DE102010001566A1 - Flachrohr für einen Niedertemperaturkühler - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Flachrohr für einen Niedertemperaturkühler, wobei das Flachrohr (1) mehrere nebeneinander angeordnete Kanäle (2) aufweist, die von einer zu kühlenden Flüssigkeit durchströmbar sind, wobei die Kanäle (2) so dimensioniert sind, dass sie einen hydraulischen Durchmesser (Dh) von 0,68 mm bis 0,97 mm aufweisen, und wobei der hydraulische Durchmesser (Dh) das vierfache des Quotienten aus Querschnittsfläche (A) und innerem Umfang (U) der Kanäle (2) beträgt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Flachrohr für einen Niedertemperaturkühler. Dabei weist das Flachrohr mehrere nebeneinander angeordnete Kanäle auf, durch die eine zu kühlende Flüssigkeit geführt werden kann.
• Niedertemperaturkühler werden in einem Fahrzeug zur indirekten Kühlung von Wärmetauschern wie z. B. beim Einsatz von indirekten Ladeluftkühlern, Stapelscheibenölkühlern oder in jüngerer Zeit der Batteriekühlung bzw. zusätzlich im Auto benötigter Elektronikkühlung eingesetzt. Vielfach wird dabei eine in einem Hauptkühler vorgesehene Niedertemperaturkühlstrecke eingesetzt.
• Reicht die Effizienz einer solchen Niedertemperaturkühlstrecke nicht aus, kann ein separater Niedertemperaturkühler eingesetzt werden. Für derartige Kühler wird -auch in Bezug auf die „Niedertemperaturkühlung” bei indirekter Ladeluftkühlung- eine sehr hohe Leistungsabfuhr des Niedertemperaturkühlers bei geringen Kühlmittelmassensträmen gefordert, wobei der Kühlmittelmittelmassenstrom weiterhin sehr gering im Vergleich zum herkömmlichen Kühlmittelkühler für die Motorkühlung ist.
• Zur Niedertemperaturkühlung kann konventionelle, herkömmliche Kühlmittelkühlertechnologie (u. a. geschweißt mit/ohne Turbulenzen) eingesetzt werden, die jedoch eine reduzierte Leistungsabgabe aufweist, da sie auf hohe Kühlmittelmassenströme ausgelegt ist.
• Ferner können extrudierte Flachrohre oder geschweißte Flachrohren mit Innenturbulenzeinlage eingesetzt werden, denen jedoch eine geringe Effizienz und eine reduzierte Leistungsabgabe gemeinsam ist, da sie für Kältemitteltechnologien ausgelegt sind.
• Alle bisherigen Lösungen zeigen ein geringes Leistungsniveau für die neue Anwendung der „Niedertemperaturkühlung” im Automobilbau.
• Demgegenüber ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Flachrohr für einen Niedertemperaturkühler anzugeben, welches eine möglichst hohe Kühlleistung aufweist.
• Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch ein Flachrohr gelöst, dessen Kanäle so dimensioniert sind, dass sie einen hydraulischen Durchmesser von 0,68 mm bis 0,97 mm aufweisen, wobei der hydraulische Durchmesser das Vierfache des Quotienten aus Querschnittsfläche und innerem Umfang der Kanäle beträgt.
• Der Einsatz von speziell für die neueste Anwendung von Niedertemperaturkühlern ausgelegten Flachrohren kann die Leistungssteigerung der Niedertemperaturkühler bei weiterhin niedrigen Kühlmittelmassenströmen ermöglichen. Ermöglicht wird dies durch eine optimale Dimensionierung der Kanäle im Flachrohr. Es wurde überraschend gefunden, dass diese bei einem hydraulischen Durchmesser von 0,68 mm bis 0,97 mm erzielt wird. Bei einer derartigen Dimensionierung tritt höchste Leistungsabgabe bei weiterhin niedrigen Kühlmittelmassenströmen ein.
• Wie gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, kann dieser Wertebereich zur weiteren Optimierung vorteilhaft auf einen hydraulischen Durchmesser (Dh) von 0,68 mm bis 0,87 mm eingeschränkt werden.
• Es wurde ferner gefunden, dass der Querschnitt der Kanäle vorteilhaft nicht in kreisrunder Form ausgeführt sein sollte, sondern, wie gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, eine rechteckige, dreieckige oder ovale Querschnittsfläche aufweist.
• Weitere Ausgestaltungen der Erfindung betreffen die übrige vorteilhafte, die Effizienz steigernde Dimensionierung des Flachrohrs und dessen Kanälen. Dabei weist die Breite der Kanäle Abmessung von 0,47 mm bis 0,76 mm, vorzugsweise 0,47 mm bis 0,66 mm, und die Wandstärke der Kanäle Abmessungen von 0,2 mm bis 0,35 mm, vorzugsweise 0,2 mm bis 0,3 mm, auf. Ferner weist die Flachrohrtiefe vorteilhaft Abmessungen von 12 mm bis 20 mm, vorzugsweise 14 mm bis 18 mm, auf und dessen Höhe Abmessungen von 1,4 mm bis 2,2 mm, vorzugsweise 1,6 mm bis 2,0 mm. Damit wird jeweils ein optimaler Wirkungsgrad des Flachrohrs bzw. von dessen Kanälen für eine Niedertemperaturkühlung erzielt.
• Nach weiteren Ausgestaltungen der Erfindung kann das erfindungsgemäße Flachrohr vorteilhaft in einem Niedertemperaturkühler eingesetzt werden. Dabei werden mehrere Flachrohre übereinander angeordnet, wobei zwischen ihnen Kühlrippen vorgesehen sind.
• Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
• 1 einen schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Flachrohr,
• 2 eine graphische Darstellung der Leistung und des inneren Druckabfalls über der Kühlmittelgeschwindigkeit für verschiedene Flachrohr-Dimensionierungen und für einen ersten Leistungspunkt,
• 3 eine graphische Darstellung der Leistung und des inneren Druckabfalls über der Kühlmittelgeschwindigkeit für verschiedene Flachrohr-Dimensionierungen und für einen zweiten Leistungspunkt,
• 4. eine graphische Darstellung des Verhältnisses aus Leistung zu Innerer Druckabfall für beide Leistungspunkte aufgetragen über der inneren Kühlmittelgeschwindigkeit,
• 5 eine graphische Darstellung der ersten Ableitung der Kurvenverläufe gemäß 4 für den ersten Leistungspunkt,
• 6 eine graphische Darstellung der ersten Ableitung der Kurvenverläufe gemäß 4 für den zweiten Leistungspunkt und
• 7 eine Skizze eines Niedertemperaturkühler mit einigen erfindungsgemäßen Flachrohren.
• 1 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Flachrohrs 1 im Querschnitt. In dem Rohr verlaufen einige Kanäle 2, durch die eine zu kühlende Flüssigkeit geführt werden kann. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich um acht Kanäle, die in der 1 im Querschnitt quer zu ihrer Haupterstreckungsrichtung dargestellt sind.
• Die Kanäle weisen für eine optimale Kühlwirkung eine rechteckige, dreieckige oder ovale Querschnittsfläche auf; in dem Ausführungsbeispiel weisen sie einen rechteckigen Querschnitt auf.
• Die Kanäle 2 weisen eine Breite B auf, deren optimale Dimensionierung Gegenstand der weiteren Betrachtung sein wird.
• Das Flachrohr weist eine Tiefe T (in Richtung quer zur Haupterstreckungsrichtung der Kanäle 2) auf, die etwa 16 mm beträgt. Die Höhe H des Flachrohrs beträgt 1,8 mm und die äußere Wandstärke W des Flachrohrs 1 im Bereich der Kanäle 2 und somit auch deren äußere Wandstärke ist auf etwa 0,2 mm dimensioniert.
• Aus diesen Dimensionierungswerten sind folgende Größen mathematisch herleitbar:
  Kanalhöhe HC = H – 2·W,
  Querschnittsfläche A der Kanäle 2: A = B·HC und
  Umfang U des Querschnitts des Innenbereichs der Kanäle 2 (quer zu deren Haupterstreckungsrichtung): U = 2·(B + HC).
• Aus Querschnittsfläche und Umfang wiederum ist der sogenannte Hydraulische Durchmesser Dh der Kanäle bestimmbar: Dh = 4·A/U.
• Es wurde gefunden, dass dieser für eine optimale Kühlwirkung 0,68 mm bis 0,97 mm bzw. vorzugsweise 0,68 mm bis 0,87 mm beträgt.
• Dies wird im Folgenden näher erläutert. Dabei wird von den oben genannten Abmessungen das Flachrohrs 1 und der Kanäle 2 ausgegangen.
• Ferner beziehen sich die Betrachtungen auf eine Konstellation, in der mehrere Flachrohre 2 in einem Kühler mit dazwischen liegenden Wellrippen eingebaut sind. Dabei werden die Blockabmessung mit B × H = 439,2 mm × 620 mm und die Wellrippenhöhe mit 8 mm und Rippendichte mit 85 Ri/dm konstant gehalten.
• Ferner erfolgen die nachstehenden Betrachtungen bei zwei Leistungspunkten Performance 11 und Performance 2:

  	m-KL [kg/m2s]	m-KM [kg/s]	Te-KM [°C]	Te-KL [°C]
  Performance 1	8	0,2	80	25
  Performance 2	8	0,4	80	25

  mit m-KL: Massenstromdichte Luft
  m-KM: Kühlmittelmassenstrom
  Te-KM: Kühlmitteleintrittstemperatur
  Te-KL: Kühllufteintrittstemperatur
• Es werden also bei den bisher genannten Dimensionierungen und bei den beiden Leistungspunkten weitere Parameter, die die Kühlleistung betreffen und die im folgenden näher erläutert werden, betrachtet.
• Für diese beiden Leistungspunkte ergeben sich je nach Dimensionierung je nach Wahl der Breite B der Kanäle differierende Geschwindigkeiten des Stroms der zu kühlenden Flüssigkeit in den Kanälen.
• Die folgende Tabelle zeigt die vorliegenden „Inneren Geschwindigkeiten”, also die Strömungsgeschwindigkeit einer zu kühlenden Flüssigkeit in den Kanälen, bei den unterschiedlichen Kanalbreiten im Flachrohr für Performance 1 und Performance 2:

  B in mm	Performance 1 U in m/s	Performance 2 U in m/s
  1,51	0,299	0,482
  1,08	0,312	0,502
  0,98	0,317	0,509
  0,90	0,322	0,517
  0,83	0,327	0,525
  0,76	0,332	0,534
  0,66	0,344	0,552
  0,61	0,349	0,561
  0,53	0,362	0,581
  0,47	0,375	0,603

• Hieraus ist ersichtlich, dass die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit in den Kanälen mit zunehmender Kanalbreite abnimmt. Ferner werden diese Geschwindigkeitswerte für die folgenden Betrachtungen benötigt.
• In 2 sind in einem Diagramm die Kühlleistung und der inneren Druckabfall über der Kühlmittelgeschwindigkeit in den unterschiedlichen Flachrohren für den Leistungspunkt Performance 1 aufgetragen. Dabei zeigt der mit Rauten markierte Kurvenverlauf die Kühlleistung in kW aufgetragen über der Kühlmittelgeschwindigkeit in den Kanälen in m/s. Über den Kurvenverlauf wird dabei der Wert der Breite B der Flachrohre variiert. In entsprechender Weise zeigt der mit Rechtecken versehene Kurvenverlauf den inneren Druckabfall in 0,1·mbar ebenfalls aufgetragen über der Kühlmittelgeschwindigkeit in den Kanälen in m/s und für verschiedene Werte von B.
• 3 zeigt ein Diagramm entsprechend demjenigen in 2, jedoch für den zweiten Leistungspunkt Performance 2.
• Den beiden 2 und 3 ist zu entnehmen, dass mit zunehmender Kühlmittelgeschwindigkeit auf der Innenseite sowohl die Leistung als auch der Innere Druckabfall zunehmen. Im Folgenden wird nun für die Leistungspunkte das Verhältnis aus Kühlleistung zu Innerer Druckabfall betrachtet.
• 4. zeigt wiederum für beide Leistungspunkte und für variierte werte von B das Verhältnis aus Leistung zu Innerer Druckabfall in kW/0,1·mbar über der inneren Kühlmittelgeschwindigkeit in m/s. Der mit Rauten markierte Kurvenverlauf zeigt diesen Verlauf für den ersten und der mit Rechtecken versehene Kurvenverlauf für den zweiten Leistungspunkt.
• Die in 4 aufgezeigten Kurven können jeweils mittels eines Polynoms 3. Grades bei einem Bestimmtheitsmaß von 1 exakt beschrieben werden.
• Dabei ergibt sich für den ersten Leistungspunkt Performance 1 (linker Kurvenverlauf) das Polynom Y = –10.629,0x³ + 11.478,2x² – 4.167,9x + 510,9 und für den zweiten Leistungspunkt Performance 2 (rechter Kurvenverlauf): Y = –1.906,7x³ + 3.274,9x² – 1.891,1x + 368,7.
• Aus diesen Polynomen dritten Grades sind in bekannter Weise deren erste Ableitungen mathematisch berechenbar.
• 5 zeigt die erste Ableitung des Polynoms 3. Grades über der inneren Kühlmittelgeschwindigkeit für den ersten Leistungspunkt Performance 1. Der Kurve ist zu entnehmen, dass das Optimum bei einer Inneren Geschwindigkeit im Bereich von etwa 0,34...0,38 m/s vorliegt, welches mit einer Kanalbreite von 0,47...0,66 mm erzielt wird.
• 6 zeigt die erste Ableitung des Polynoms 3. Grades über der inneren Kühlmittelgeschwindigkeit für den zweiten Leistungspunkt Performance 2. Der Kurve ist zu entnehmen, dass das Optimum bei einer Inneren Geschwindigkeit im Bereich von etwa 0,54...0,60 m/s vorliegt, welches mit einer Kanalbreite von 0,47...0,66 mm erzielt wird.
• Diese Betrachtung zeigt ein Optimum bei einer Kanalbreite von B = 0,47...0,76 mm, vorzugsweise von B = 0,47...0,66 mm exemplarisch bei einer Tiefe von T = 16 mm und einer nominellen Wandstärke von W = 0,2 mm.
• Diese Werte sind allgemeiner fassbar mittels des sogenannten hydraulischen Durchmessers Dh, der optimal im Bereich Dh = 0,68 mm bis 0,97 mm liegt, vorzugsweise im Bereich 0,68 mm bis 0,87 mm.
• Die Werte des hydraulischen Durchmessers sind auch auf andere, nicht rechteckige Kanalgeometrien übertragbar.
• 7 zeigt schematisch in Ansicht einen Niedertemperaturkühler 3 mit übereinander angeordneten erfindungsgemäßen Flachrohren 1. Die Ansicht gemäß 8 zeigt die Flachrohre in seitlicher Ansicht, so dass deren Längserstreckung zwischen einer Kühlereinlassseite 4 und einer Kühlerauslassseite 5 erkennbar ist. Innerhalb der Flachrohre 2 sind in der Darstellung gemäß 8 die Kanäle in nicht sichtbarer Seite hintereinander angeordnet. Zwischen den Flachrohren 1 sind Kühlrippen 6 vorgesehen, die in der Figur nur in einem teil des Kühlers angedeutet sind.
• Für die obigen Betrachtungen der Bestimmung des optimalen hydraulischen Querschnitts der Kanäle wurde unter anderem von einer Höhe der Wellrippen 6 von 8 mm und einer Wellrippendichte von 85 Wellrippen pro dm ausgegangen. Ferner wurde von einer Höhe des Kühlers von 439,2 mm und einer Länge des Kühlers und damit auch der Flachrohre von 620 mm ausgegangen.
• Bezugszeichenliste

1

Flachrohr

2

Kanal

3

Niedertemperaturkühler

4

Einlassseite Niedertemperaturkühler

5

Auslassseite Niedertemperaturkühler

6

Kühlrippen

Claims (10)

1. Flachrohr für einen Niedertemperaturkühler, wobei das Flachrohr (1) mehrere nebeneinander angeordnete Kanäle (2) aufweist, die von einer zu kühlenden Flüssigkeit durchströmbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (2) so dimensioniert sind, dass sie einen hydraulischen Durchmesser (Dh) von 0,68 mm bis 0,97 mm aufweisen, wobei der hydraulische Durchmesser (Dh) das Vierfache des Quotienten aus Querschnittsfläche (A) und innerem Umfang (U) der Kanäle (2) beträgt.
2. Flachrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Durchmesser (Dh) der Kanäle (2) 0,68 mm bis 0,87 mm beträgt.
3. Flachrohr nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (2) eine rechteckige, dreieckige oder ovale Querschnittsfläche (A) aufweisen.
4. Flachrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (B) der Kanäle (2) 0,47 mm bis 0,76 mm, vorzugsweise 0,47 mm bis 0,66 mm, beträgt.
5. Flachrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachrohrtiefe 12 mm bis 20 mm, vorzugsweise 14 mm bis 18 mm, beträgt.
6. Flachrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke der Kanäle (2) 0,2 mm bis 0,35 mm, vorzugsweise 0,2 mm bis 0,3 mm, beträgt.
7. Flachrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachrohrhöhe (H) 1,4 mm bis 2,2 mm, vorzugsweise 1,6 mm bis 2,0 mm beträgt.
8. Niedertemperaturkühler mit Flachrohren (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachrohre (1) in dem Kühler (3) übereinander angeordnet sind und sich zwischen den Flachrohren (1) Wellrippen (6) befinden.
9. Niedertemperaturkühler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellrippenhöhe 4 mm bis 10 mm, vorzugsweise 5 mm bis 8 mm, und die Wellrippendichte 85 Wellrippen pro dm beträgt.
10. Niedertemperaturkühler nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Niedertemperaturkühler (3) eine Breite von etwa 439,2 mm und eine Höhe von etwa 620 mm aufweist.

Images