oder Platten, Anschläge zur Begrenzung der Einstecktiefe der Rohre vorgesehen und vorzugsweise als Absätze ausgebildet, welche die Rohren¬ den, vorzugsweise an deren Schmalseiten übergreifen. Damit können die Rohre auf einfache Weise stets mit derselben Einstecktiefe montiert werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann in der Leiste, ins¬ besondere der Platte, kommunizierend zu den Langlöchern, ein Sammelka¬ nal für aus den Rohren austretendes Kältemittel angeordnet sein. Damit kann eine Parallelschaltung der Rohre, sei es für eine zweireihige oder eine einreihige Anordnung ermöglicht werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können beide C-Profile durch an den Rechen angeordnete Trennstege in jeweils zwei Kammern unterteilt werden, sodass sich für den gesamten Wärmeübertrager vier Kammern er¬ geben, von denen zwei sich etwa diagonal gegenüberliegende Kammern durch eine Übertrittseinrichtung miteinander verbunden sind. Damit ergibt sich der Vorteil, dass der Wärmeübertrager zweimal, jeweils halbseitig im Gegenstrom durchströmbar ist. Dies erhöht den Wärmeübertragungswir- kungsgrad. Möglich ist auch, durch mehrere Trennstege mehrere Kammern zu schaffen, die durch mehrere Übertrittseinrichtungen verbunden sind.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Übertrittsein¬ richtung jeweils einen Durchbruch im Stegbereich des C-Profils auf und ein Übertrittsteil, welches einen Verbindungs- oder Übertrittskanal zwischen bei¬ den C-Profilen bildet. Das Kältemittel tritt somit in die erste leeseitig gelege¬ ne Kammer ein, durchströmt nach Umlenkung in der Tiefe die zweite luvsei¬ tig angeordnete Kammer, tritt dann in die dritte leeseitig gelegene Kammer über und verlässt den Wärmeübertrager über die vierte luvseitig gelegene Kammer des luvseitigen C-Profils - damit liegen sich Kältemitteleintritt- und -
austritt etwa diagonal gegenüber, d. h. sie sind weitestgehend thermisch ge¬ geneinander isoliert (eine wärmeleitende Verbindung besteht nur im mittleren Übertrittsbereich).
Der erfindungsgemäße gelötete Wärmeübertrager ist insbesondere als Gas¬ kühler einer CO2-Klimaanlage vorteilhaft verwendbar, weil die erfindungs¬ gemäßen Sammel-, Verteil- und Umlenkeinrichtungen einerseits druckfest und andererseits variabel hinsichtlich der Strömungsführung sind und somit Umlenkungen des Kältemittels sowohl in der Breite als auch in der Tiefe er- möglichen, wodurch eine effektive Abkühlung des Kältemittels vom Eintritt bis zum Austritt möglich ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 einen Ausschnitt eines Gaskühlers mit C-Profil und eingesetztem
Rechen,
Fig. 1a einen Abschnitt eines Rechens mit Trennsteg, Fig. 2 einen Querschnitt durch den Gaskühler mit zwei C-Profilen und Übertrittsbereich,
Fig. 3 eine Ansicht von oben auf die C-Profile mit Übertrittsbereich, Fig. 4 einen Ausschnitt des Gaskühlers mit Umlenkeinrichtung, Fig. 5 eine alternative Form einer Umlenkeinrichtung mit C-Profil und Rohreinstecktiefenbegrenzung, Fig. 6 einen Schnitt durch eine weitere Umlenkeinrichtung mit Rohrein¬ stecktiefenbegrenzung und Sammelkanal, Fig. 7 ein einreihiges System mit C-Profil und Rechen und Fig. 8 ein einreihiges System mit C-Profil und Schlitzplatte.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Gaskühlers 1 mit einem Gaskühlerblock 2, bestehend aus Flachrohren 3 und zwischen diesen angeordneten Wellrip¬ pen 4. Die Flachrohre 3 sind in zwei Reihen angeordnet und mit den Wellrip¬ pen 4 verlötet. Auf eine Reihe der Flachrohre 3 ist ein C-Profil 5 aufgesteckt, welches längliche Öffnungen 6, so genannte Durchzüge, zur Aufnahme der Rohrenden der Flachrohre 3 aufweist. In die offene Seite des C-Profils ist ein
Rechen 7 eingesetzt, welcher im Bereich der Durchzüge 6 Aussparungen 7a für die Rohrenden und einen Trennsteg 7b aufweist. Das C-Profil 5 weist zwei als flache Seiten ausgebildete Schenkel 5a, 5b auf, welche durch einen Steg 5c verbunden sind. Das C-Profil kann durch Abkanten aus einem ebe- nen Blech hergestellt werden, wobei vor dem Abkanten die Durchzüge 6 durch Stanzprägen herstellbar sind.
Fig. 1a zeigt den Rechen 7 (teilweise) als Einzelteil mit dem Trennsteg 7b, wie er auch in Fig. 1 dargestellt ist. Das C-Profil, welches mit den Rohrenden der Flachrohre 3 und mit dem Rechen 7 verlötet ist, bildet einen Sammel¬ oder Verteilerkanal, welcher durch den Trennsteg 7b unterbrochen wird. Damit können innerhalb des C-Profils zwei oder mehrere Kammern gebildet werden. Das C-Profil 5 ist endseitig durch einen Endsteg 7c am Ende des Rechens 7 geschlossen.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt im oberen Bereich des Gaskühlers 1 mit einer ersten Rohrreihe I und einer zweiten Rohrreihe II. Die Luftströmungsrichtung ist durch einen Pfeil L dargestellt; somit ist die Rohrreihe I die leeseitige (stromabwärts gelegene) und die Rohrreihe Il die luvseitige (stromaufwärts gelegene). Auf der luvseitigen Rohrreihe Il ist das C-Profil 5 und auf der lee¬ seitigen Rohrreihe I ist ein weiteres C-Profil 8 angeordnet, welches ebenfalls durch einen Rechen 9 nach außen abgeschlossen und spiegelbildlich zum C-Profil 5 mit Rechen 7 ausgebildet ist. Beide C-Profile bilden Strömungska¬ näle 10, 11 , welche durch einen Übertrittskanal 12 miteinander verbunden sind. Zwischen beiden C-Profilen 5, 8 besteht ein Abstand a, in welchen ein T-förmig ausgebildetes Übertrittsteil 13 eingesetzt und mit den beiden C- Profilen 5, 8 verlötet ist. Der Übertrittskanal 12 wird - wie aus der Zeichnung ersichtlich - durch Durchbrüche in den Stegbereichen der C-Profile 5, 8 und des T-förmigen Übertrittsteiles 13 gebildet. Ein solcher Übertrittsbereich ist vorzugsweise in der Mitte des Wärmeübertragers bzw. im mittleren Bereich der beiden C-Profil 5, 8 angeordnet, sodass ein Übertritt des Kältemittels von der luvseitigen Kammer 10 in die leeseitige Kammer 11 ermöglicht wird. Je nach Zahl der Umlenkungen des Kältemittels in der Tiefe können auch meh¬ rere solcher Übertrittsbereiche an einem Wärmeübertrager vorgesehen sein.
Fig. 3 zeigt den Übertrittsbereich gemäß Fig. 2 in einer Ansicht von oben auf die beiden C-Profile 5, 8, die im Bereich ihrer Stege 5c, 8c geschnitten sind. Der Abstand a zwischen den beiden C-Profilen 5, 8 bewirkt eine thermische Entkopplung. Das vordere C-Profil 5 ist durch den Trennsteg 7b des Re- chens 7 in zwei Strömungskammern 10, 14 und das hintere C-Profil 8 durch einen Trennsteg 9b des Rechens 9 in zwei Strömungskammern 11 , 15 un¬ terteilt. Die beiden Trennstege 7b, 9b sind versetzt zueinander angeordnet, sodass sich zwischen den Kammern 10, 11 eine Überlappung bildet, inner¬ halb welcher der Übertrittskanal 12 angeordnet ist, der im Bereich des Ab- Standes a durch das T-förmig ausgebildete Übertrittsteil 13 gebildet wird. Somit erfolgt eine Z-förmige Strömungsumlenkung des Kältemittels von der Kammer 10 in die Kammer 11. Dabei ist die Strömungskammer 15 die Ein¬ trittskammer für das Kältemittel und die Strömungskammer 14 die Austritts¬ kammer für das Kältemittel aus dem Gaskühler 1. Der nicht dargestellte Käl- temitteleintritt und der ebenfalls nicht dargestellte Kältemittelaustritt liegen sich somit quasi diagonal gegenüber und weisen einen maximalen Abstand auf, was sich für den Wirkungsgrad des Gaskühlers als günstig erweist, ins¬ besondere auch in Verbindung mit der thermischen Entkoppelung durch den Abstand a beider C-Profile 5, 8.
Fig. 4 zeigt die den C-Profilen 5, 8 abgewandte Seite des Gaskühlers 1 mit einer Umlenkeinrichtung 16, die im Wesentlichen aus einem U-Profil 17 mit einem Wellenprofil 18 besteht. Das U-Profil 17 weist einen flachen Stegbe¬ reich 17a auf, welcher als Rohrboden fungiert und ausgestanzte Durchzüge 19 zur Aufnahme der Rohrenden der Flachrohre 3 aufweist. Beiderseits des Rohrbodens 17a sind U-Schenkel 17b, 17c im rechten Winkel abgekantet, die zwischen sich das Wellenprofil 18 aufnehmen und mit diesem dicht verlö¬ tet sind. Das Wellenprofil 18 weist eine Vielzahl von „Wellen" 18a, 18b..., die jeweils Umlenkkammern bilden und mit Rohren der ersten und der zweiten Rohreihe I1 Il kommunizieren. Das Wellenprofil 18 ist einerseits stirnseitig mit den beiden Schenkeln 17b, 17c verlötet und andererseits mit seinen nicht dargestellten Wellenkämmen mit dem Rohrboden 17a. Durch diese Umlenk¬ einrichtung 16 wird somit eine Umlenkung in der Tiefe bewirkt.
Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel stellt nur eine Möglichkeit von vielen für die Strömungsführung des Kältemittels innerhalb des erfindungs¬ gemäßen Gaskühlers 1 dar. Beispielsweise kann der in Figuren 2 und 3 be¬ schriebene Übertrittsbereich entfallen, sodass beide C-Profile 5, 8 kältemit- telseitig nicht miteinander verbunden, vielmehr völlig getrennt sind. Die An¬ ordnung der Trennstege könnte beispielsweise dahingehend abgeändert werden, dass nur der leeseitige Rechen 9 einen etwa mittleren Trennsteg 9b aufweist, der luvseitige Rechen 7 dagegen keinen Trennsteg. Dies hätte zur Folge, dass das Kältemittel, welches in die Eintrittskammer 15 eintritt, nach Umlenkung durch die Umlenkeinrichtung 16 die zweite Kammer 10 erreicht und sich dann auf die Kammer 14 verteilen würde. Nach der Umlenkung in der Tiefe über die Umlenkeinrichtung 16 würde also durch die Strömung von der Kammer 10 in die Kammer 14 eine Umlenkung in der Breite erfolgen. Nach erneuter Umlenkung in der Tiefe, jetzt in Luftströmungsrichtung L, wür- de die Kammer 11 vom Kältemittel erreicht, die jetzt Austrittskammer wäre. Weitere Strömungsführungen im Rahmen der Erfindung sind möglich.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Umlenkeinrichtung 20, welche als C-Profil 21 mit zwei parallel angeordneten Schenkeln 21a, 21b und einem Steg 21c ausgebildet ist. Zwischen die beiden Schenkel 21a, 21b ist eine Platte 22 eingeschoben, welche Schlitze 23 in Form von Langlöchern aufweist. Innerhalb der Langlöcher münden Rohrenden 24, 25, welche durch den unteren Schenkel 21a, welcher als Rohrboden fungiert, durchgesteckt sind. Der Block des Wärmeübertragers, bestehend aus Rohren und Rippen, ist hier nicht dargestellt. An der dem Schenkel 21a zugewandten Seite der Platte 22 sind Absätze 26, 27 angeordnet, welche die Rohrenden 24, 25 an ihren Schmalseiten teilweise übergreifen und somit als Begrenzung für die Einstecktiefe der Rohre wirken. Die Langlöcher 23 bilden einen Übertrittska¬ nal für die Rohre 24, 25 bzw. der ersten und der zweiten Rohrreihe. Die Montage der Umlenkeinrichtung 20 erfolgt in der Weise, dass zunächst die Platte 22 in den Spalt zwischen den beiden Schenkeln 21a, 21b geschoben und in dieser Position fixiert wird, was form- oder kraftschlüssig erfolgen kann. Danach wird die Umlenkeinrichtung 20 auf die Rohrenden 24, 25 des fertigen, nicht dargestellten Blockes aufgesteckt, wobei die Rohrenden 24,
25 mit ihren Oberkanten in Anschlag mit den Absätzen 26, 27 kommen. Da¬ nach kann der Wärmeübertrager verlötet werden.
Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Umlenkeinrichtung 28 in einer Schnittdarstellung. Das C-Profil 29 ist hier gestrichelt dargestellt. In¬ nerhalb des Profils 29 befindet sich eine Platte 30, welche an ihrer Untersei¬ te vier Absätze 31a, 31b, 31c, 31 d aufweist, welche jeweils die Schmalsei¬ tenoberkanten der beiden Flachrohre 32, 33 übergreifen und damit eine Ein¬ stecktiefenbegrenzung bilden. Oberhalb der Rohre 32, 33 sind in der Platte 30 zwei Langlöcher 34, 35 und darüber ein senkrecht zur Zeichenebene ver¬ laufender Sammelkanal 36 für aus den Rohren 32, 33 in Richtung der Pfeile P austretendes Kältemittel angeordnet. Diese Anordnung mit Sammelkanal 36 erlaubt eine Paralleldurchströmung der Rohre 32, 33, d. h. in gleicher Richtung, wie durch die Pfeile P dargestellt. Das austretende Kältemittel wird dann über den Sammelkanal 36 dem Austritt des Wärmeübertragers zuge¬ führt.
Fig. 7 zeigt ein Wärmeübertrager 37 als einreihiges System, d. h. mit nur einer Reihe von Flachrohren 38, welche vom unteren Schenkel 39a des C- Profils 39 aufgenommen werden. In das C-Profil 39 ist ein Rechen 40 - wie oben beschrieben - eingeschoben. Der plattenförmig ausgebildete Rechen 40 weist an seiner Unterseite einen Absatz 41 auf, welcher die Schmalseite des Rohrendes 38 übergreift und damit einen Anschlag zur (einseitigen) Be¬ grenzung der Einstecktiefe bildet. Seitlich kann der Wärmeübertrager 37 durch nicht dargestellte Seitenteile abgeschlossen werden, welche mit ihren Enden durch nicht dargestellte Schlitze im C-Profil 39 gesteckt werden.
Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen einreihigen Wärmeü¬ bertrager 42 mit C-Profil 43 und eingeschobener Platte 44, welche im Be- reich der Rohrenden 45 Schlitze in Form von Langlöchern 46 aufweist. Im Bereich der Schmalseiten der Rohrenden 45 sind Absätze 47, 48 als beid¬ seitige Einstecktiefenbegrenzung vorgesehen.
Die Erfindung ist nicht auf das Kältemittel R747 (CO2) beschränkt, sondern erstreckt sich auch auf Wärmeübertrager, die mit dem Kältemittel R134a oder R152 betrieben werden.