DE102006004983A1

DE102006004983A1 - Wärmetauscher, insbesondere Verdampfer einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage

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Publication number: DE102006004983A1
Application number: DE102006004983A
Authority: DE
Inventors: Gottfried Dipl.-Ing. Dürr; Frederik Dipl.-Ing. Götz; Michael Dipl.-Ing. Kranich; Karl-Heinz Dipl.-Ing. Staffa; Christoph Dipl.-Ing. Walter
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2005-03-07
Filing date: 2006-02-01
Publication date: 2007-05-03

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere Verdampfer einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage, umfassend eine Mehrzahl von Strömungspfaden, wobei jeder der Strömungspfade zumindest ein von einem Kühlmittel durchströmtes Mehrkanalrohr (6) aufweist, eine Zuleitung (1) und eine Ableitung (2) zum Zu- und Abführen des Kühlmittels zum Wäretauscher, zumindest einen Sammelbereich (3), wobei zumindest Abschnitte des Sammelbereichs (3) mit der Mehrzahl von Strömungspfaden verbunden sind, wobei der Wärmetauscher in einer Querrichtung von Kühlluft zur Kühlung des Kühlmittels durchströmbar ist, wobei der Wärmetauscher in einer zu der Querrichtung im wesentlichen senkrechten Längsrichtung eine größere bauliche Länge aufweist als in der Querrichtung und wobei die Zuleitung (1) in Längsrichtung orientiert an dem Sammelbereich (3) angeordnet und mit diesem verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung im Bereich der Verbindung mit dem Sammelbereich eine wirksame Zuleitungslänge in der Längsrichtung aufweist, die deutlich kleiner als eine wirksame Gesamtlänge des Sammelbereiches (3) ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

EP 1 459 026 A1 beschreibt einen Verdampfer für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage, bei dem eine Anzahl von Strömungspfaden für ein Kühlmittel jeweils in einen aus mehreren Platten aufgebauten Sammelbereich münden. In der vorliegenden Anmeldung wird die Bezeichnung Kählmittel synonym für Kältemittel verwendet, wie z.B. CO₂, R134a etc. Das Kühlmittel wird dem Sammelbereich über eine Zuleitung zugeführt, die sich im wesentlichen über die gesamte Länge des Wärmetauschers erstreckt, wobei periodisch beabstandet Verbindungslöcher zwischen Zuleitung und Sammelbereich vorgesehen sind. Die Beschickung des Verdampfers mit Kühlmittel auf seiner Hochdruckseite erfolgt somit im wesentlichen parallel über die gesamte Länge. Ganz allgemein und insbesondere bei langen Verdampfern und bei hinsichtlich der Entmischung einer Gasphase und einer flüssigen Phase kritischen Kühlmitteln kommt es regelmäßig vor, daß bei der vorgenannten Beschickung bereits eine Inhomogenität des Kühlmittels, zum Beispiel eine durch die hochdruckseitig geringe Strömungsgeschwindigkeit begünstigte Entmischung von flüssiger Phase und Gasphase, auftritt, weswegen letztlich die Temperaturverteilung bzw. Tauscherleistung in Längsrichtung inhomogen ist. Dies führt wiederum zu einem verschlechterten Wirkungsgrad. Be kannte Maßnahmen wie etwa die Variation der Verbindungslochdurchmesser über die Länge des Verdampfers ergeben nur unbefriedigende Verbesserungen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen eingangs genannten Wärmetauscher anzugeben, bei dem eine verbesserte Homogenität einer Temperaturverteilung über seine Länge mit einfachen Mitteln ermöglicht ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Das Zurückbleiben der wirksamen Zuleitungslänge, d.h. der Länge der Zuleitung, über die Kühlmittel in Längsrichtung des Wärmetauschers strömt, hinter der wirksamen Gesamtlänge, d.h. der von Kühlmittel durchströmten Länge des Wärmetauschers, ermöglicht die Ausbildung auch sehr langer Wärmetauscher, ohne daß bereits im Bereich der Zuleitung eine Phasenentmischung des Kühlmittels stattfindet. Hierdurch ist insgesamt eine homogenere Verteilung der flüssigen Phase des Kühlmittels und somit der für die Kühlleistung relevanten Verdampfung über die Länge des Wärmetauschers bzw. die Anzahl der Strömungspfade ermöglicht. Bevorzugt ist dabei die wirksame Zuleitungslänge nicht größer als die Hälfte der wirksamen Länge des Sammelbereichs, wodurch die erzielte Verbesserung besonders ausgeprägt ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine mit dem Sammelbereich verbundene Umlaufleitung vorgesehen, wobei Kühlmittel aus einer ersten Teilmenge von Strömungspfaden heraus in die Umlaufleitung eintritt und aus der Umlaufleitung in eine zweite Teilmenge von Strömungspfaden austritt. Hierdurch ist auf einfache Weise eine sequentielle Verschaltung von Gruppen von Strömungspfaden ermöglicht, so daß letztlich der gesamte Verdampfer trotz der verkürzten Zuleitung gleichmäßig mit flüssiger Phase beschickbar ist.

In weiterhin bevorzugter Ausführung kann zumindest eines aus der Gruppe Zuleitung, Ableitung oder Umlaufleitung ein Trennelement aufweisen, mittels dessen zumindest zwei Abschnitte der betreffenden Leitung kühlmitteldicht von einander abgetrennt sind. Hierdurch lassen sich Leitungen in mehrfacher Weise nutzen, etwa als Zuleitung und zugleich als Umlaufleitung, so daß besonders raumsparende und kostengünstige Ausführungen ermöglicht sind.

Bei einem bevorzugten Wärmetauscher weist der Sammelbereich eine Mehrzahl von Plattenelementen auf, durch deren Stapelung der Sammelbereich zumindest teilweise aufbaubar ist. Dies ermöglicht eine kostengünstige und zugleich druckfeste Konstruktion des Sammelbereichs. Vorteilhaft ist dabei die Zuleitung mit einem oberen Plattenelement des Sammelbereichs verbunden, wobei eine Mehrzahl von jeweils korrespondierenden Durchbrechungen in dem oberen Plattenelement und in der Zuleitung vorgesehen sind. Hierdurch ist eine einfache Verbindung von Zuleitung und Sammelbereich ermöglicht.

In einer vorteilhaften Ausführung mündet dabei zumindest eine Durchbrechung von Zuleitung und oberem Plattenelement in zumindest zwei Strömungspfade, wodurch die Anzahl der Durchbrechungen reduzierbar ist. In einer weiteren, alternativen oder ergänzenden Ausführung kann jedoch auch genau eine Durchbrechung von Zuleitung und oberem Plattenelement genau einem Strömungspfad zugeordnet sein, was wegen der größeren Anzahl von Durchbrechungen zu einer besonders sicheren Festlegung der Zuleitung führt.

In bevorzugter Ausbildung ist in dem Sammelbereich ein plattenförmiges Verteilerelement vorgesehen, wobei das Kühlmittel mittels einer Mehrzahl von in dem Verteilerelement vorgesehenen Durchbrechungen auf die Mehrzahl von Strömungspfaden verteilbar ist. Durch ein solches kulissenartig geformtes Verteilerelement ist nicht nur ein einfacher Aufbau des Sammelbereichs aus Platten ermöglicht, sondern auch eine durch die Formgebung der Durchbrechungen einfache Verteilung des Kühlmittels auf die einzelnen Strömungspfade. Die Verteilung kann dabei individuell parallel oder sequentiell erfolgen.

Weiterhin bevorzugt weist ein unteres Plattenelement eine Mehrzahl von Durchbrechungen auf, wobei die Strömungspfade im Bereich der Durchbrechungen an dem unteren Plattenelement festgelegt sind. Dies ermöglicht einen besonders kostengünstigen und zugleich sicheren Anschluß der Strömungspfade an den Sammelbereich, etwa mittels Verlötung.

Zweckmäßig ist zumindest einer der Strömungspfade als U-förmiges Flachrohr mit mehreren Kammern ausgebildet, wodurch eine große gemeinsame Oberfläche von Kühlmittel und Strömungspfad kostengünstig und zugleich druckfest bereitgestellt ist.

In besonders vorteilhafter Ausbildung der Erfindung ist die Mehrzahl von Strömungspfaden in eine Anzahl von Abschnitten gruppiert, wobei jeder Abschnitt zumindest einen Strömungspfad aufweist, wobei die Abschnitte in der Längsrichtung des Wärmetauschers nebeneinander angeordnet sind und wobei zwischen zumindest zwei der Abschnitte ein zu einer Zwischensammlung des Kühlmittels geeignetes Volumen vorgesehen ist. Hierdurch läßt sich eine gruppenweise sequentielle Anordnung der Strömungspfade realisieren, die besonders gut an eine verkürzte Zuleitung adaptierbar ist. Die Zwischensammlung führt zu einer erneuten Vermischung von in den Strömungspfaden ansatzweise entmischtem Kühlmittel, was die Effizienz und Homogenität des Wärmetauschers steigert. Zudem ist die Verwendung an sich bekannter Wärmetauscher bei nur kleinen Änderungen etwa im Bereich eines Verteilerelements kostensenkend ermöglicht.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist dabei die Anzahl der Abschnitte insgesamt zwei. Alternativ kann die Anzahl der Abschnitte aber auch eine andere Anzahl haben, insbesondere eine größere gerade Anzahl oder eine ungerade Anzahl größer oder gleich drei.

Allgemein bevorzugt ist der Wärmetauscher ein Verdampfer einer Kraftfahzeug-Klimaanlage, wobei das Kühlmittel Kohlendioxid (R 744) ist. Kohlendioxid ist hinsichtlich der angesprochenen Probleme im Stand der Technik besonders kritisch und erfordert zudem hohe Drücke, was mit den vorgeschlagenen Lösungen besonders gut harmoniert. Allgemein ist jedoch auch die Kombination eines konventionellen Kühlmittels wie etwa R134a mit einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher aufgrund dessen guter Eigenschaften hinsichtlich Herstellungskosten und Baugröße vorteilhaft.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Zuleitung im wesentlichen über die gesamte Länge des Wärmetauschers verlegt. Dies kann je nach Bauraumforderungen zweckmäßig sein. Wesentlich im Sinne der Erfindung ist, dass die wirksame Länge der Zuleitung, also die Länge, über die Kühlmittel in den Sammelbereich eintritt, begrenzt bleibt.

In bevorzugter Ausführung weist zumindest die Zuleitung oder die Ableitung eine Abflachung (301b) auf, wobei die Abflachung flächig mit dem Sammelbereich verlötet ist. Hierdurch ist eine sichere und dichte Festlegung der Leitung am Sammelbereich auf einfache Weise gegeben. Besonders bevorzugt weist dabei zumindest die Zuleitung oder die Ableitung einen im wesentlichen D-förmigen Querschnitt auf. Dieser Querschnitt ist durch Nachbearbeitung eines kostengünstigen kreisrunden Rohres erzielbar oder auch durch Strangpressverfahren oder auf andere an sich bekannte Weise. Weiterhin bevorzugt ist der Querschnitt von zumindest der Zuleitung oder der Ableitung außerhalb des Bereichs der flächigen Verlötung im wesentlichen kreisförmig. Hierdurch können zumindest außerhalb der flächigen Verlötung Standardrohre verwendet werden, die kostengünstiger sind als Leitungen mit besonderem Querschnitt. Der Teil mit D-förmigem Querschnitt kann insbesondere an den Teil mit kreisförmigem Querschnitt angeschweißt sein. Er kann aber auch durch Abplattung eines vollständig runden Rohres ausgebildet sein, so dass kreisförmiger Teil und D-förmiger Teil auch vor der Herstellung der Leitungen ein einheitliches Rohr ausgebildet haben.

Vorteilhaft hat zumindest die Zuleitung oder die Ableitung eine Ausformung, die formschlüssig mit einer Ausformung des Sammelbereichs zum Zweck einer Positionierung der Zuleitung oder Ableitung zusammenwirkt, wobei die Ausformung keinen Durchtritt von Kühlmittel ermöglichen. Durch solche Ausformungen ist eine genaue Positionierung insbesondere im Zuge einer Herstellung des Wärmetauschers ermöglicht.

Besonders vorteilhaft hat zumindest die Zuleitung oder die Ableitung eine Mehrzahl von Durchbrechungen, welche mit einer Mehrzahl von Durchbrechungen des Sammelbereichs zwecks Durchlass von Kühlmittel fluchten, wobei die Durchbrechungen nicht formschlüssig zusammenwirken. Hierdurch liegen kaum Verspannungen im Bereich der fluchtenden Durchbrechungen vor, so dass wenig Ausschuss bei der Produktion und eine dauerhafte Dichtigkeit dieser kritischen Verbindungsteilen gegeben ist.

In bevorzugter Ausgestaltung hat zumindest die Zuleitung oder die Ableitung Durchbrechungen zum Zwecke des Kühlmitteldurchtritts, die mittels Bohrung oder materialwegnehmender Stanzung hergestellt sind. Hierdurch lässt sich ein Leitungsquerschnitt auch im Bereich der Durchbrechungen beibehalten. Alternativ oder ergänzend kann es auch vorgesehen sein, dass die Zuleitung und/oder die Ableitung Durchbrechungen (301a) zum Zwecke des Kühlmitteldurchtritts aufweisen, die mittels Stanzung ohne Materialwegnahme hergestellt sind. Zwar wird hierdurch im allgemeinen der Leitungsquerschnitt an dieser Stelle verkleinert, jedoch besteht eine besonders hohe Sicherheit gegen löse anhaftende Materialreste, die im späteren Betrieb des Wärmetauschers in das Kühlmittel eintreten können.

Weitere Vorteile und Merkmale eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen.

Nachfolgend werden drei bevorzugte Ausführungsbeispiele sowie eine Anzahl von Abwandlungen eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines Wärmetauschers von vorne.
2 zeigt eine Draufsicht auf den Wärmetauscher aus 1 von oben. 3 zeigt eine Draufsicht auf den Wärmetauscher aus 1 von der Seite.
4 zeigt eine Schnittansicht durch den Wärmetauscher aus 1 im Bereich einer Zuleitung.
5 zeigt eine Schnittansicht durch den Wärmetauscher aus 1 im Bereich einer Ableitung.
6 zeigt eine Schnittansicht durch den Wärmetauscher aus 1 im Bereich einer Umlaufleitung.
7 zeigt eine Draufsicht auf eine Verteilerplatte des Wärmetauschers aus 1.
8 zeigt eine Draufsicht und eine seitliche Ansicht eines oberen Plattenelements des Wärmetauschers aus 1.
9 zeigt eine Draufsicht auf ein unteres Plattenelement des Wärmetauschers aus 1.
10 zeigt eine Schnittansicht eines Flachrohres des Wärmetauschers aus 1.
11 zeigt eine Draufsicht auf eine Verteilerplatte eines Wärmetauschers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
12 zeigt ein zu der Verteilerplatte aus 11 korrespondierendes oberes Plattenelement des zweiten Ausführungsbeispiels.
13 zeigt eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels
14 bis 36 zeigen jeweils eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers gemäß einer ersten bis entsprechend dreiundzwanzigsten Abwandlung.
37 zeigt eine zeigt eine Draufsicht auf ein drittes Ausführungsbeispiel eines Wärmetauschers von vorne.
38 zeigt eine Draufsicht auf den Wärmetauscher aus 37 von oben.
39 zeigt eine Draufsicht auf den Wärmetauscher aus 37 von der Seite.
40 zeigt eine maßstabsgerechte Draufsicht auf eine Verteilerplatte des Wärmetauschers aus 37.
41 zeigt eine Draufsicht und eine seitliche Schnittansicht entlang der Linie A-A eines oberen Plattenelements des Wärmetauschers aus
37.
42 zeigt eine Draufsicht, eine Schnittansicht entlang der Linie A-A der Draufsicht und eine stirnseitige Draufsicht auf eine Zuleitung des Wärmetauschers aus 37.
43 zeigt eine Abwandlung der Zuleitung aus 42 in einer Schnittansicht und in einer Detailansicht mit einem Stanzwerkzeug.
Der Wärmetauscher gemäß der ersten Ausführungsform ist ein Verdampfer für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage und umfaßt eine rohrförmige Zuleitung 1 sowie eine rohrförmige Ableitung 2. Beide Leitungen 1, 2 sind parallel zueinander in einer Längsrichtung des Verdampfers oberhalb eines sich über die gesamte Verdampferlänge erstreckenden Sammelbereichs 3 angeordnet. Jenseits des Sammelbereichs 3 sind Zuleitung 1 und Ableitung 2 zu einer gemeinsamen Flanschplatte 4 fortgeführt, über die sie mit der weiteren Klimaanlage des Fahrzeugs verbunden sind (nicht dargestellt). Im Bereich von Weiterführungen 1a, 2a zwischen Sammelbereich 3 und Flanschplatte 4 weisen die Leitungen eine Anzahl von Knicken und Biegungen auf, wodurch sie an die individuelle Geometrie des Einbauraums im Fahrzeug adaptiert sind. Als Zuleitung 1 bzw. Ableitung 2 im Sinne der Erfindung sind daher lediglich diejenigen Abschnitte der Leitungen definiert, in denen sie unmittelbar an dem Verdampfer angeordnet sind.
Ebenfalls parallel zu der Zuleitung 1 und der Ableitung 2 ist eine Umlaufleitung 5 oberhalb des Sammelbereichs 3 an diesem angeordnet und erstreckt sich über die gesamte Länge des Verdampfers. Die Umlaufleitung 5 ist als an seinen beiden Enden jeweils verschlossener Rohrabschnitt ausgebildet und weist etwa den gleichen Durchmesser auf wie die Zuleitung 1 und die Ableitung 2. Die Durchmesser von Zuleitung, Ableitung und Umlaufleitung können jedoch auch unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Auf einer Unterseite des Sammelbereichs 3 ist eine Mehrzahl von insgesamt zwanzig jeweils U-förmig gebogenen Flachrohren 6 angeordnet, wobei die Schenkelhöhen der U-förmigen Flachrohre zuzüglich der Sammelbereichshöhe und dem Zu- bzw. Ableitungsdurchmesser insgesamt die Bauhöhe des Verdampfers ergeben.
Jedes der Flachrohre 6 weist eine Mehrzahl von Kammern oder Kanälen 6a auf (siehe Querschnitt durch einen der Flachrohrschenkel in 10). Dabei bildet im vorliegenden Beispiel nur jeweils die Hälfte der Kammern 6a jedes der Flachrohre 6 zusammen einen Strömungspfad aus bzw. ist hydraulisch parallel angeordnet. In Richtung des Kühlluftstroms, also senkrecht zur Zeichnungsebene gemäß 1, liegen somit jeweils zwei Strömungspfade in jedem Flachrohr in der Tiefe hintereinander.
Die insgesamt zwanzig Flachrohre 6 sind mit ihren vierzig Enden jeweils in Ausnehmungen 7a eines unteren Plattenelements 7 (siehe 9) einfügbar und dort verlötbar. Ein zentraler, in Längsrichtung verlaufender Steg 7b des Plattenelements 7 trennt dabei die beiden Gruppen von Kammern 6a voneinander.
Zur weiteren Ausbildung des Sammelbereichs 3 ist eine Verteilerplatte 8 (siehe 7) plan auf die untere Abschlußplatte 7 aufgelegt und flächig, zumindest jedoch entlang geschlossener Randlinien mit dieser verlötet. Die Verteilerplatte 8 hat eine Anzahl von kulissenartigen Durchbrechungen 8a, die teilweise mit den Durchbrechungen 7a der unteren Abschlußplatte 7 und somit mit den Stirnflächen der Flachrohre 6 fluchten. Nicht fluchtende Teile der Durchbrechungen, z.B. H-förmige Durchbrechungen 8b der Verteilerplatte 8 sind dazu vorgesehen, verschiedene Strömungspfade miteinander zu verbinden. Die gezeigten H-förmigen Durchbrechungen verbinden dabei jeweils zwei benachbarte Flachrohre 6 bzw. vier Strömungspfade miteinander.
Oberhalb der Verteilerplatte 8 ist ein oberes Plattenelement 9 des Sammelbereichs 3 plan auf der Verteilerplatte 8 verlötet. Das Plattenelement 9 weist eine Anzahl von kreisförmigen Durchbrechungen 9a auf, die mittels Stanzung von jeweils der gleichen Seite hergestellt wurden. Durch die Stanzung entsteht auf der der Verteilerplatte abgewandten Seite jeweils ein überstehender Kragen 9b (siehe Seitenansicht des Plattenelements in 9), mittels dessen die Zuleitung 1, Ableitung 2 und Umlaufleitung 5 besonders leicht anbringbar sind. Wie aus der maßstabsgerechten Zeichnung 8 ersichtlich wird, weisen die Löcher 9a gruppenweise unterschiedliche Weiten auf, so daß den verschiedenen Drücken und Kühlmitteldichten im Verdampfer Rechnung getragen wird.
Wie die Darstellungen 4 bis 6 zeigen, sind die rohrförmigen Leitungen 1, 2 und 5 jeweils mit Bohrungen versehen, welche mit den zuvor beschriebenen Stanzungen 9a des oberen Plattenelelements 9 korrespondieren. Im Zuge der Montage des Verdampfers werden die Leitungen 1, 2, 5 somit auf die Kragen 9b aufgesteckt und kühlmitteldicht verlötet, wodurch zugleich eine mechanisch sichere Verbindung zwischen Sammelbereich und Leitung 1, 2, 5 hergestellt ist.
Die Abstände der am weitesten entfernten Bohrungen ergeben eine wirksame Längen der jeweiligen Leitung 1, 2, 5. Eine hinsichtlich des Wärmetauschs gesamte wirksame Verdampferlänge ist sinnvoll als der größte Abstand zweier Strömungspfade in Längsrichtung des Verdampfers definiert. Hieraus ergibt sich, daß im vorliegenden Ausführungsbeispiel die wirksame Länge der Zuleitung 1 weniger als 40% der wirksamen Verdampferlänge beträgt.
Die Erfindung funktioniert nun wie folgt:
Durch die Zuleitung 1 wird dem Verdampfer ein unter hohem Druck stehendes aus flüssiger und gasförmiger Phase eines Kühlmittels zugeführt, welches vorliegend Kohlendioxid (R 744) ist. Das Kühlmittel tritt durch die Stanzungen 9a bzw. Löcher der Zuleitung in eine erste Gruppe aus acht Strömungspfaden ein. Es erfolgt in den H-förmigen Durchbrechungen eine Übergabe an die acht korrespondierenden gegenüberliegenden Strömungspfade, wobei jeweils ein zuerst und ein nachfolgend durchlaufener Strömungspfad zu dem gleichen Flachrohr gehören („Übergabe in der Tiefe"). Nach passieren von 16 der insgesamt vierzig Strömungspfade des Verdampfers tritt das Kühlmittel durch etwa größere Bohrungen in die Umlaufleitung 5 ein. Diese 16 ersten Strömungspfade, die den ersten acht Flachrohren von rechts gemäß 1 entsprechen, sind somit in einen ersten Abschnitt gruppiert.
Die Umlaufleitung 5 hat die Funktion eines Zwischensammlers, so daß das Kühlmittel der verschiedenen Strömungspfade neu vermischt wird. Zugleich fließt es gemäß 1 nach links, wobei die Strömungsgeschwindigkeit gegenüber der Zuleitung 1 bereits deutlich erhöht ist. Durch Entmischung bedingte Probleme sind an dieser Stelle bereits deutlich geringer geworden.
Auf der linken Seite des Verdampfers bilden die restlichen zwölf Flachrohre eine zweite Gruppe bzw. einen zweiten Abschnitt von insgesamt vierundzwanzig Strömungspfaden 6 aus. Dabei erfolgt durch die Bohrungen 9a zunächst der Eintritt von der Umlaufleitung in die ersten zwölf Strömungspfade des zweiten Abschnitts und dann mittels der H-förmigen Durchbrechungen der Verteilerplatte in die zweiten zwölf Strömungspfade des zweiten Abschnitts. Der höheren Anzahl von Strömungspfaden des zweiten Abschnitts wird bei der als isobar anzusehenden Umlaufleitung 5 dadurch Rechnung getragen, daß der Durchmesser der Stanzungen 9a des zweiten Abschnitts kleiner ist als der Durchmesser der acht Stanzungen des ersten Abschnitts (siehe 8 und 6). Der Durchmesser der Stanzungen kann jedoch auch ein anderes relatives Verhältnis haben.
Letztlich tritt das vollständig verdampfte und entspannte Kühlmittel aus besonders großen zwölf Stanzungen in die Ableitung ein, um von dort dem weiteren Kältekreislauf zugeführt zu werden.
Gemäß der Funktion des Verdampfers werden während des vorbeschriebenen Betriebs die Flachrohre 6 von Kühlluft umströmt, die nachfolgend zur Luftkonditionierung eines Fahrzeuginnenraums verwendet wird.
Das zweite bevorzugte Ausführungsbeispiel gemäß 11 und 12 unterscheidet sich von dem ersten Beispiel lediglich in der Ausbildung der Stanzungen 9a' und ihrer korrespondierenden Bohrungen in den Leitungen 1, 2, 6 sowie in der Ausformung der Verteilerplatte 8'. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel sind hier einige der Durchbrechungen 9a' jeweils so ausgeformt, daß zwei Strömungspfade 6a durch jeweils eine einzige Bohrung unmittelbar mit Kühlmittel beschickt werden. Allerdings werden ebenso wie beim ersten Ausführungsbeispiel weiterhin zwei Strömungspfade pro Abschnitt des Verdampfers druchströmt, wofür ebenfalls H-förmige Durch brechungen 8a' zwecks Übergang zwischen den Strömungspfaden zuständig sind.
Insgesamt wurde dadurch die Zahl der Bohrungen bzw. Stanzungen 9a' reduziert. Es sind nur vierundzwanzig Stanzungen 9a' vorhanden, und zwar jeweils sechs für jeden Austritt bzw. Eintritt des Kühlmittels in die Leitungen 1, 2, 5. Somit sind im zweiten Ausführungsbeispiel auch die beiden sequentiellen Abschnitte bzw. Gruppen von Strömungspfaden gleich groß, was jedoch je nach Anforderungen leicht abwandelbar ist.
Im zweiten Ausführungsbeispiel beträgt die wirkame Zuleitungslänge geringfügig weniger als die Hälfte der wirksamen Gesamtlänge des Verdampfers, wie sich aus den entsprechenden maximalen Bohrungsabständen von Zuleitung 1 und Verdampfer in Längsrichtung ergibt.
Nachfolgend werden zur Verdeutlichung der Tragweite des erfindungsgemäßen Konzepts dreiundzwanzig Abwandlungen gemäß der 14 bis 36 beschrieben. Dabei handelt es sich jeweils nur um die konzeptionelle Anordnung von Zuleitung, Ableitung und gegebenenfalls weiterer Umlaufleitungen. Austritte von Kühlmittel aus einer Leitung ist jeweils mit einem gekreuzten Kreis symbolisiert, wogegen Eintritte jeweils mit einem punktierten Kreis symbolisiert sind. Strömungspfade für das Kühlmittel sind durch Verbindungslinien zwischen den Leitungen symbolisiert.
14 zeigt eine Abwandlung nach dem Prinzip der beiden detailliert beschriebenen Ausführungsbeispiele mit einer Zuleitung, einer Ableitung, einer Umlaufleitung und zwei Abschnitten von Strömungspfaden, wobei der zweite Abschnitt die doppelte Anzahl von Strömungspfaden aufweist.
15 zeigt die Abwandlung von 14 mit Zuleitung und Ableitung auf entgegengesetzten Seiten.
16 zeigt die Abwandlung aus 15 mit zwei gleich großen Abschnitten.
17 zeigt eine Abwandlung mit drei Abschnitten, wobei eine zweite Umlaufleitung zur Beschickung des dritten Abschnitts vorgesehen ist.
18 zeigt die Abwandlung aus 17 mit verkürzten Umlaufleitungen.
19 zeigt eine Abwandlung mit drei Abschnitten, wobei jeweils eine Umlaufleitung mittels Abtrennung eines Abschnitts der Zuleitung und der Ableitung durch ein kühlmitteldichtes Trennelement ausgebildet ist. Hierdurch ist ein besonders schmalbauender Verdampfer realisierbar, da nur zwei Leitungsrohre parallel zueinander laufen.
20 zeigt eine Abwandlung mit drei Abschnitten und einem separaten Umlaufrohr, wobei die Ableitung ein Trennelement zur Abtrennung eines weiteren Umlaufrohres aufweist und in Gegenrichtung zur Zuleitung von dem Verdampfer wegführt.
21 zeigt eine Abwandlung mit drei Abschnitten und zwei separaten Umlaufrohren, wobei Zuleitung und Ableitung auf der gleichen Seite angeordnet sind.
22 zeigt eine zur 21 ähnliche Abwandlung mit kurzen Umlaufleitungen.
23 zeigt eine Abwandlung mit drei Abschnitten, einer separaten Umlaufleitung und Trennelementen in Zuleitung und Ableitung, wobei Zuleitung und Ableitung in entgegengesetzte Richtungen abgehen.
24 zeigt eine Abwandlung mit fünf Abschnitten, wobei zwei separate Umlaufleitungen mit jeweils einem Trennelement zur Generierung von faktisch vier Umlaufleitungen vorgesehen sind.
25 zeigt eine Lösung für fünf Abschnitte mit insgesamt drei parallelen Leitungen, was durch entsprechende Trennelemente in Zuleitung und Umlaufleitung realisiert ist.
26 zeigt eine Lösung mit vier parallelen Leitungen und fünf Abschnitten, wobei zusätzliche Trennelemente vorgesehen sind.
27 zeigt eine Abwandlung mit vier Abschnitten, wobei drei Leitungsrohre vorgesehen sind und Zuleitung und Ableitung entgegengesetzt fortführen. Die Lösung ist im Prinzip auf 6 oder mehr geradzahlige Abschnitte erweiterbar.
28 zeigt eine Abwandlung mit vier oder mehr geradzahligen Abschnitten, wobei Zuleitung und Ableitung mittels Trennelementen im gleichen Leitungsrohr vorgesehen sind und nur eine Umlaufleitung vortliegt.
29 zeigt die Abwandlung aus 28 mit nur zwei Abschnitten und somit nur einem Trennelement zwischen Zuleitung und Ableitung.
30 zeigt eine Lösung mit 4 oder mehr Abschnitten bei einer Zuleitung, einer gegenseitigen Ableitung und einer Umlaufleitung.
31 zeigt eine Variante, bei der Zuleitung und Ableitung ihre Anschlüsse in Längsrichtung mittig haben und senkrecht zur Längsrichtung fortgeführt sind. Es liegen zwei Abschnitte und eine Umlaufleitung vor.
32 zeigt eine Variante von 29 mit asymetrischer Teilung der Abschnitte und an den Verdampferenden jeweils abgewinkelter Zu- und Ableitung.
33 zeigt die Variante aus 32 mit separaten Rohren für Zuleitung und Ableitung, so daß kein Trennelement erforderlich ist.
34 zeigt die Variante aus 33 mit in bezüglich der Luftströmung in entgegengesetzter Richtung fortgeführter Zu- und Ableitung.
35 zeigt eine Variante mit zwei Abschnitten, bei der der erste Abschnitt hinsichtlich der einzelnen Strömungspfade jeweils hälftig auf die Endbereiche des Verdampfers verteilt ist, wobei der zweite Abschnitt sich zwischen den beiden Untergruppen von Strömungspfaden des ersten Abschnitts befindet. Hierdurch ist eine Feinanpassung an eine Verteilung der Luftströmung ermöglicht.
36 zeigt eine zu 35 abgewandelte Anordnung, bei der Untergruppen von Strömungspfaden des zweiten Abschnitts jeweils an den Verdampferenden Angeordnet sind. Die Untergruppen sind zur genaueren Anpassung asymmetrisch verteilt, wobei an einem Ende nur ein Strömungspfad und am anderen Ende drei Strömungsfpade des zweiten Abschnitts vorgesehen sind.
Bei dem dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel gemäß 37 bis 43 ist die Zuleitung 301 nahezu über die gesamte Gehäuselänge des Wärmetauschers verlegt und zwischen einer Ableitung 302 und einer Umlaufleitung 305 angeordnet. Die wirksame Länge Lz der Zuleitung ergibt sich als maximaler Abstand von insgesamt fünf in Zuleitungsrichtung nacheinander angeordneten Durchbrechungen 301a, über die das Kältemittel in den Wärmetauscher eintritt. Eine wirksame Länge Ls eines Sammelbereichs 303 ergibt sich aus einem maximalen Abstand zweier Strömungspfade in Längsrichtung des Wärmetauschers. Vorliegend beträgt die wirksame Zuleitungslänge Lz etwa 43% der wirksamen Verdampferlänge Ls. Die Zeichnungen 37 bis 43 sind in sich jeweils maßstabsgerecht.
Der Sammelbereich 303 ist analog zu den ersten Ausführungsbeispielen aus einem oberen Plattenelement 309, einer Verteilerplatte 308 und einem unteren Plattenelement 307 zur Aufnahme von Flachrohren 306 aufgebaut. Die Verteilerplatte 308 weicht in der genauen Anordnung ihrer Durchbrechungen 308a von den vorherigen Ausführungsbeispielen ab, funktioniert jedoch nach identischem Prinzip. Die Plattenelemente 307, 308, 309 sind an ihren anliegenden Flächen flächig miteinander verlötet. Das untere Plattenelement entspricht demjenigen aus dem ersten Ausführungsbeispiel. Aus einer Überlagerung der Zeichnungen 40 und 41 ergeben sich unmittelbar die vorgesehenen Strömungswege des Kühlmittels innerhalb des Wärmetauschers. Ebenso wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen sind dabei in Entsprechung zu dem abnehmenden Druck die Durchbrechungen in den Leitungen und im oberen Plattenelement 309 im Verlauf des Strömungswegs des Kühlmittels zunehmend größer ausgeführt.
Die Zuleitung 301, die Ableitung 302 und die Umlaufleitung 305 weisen im Bereich ihres Kontakts mit einem oberen Plattenelement 309 jeweils eine Abflachung 301b auf, so dass die Leitungen über diesen Abschnitt einen D-förmigen Querschnitt haben (siehe 39, 42). Außerhalb des Anlagebereichs sind Zuleitung 301 und Ableitung 302 im Querschnitt kreisförmig.
Zudem weisen die Leitungen 301, 302, 305 im Bereich der Abflachung 301b Durchbrechungen 301c auf, die mit eingeprägten Erhebungen 309b des oberen Plattenelements 309 korrespondieren. Da die Erhebungen 309b keinen Durchtritt für das Kältemittel bereitstellen (siehe 41), dient der Eingriff der Erhebungen 309b in die Durchbrechungen 301c, also das formschlüssige Zusammenwirken korrespondierender Ausformungen, lediglich der Platzierung und Halterung der Leitungen 301, 302, 305 im Zuge der Herstellung des Wärmetauschers. Dabei ist die Oberseite des oberen Plattenelements 309 flächig mit Lot plattiert. Nach justierter Anordnungen der Leitungen 301, 302, 305 werden diese in ihrem Anlagebereich 301b flächig mit dem oberen Plattenelement 309 verlötet. dabei fluchten Durchbrechungen 309a des oberen Plattenelements mit den jeweiligen Durchbrechungen 301a, ohne dass die Durchbrechungen 301a, 309a wie im ersten Ausführungsbeispiel formschlüssig ineinander greifen müssen. Zweckmäßig ist jeweils eine der Durchbrechungen 301a maßgenau bezüglich des vorgegebenen Durchtrittsquerschnitts für das Kältemittel, und die jeweils andere der Durchbrechungen 309a weist ein Übermaß auf, um unvermeidlichen Toleranzen bei der Positionierung der Leitungen Rechnung zu tragen.
Gemäß 42 weisen die Durchbrechungen 301a keine Grate oder überstehenden Materialreste auf. Dies lässt sich durch Bohrung oder zumeist kostengünstigere Stanzung und anschließende Entgratung und Entfernung des ausgestanzten Materials erzielen. Dies kann zum Beispiel unter Verwendung von Pressluft geschehen. Allgemein verbleibt hier ein gewisses Risiko von losen Graten oder nicht vollständig entfernten Materialresten, die im späteren Betrieb in den Kältekreislauf geraten könnten.
In einer Abwandlung gemäß 43 wird die Leitung 301 daher mittels eines geeigneten Werkzeugs 310 ohne Materialwegnahme, also materialerhaltend, gestanzt, um die Öffnungen 301a, 301b zu erzeugen. Dabei bleibt das aus der Öffnung entfernte Material 301d der Leitungswandung innerhalb der Leitung angeordnet und fest mit der übrigen Wandung verbunden. Auf diese Weise wird eine hohe Sicherheit gegen Eintritt von Materialabfall in den Kältekreislauf erzielt. Allerdings wird prinzipbedingt der Querschnitt der Leitung 301, 302, 305 verkleinert, was einen entsprechenden Druckabfall zur Folge hat. Zweckmäßig kann daher vorgesehen sein, dass nur Leitungsteile mit hohem Druck und niedriger Strömungsgeschwindigkeit, insbesondere die Zuleitung 301, mittels Stanzung ohne Materialwegnahme hergestellt werden.

Claims

Wärmetauscher, insbesondere Verdampfer einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage, umfassend eine Mehrzahl von Strömungspfaden, wobei jeder der Strömungspfade zumindest ein von einem Kühlmittel durchströmtes Mehrkanalrohr (6) aufweist, eine Zuleitung (1) und eine Ableitung (2) zum Zu- und Abführen des Kühlmittels zum Wärmetauscher, zumindest einen Sammelbereich (3), wobei zumindest Abschnitte des Sammelbereichs (3) mit der Mehrzahl von Strömungspfaden verbunden sind, wobei der Wärmtauscher in einer Querrichtung von Kühlluft zur Kühlung des Kühlmittels durchströmbar ist, wobei der Wärmetauscher in einer zu der Querrichtung im wesentlichen senkrechten Längsrichtung eine größere bauliche Länge aufweist als in der Querrichtung, und wobei die Zuleitung (1) in Längsrichtung orientiert an dem Sammelbereich (3) angeordnet und mit diesem verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung im Bereich der Verbindung mit dem Sammelbereich eine wirksame Zuleitungslänge in der Längsrichtung aufweist, die deutlich kleiner als eine wirksame Gesamtlänge des Sammelbereiches (3) ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Zuleitungslänge nicht größer als die Hälfte der wirksamen Länge des Sammelbereichs (3) ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit dem Sammelbereich (3) verbundene Umlaufleitung (5) vorgesehen ist, wobei Kühlmittel aus einer ersten Teilmenge von Strömungspfaden heraus in die Umlaufleitung (5) eintritt und aus der Umlaufleitung (5) in eine zweite Teilmenge von Strömungspfaden austritt.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines aus der Gruppe Zuleitung (1), Ableitung (2) oder Umlaufleitung (5) ein Trennelement aufweist, mittels dessen zumindest zwei Abschnitte der betreffenden Leitung kühlmitteldicht von einander abgetrennt sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelbereich (3) eine Mehrzahl von Plattenelementen (7, 8, 9) umfaßt, durch deren Stapelung der Sammelbereich (3) zumindest teilweise aufbaubar ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (1) mit einem oberen Plattenelement (9) des Sammelbereichs (8) verbunden ist, wobei eine Mehrzahl von jeweils korrespondierenden Durchbrechungen (9a) in dem oberen Plattenelement (9) und in der Zuleitung (1) vorgesehen sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Durchbrechung (9a) von Zuleitung (1) und oberem Plattenelement (9) in zumindest zwei Strömungspfade mündet.
Wärmetauscher nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einem der Strömungspfade genau eine Durchbrechung (9a) von Zuleitung (1) und oberem Plattenelement (9) zugeordnet ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein plattenförmiges Verteilerelement (8) vorgesehen ist, wobei das Kühlmittel mittels einer Mehrzahl von in dem Verteilerelement (8) vorgesehenen Durchbrechungen (8a) auf die Mehrzahl von Strömungspfaden verteilbar ist.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein unteres Plattenelement (7) eine Mehrzahl von Durchbrechungen (7a) aufweist, wobei die Strömungspfade im Bereich der Durchbrechungen (7a) an dem unteren Plattenelement (7) festgelegt sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Strömungspfade als U-förmiges Flachrohr (6) mit mehreren Kammern (6a) ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Strömungspfaden in eine Anzahl von Abschnitten gruppiert ist, wobei jeder Abschnitt zumindest einen Strömungspfad aufweist, wobei die Abschnitte in der Längsrichtung des Wärmetauschers nebeneinander angeordnet sind und wobei strömungstechnisch zwischen zumindest zwei der Abschnitte ein zu einer Zwischensammlung des Kühlmittels geeignetes Volumen vorgesehen ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Abschnitte zwei oder eine größere gerade Zahl ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Abschnitte insgesamt drei oder eine größere ungerade Zahl ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel Kohlendioxid (R 744) ist.
Wärmetauscher nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung im Bereich der Verbindung mit dem Sammelbereich eine wirksame Zuleitungslänge in der Längsrichtung aufweist, die kürzer ist als die Länge der Zuleitung selbst.
Wärmetauscher nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung im Bereich der Verbindung mit dem Sammelbereich auf mehrere Rohre, Rohrbereiche oder Teilrohrbereiche aufgeteilt ist.
Wärmetauscher nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung (301) im wesentlichen über die gesamte Länge des Wärmetauschers verlegt ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Zuleitung (301) oder die Ableitung (302) eine Abflachung (301b) aufweist, wobei die Abflachung (301b) flächig mit dem Sammelbereich (303) verlötet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Zuleitung (301) oder die Ableitung (302) einen im wesentlichen D-förmigen Querschnitt aufweisen.
Wärmetauscher nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt von zumindest der Zuleitung (301) oder der Ableitung (302) außerhalb des Bereichs der flächigen Verlötung im wesentlichen kreisförmig ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Zuleitung (301) oder die Ableitung (302) eine Ausformung (301c) aufweist, die formschlüssig mit einer Ausformung (309b) des Sammelbereichs zum Zweck einer Positionierung der Zuleitung (301) oder Ableitung (302) zusammenwirkt, wobei die Ausformung (301c, 309b) keinen Durchtritt von Kühlmittel ermöglichen.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Zuleitung (301) oder die Ableitung (302) eine Mehrzahl von Durchbrechungen (301a) aufweist, welche mit einer Mehrzahl von Durchbrechungen (309a) des Sammelbereichs (303) zwecks Durchlass von Kühlmittel fluchten, wobei die Durchbrechungen (301a, 309a) nicht formschlüssig zusammenwirken.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Zuleitung (301) oder die Ableitung (302) Durchbrechungen (301a) zum Zwecke des Kühlmitteldurchtritts aufweisen, die mittels Bohrung oder materialwegnehmender Stanzung hergestellt sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Zuleitung (301) oder die Ableitung (302) Durchbrechungen (301a) zum Zwecke des Kühlmitteldurchtritts aufweisen, die mittels Stanzung ohne Materialwegnahme hergestellt sind.