DE10302412A1

DE10302412A1 - Wärmeübertrager, insbesondere Gaskühler

Info

Publication number: DE10302412A1
Application number: DE10302412A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dipl.-Ing. Förster; Kurt Dr.-Ing. Molt
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2003-01-21
Filing date: 2003-01-21
Publication date: 2004-07-29
Also published as: AU2003303762A1; CN1738999A; DE50311904D1; EP1588115B1; BR0318023A; US20060054313A1; WO2004065882A1; CN100573021C; JP2006513392A; EP1588115A1; ATE442565T1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere Gaskühler für einen CO-Kältemittelkreislauf einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage, mit mindestens einem Sammelkasten, der durch eine Längstrennwand in zwei Längskanäle unterteilt ist, und einer Reihe von Flachrohren mit Flachrohrenden, die in Öffnungen im Sammelkasten aufgenommen und mit den Längskanälen in Fluidverbindung stehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere einen Gaskühler für einen CO2-Kältmittelkreislauf einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Wärmeübertrager für Klimaanlagen mit R134a als Kältemittel, z. B. Kondensatoren bestehen aus einem Wärmeübertragernetz mit Flachrohren sowie beidseitig des Netzes angeordneten Sammelrohren mit kreisförmigen oder anderem Querschnitt. Andere Wärmeübertrager für Klimaanlagen, z. B. zweireihige Verdampfer nach der DE-A 198 26 881 der Anmelderin weisen einen in zwei Längskammern unterteilten Sammelkasten auf, der aus einer vorbereiteten Blechplatine durch Umbiegen der Randbereiche der Blechplatine hergestellt ist. Man erhält so eine mittige, doppellagige Längstrennwand, die mittels Zungen in Aussparungen eines ebenen Sammelkastenbodens fixiert ist. Im Boden sind zwei Reihen von Durchzügen für die beiden Flachrohrreihen angeordnet, das heißt jede Längskammer kommuniziert mit einer Flachrohrreihe. Mit dieser Bauweise wird bereits eine relativ hohe Druckfestigkeit erzielt. Bei modernen Klimaanlagen, die CO2 (R744) als Kältemittel verwenden, treten jedoch erheblich höhere Drücke auf, die ungefähr das Zehnfache betragen und die mit den herkömmlichen Bauweisen für Wärmeübertrager nicht mehr zu bewältigen sind. Man hat daher in der WO 98/51 983 extrudierte Sammelrohre mit einer erhöhten Wandstärke vorgeschlagen, wobei ein Sammelrohr aus vier nebeneinander angeordneten kreisförmigen Strömungskanälen besteht. Die Herstellung eines solchen extrudierten Sammelrohres ist wegen der dafür benötigten Werkzeuge kostenaufwendig.
Ein anderer Typ von Sammelrohr wurde in der DE-A 199 06 289 vorgeschlagen, wobei ein Sammelrohr aus zwei oder drei extrudierten oder gepressten Teilen aufgebaut ist und zwei kreisförmige Strömungskanäle für das Kältemittel (CO2) aufweist. Auch bei dieser Bauweise muss wenigsten ein Teil des Sammelrohres durch Extrusion oder andere aufwendige Umformverfahren hergestellt werden, was sich ungünstig auf die Herstellkosten des Wärmeübertragers, wie beispielsweise Gaskühler, auswirkt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmeübertrager der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass der Sammelkasten eine hohe Festigkeit bei geringem Gewicht aufweist und kostengünstig herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Wie an sich aus dem eingangs genannten Stand der Technik ( DE-A 198 26 881 ) bekannt, ist der Sammelkasten einteilig ausgebildet und wird aus einem Blechstreifen derart gebogen, dass sich zwei Längskanäle ergeben, die allerdings – abweichend von diesem Stand der Technik – nur mit einer Flachrohrreihe in Fluidverbindung stehen. Durch diese Bauweise des Sammelkastens wird ein annähernd kreisförmiger Querschnitt und damit ein druckfester Sammelkasten ermöglicht. Die doppellagige Längstrennwand ist mittels Zungen in einem mittleren Bereich des Blechstreifens fixiert und verankert, was die Fertigung erleichtert und die Festigkeit erhöht.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können die Zungen zur Fixierung der Längstrennwand entweder auf der den Flachrohren zugewandten oder abgewandten Seite angeordnet sein. Dies erhöht die Gestaltungsmöglichkeiten des Wärmeübertragers.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind in der Längstrennwand im Bereich der Flachrohrenden, welche in die Längskanäle hineinragen, Ausklinkungen angeordnet, in welche die Flachrohrenden eingreifen. Dadurch können die Flachrohre relativ weit – ungefähr bis zur Mitte – in den Sammelkasten hineingeschoben und mit einer maximalen Tiefe ausgebildet werden (die Tiefe des Flachrohres wird in Luftströmungsrichtung gemessen). Der Sammelkasten ist somit nur unwesentlich tiefer als das Flachrohr. Damit kann vorteilhaft Platz für Umformungen oder durchzüge geschaffen werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind zwischen den Ausklinkungen und den Flachrohrenden Spalte belassen, die beispielsweise U-förmig ausgebildet oder nur seitlich oder oberhalb des Flachrohres angeordnet sein können. Vorteilhaft ist dabei, wenn die Ausklinkungen gleichzeitig als Anschlag für die Flachrohre dienen, wenn diese durch die schlitzförmigen Öffnungen in den Sammelkasten hineingeschoben werden. Dadurch ergibt sich eine genaue Positionierung für die Flachrohre im Sammelkasten. Durch die Spalte erreicht man einen Druck- und Strömungsausgleich zwischen den beiden nebeneinander liegenden Längskanälen.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Bereich des Sammelkastens, in dem die Aussparungen mit den Zungen angeordnet sind, etwas nach innen, d. h. in Richtung der Längstrennwandeingezogen werden, wodurch sich eine gewisse „Taillierung" für den Querschnitt des Sammelkastens ergibt. Damit wird erreicht, dass die Querschnitte der Längskanäle noch mehr, d. h. über 270 Grad Umfang hinaus an einen Kreisquerschnitt angenähert werden, was der Festigkeit und dem Gewicht zugute kommt.
Schließlich kann es auch vorteilhaft sein, die Querschnitte der beiden Längskanäle nicht gleich, sondern verschieden auszubilden, wobei auch die Lage der Trennwand außermittig, d. h.. asymmetrisch sein kann. Wesentlich bei der Gestaltung des Sammelkastens ist, dass die Zungen etwa rechtwinklig zum Verbindungsstreifen mit den Aussparungen angeordnet sind, um eine optimale Zugankerwirkung zu erzielen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
1 eine perspektivische Teilansicht eines Gaskühlers,
2 einen Schnitt durch den Gaskühler gemäß 1,
3 einen Schnitt entlang der Linie III-III in 2,
4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Gaskühlers,
5 einen Schnitt durch den Gaskühler gemäß 4,
6 einen Schnitt entlang der Linie VI-VI in 5,
7 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Gaskühlers im Schnitt.
1 zeigt einen Ausschnitt eines Gaskühlers 1 mit einem Sammelkasten 2 und Flachrohren 3, die mit ihren Flachrohrenden 3a in den Sammelkasten 2 münden und in schlitzförmigen Öffnungen 4 aufgenommen sind. Zwischen den Flachrohren 3 sind – was nicht dargestellt ist – Wellrippen zur Vergrößerung der luftseitigen Wärmeaustauschfläche vorgesehen. Der Gaskühler 1 ist insbesondere zur Verwendung in einem Kältemittelkreislauf mit CO2 als Kältemittel einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage geeignet, allerdings nicht auf diese Anwendung beschränkt. Der Gaskühler wird primärseitig, d. h. in den Sammelkästen und den Flachrohren von gasförmigem CO2 bei einem Druck von etwa 120 bar durchströmt und sekundärseitig von Umgebungsluft beaufschlagt; er hat die Aufgabe, das CO2-Gas von einer Temperatur von ca. 150 Grad Celsius auf 50 Grad Celsius abzukühlen. Der hierbei auftretende Druck beträgt etwa das Zehnfache gegenüber herkömmlichen Kondensatoren in einem Kreislauf mit dem Kältemittel R134a.
2 zeigt den Gaskühler 1 gemäß 1 in einem Schnitt, wobei deutlich wird, dass der Sammelkasten 2 einstückig ausgebildet ist. Er weist zwei Längskammern 5, 6 auf, die durch eine doppelte Längstrennwand 7 voneinander abgeteilt sind. Der Sammelkasten 2 ist aus einer Blechplatine bzw. einem Blechstreifen 8 hergestellt, welcher äußere Randstreifen bzw. Längsränder 9, 10 aufweist, die mit Zungen 11, 12 versehen sind. In der Mitte des Blechsreifens 8 sind, entsprechend der Anordnung der Zungen 11, 12 Aussparungen 13 angeordnet.
Der Sammelkasten 2 wird aus dem vorbereiteten, d. h. zugeschnittenen und ausgestanzten Blechstreifen 8 in der Weise hergestellt, dass die Seiten mit den Längsrändern 9, 10 zu etwa zylinderförmigen Kanälen 5, 6 umgebogen und dass die Längsränder 9, 10 mittig und etwa senkrecht auf einen mittleren Verbindungsbereich 14 zurückgeführt werden, wo sie mit den Zungen 11, 12 in die Aussparungen 13 gesteckt werden. Damit sind die Längsränder 9, 10 fixiert, und der Sammelkasten 2 ist fertig für den Lötprozess. Die Flachrohre 3 sind mit ihren Flachrohrenden 3a in die Öffnungen 4 gesteckt und ragen mit ihrer Oberkante 3b etwa zur Hälfte in den freien Querschnitt der Längskanäle 5, 6 hinein. Da der Querschnitt der Längskanäle 5, 6 hier seine maximale Breite hat, ergibt sich durch den sich danach verengenden Querschnitt ein Anschlag für die Flachrohre 3.
3 zeigt einen Schnitt durch den Gaskühler 1 in der Ebene III-III in 2. Dieser Schnitt durch den Längskanal 5 zeigt die Trennwand 7, welche U-förmige Ausklinkungen 15 im Bereich der Flachrohrenden 3a aufweist. Zwischen der Kontur der Flachrohrenden 3a und der Kontur der Ausklinkung 15 ist ein Spalt 16 belassen, der einen Durchströmungsquerschnitt zwischen den beiden Längskanälen 5, 6 freigibt. Durch diesen Spalt 16 kann einerseits das Kältemittel auch in der Mitte der Flachrohrenden 3a austreten, und andererseits kann Kältemittel von einem Längskanal 5 in den anderen Längskanal 6 und umgekehrt strömen, sodass zwischen beiden Längskanälen ein Druckausgleich stattfinden kann. Die Ausklinkungen 15 bzw. die Spaltform 16 sind der Zeichnung nur beispielhaft angegeben – die Form des Spaltes kann auch in der Weise abgeändert werden, dass sich nur oberhalb der Flachrohrenden, d. h. oberhalb der Oberkante 3b ein Spalt befindet oder nur seitlich der Flachrohrenden 3a. In letzterem Falle würde die Flachrohroberkante 3b an die Ausklinkung in der Trennwand 7 anstoßen, wodurch sich ein Anschlag ergäbe. Die Zungen 11, 12 stehen über die Außenwand des Sammelkastens 2 hervor und sind jeweils etwa mittig zwischen zwei Flachrohren 3 angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, ein oder mehrere Flachrohrabstände zu überspringen und die Zungen 11, 12 und die Aussparungen 13 in beliebigen Abständen jeweils zwischen zwei Flachrohren anzuordnen.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiels eines Gaskühlers 20 mit einem Sammelkasten 21 und Flachrohren 22. Zungen 23 und Aussparungen 24 sind hier auf der Oberseite des Sammelkasten 21, d. h. auf der den Flachrohren 22 abgewandten Seite angeordnet.
5 zeigt diesen Gaskühler 20 im Schnitt. Der Sammelkasten 21 ist prinzipiell gleich wie beim Ausführungsbeispiel gemäß 2, jedoch spiegelbildlich ausgebildet. Der Sammelkasten 21 weist zwei Längskammern 21a, 21b auf, die durch eine doppelte Längstrennwand 25 voneinander abgeteilt sind. Die Flachrohre 22 werden durch eine hier nicht sichtbare Öffnung in den Sammelkasten 21 eingeschoben, sodass sie mit ihren Flachrohrenden 22a etwa die Hälfte der Längskanäle 21a, 21b ausfüllen. Die Oberkante 22b liegt damit auf der Höhe der maximalen Breite der Innenquerschnitte. Das Flachrohr 22 hat eine durchgehend Tiefe t, die sich bis in den Sammelkasten 21 erstreckt.
6 zeigt einen Schnitt in der Ebene VI-VI durch den Längskanal 21a in 5. Die Flachrohre 22 sind durch entsprechende Öffnungen 26 im Sammelkasten 21 eingesetzt, wobei sich die Öffnungen 26 über die volle Tiefe t des Flachrohres 22 erstrecken. Oberhalb der Oberkante 22b der Flachrohrenden 22a sind etwa kreisförmige Ausklinkungen 27 angeordnet, die in einen rechteckigen Querschnitt entsprechend dem Flachrohrquerschnitt übergehen und somit das Einführen der Flachrohrenden 22a erlauben. Oberhalb der Oberkante 22b der Flachrohrenden 22a ist ein etwa kreisförmiger Spalt 28 belassen, der einen Durchtrittsquerschnitt zwischen den beiden Längskammern 21a, 21b bildet. Unmittelbar neben den Flachrohrenden 22a ist kein Spalt belassen. Die Zungen 23 und ebenso die hier nicht sichtbaren Aussparungen sind auch hier jeweils zwischen den Flachrohren 22 angeordnet.
7 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für einen Gaskühler 30 mit einem Sammelkasten 31 und Flachrohren 32. Eine doppelte Längstrennwand 33 ist mit Zungen 34 in einem mittleren Verbindungsbereich 35 verankert, wobei dieser Verbindungsbereich 35 etwas nach innen eingezogen ist, d. h. um einen Betrag x gegenüber einer unteren Begrenzungslinie 1 des Sammelkastens 31 nach innen versetzt. Dadurch werden die Querschnitte der Längskanäle 36, 37 über den Dreiviertel-Kreis (270 Grad) hinaus der Kreisform angenähert. Dennoch bilden der abgesetzte mittlere Verbindungsbereich 35 und die doppelte Längstrennwand 33 einen rechten Winkel. Diese Querschnittsform bietet somit eine höhere Druckfestigkeit für den Sammelkasten 31.
Alle oben beschriebenen Ausführungsbeispiele sind für hohe Innendrücke und damit auch für einen mit CO2 betriebenen Kältemittelkreislauf einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage geeignet und vorteilhaft.

1: Gaskühler
2: Sammelkasten
3: Flachrohr
4: Öffnung
5: Längskanal
6: Länskammer
7: Längstrennwand
8: Blechstreifen
9: Längsrand
10: Längsrand
11: Zunge
12: Zunge
13: Aussparung
14: mittlerer Verbindungsbereich
15: Ausklinkung, U-förmig
16: Spalt
17: Spalt
20: Gaskühler
21: Sammelkasten
21a: Längskammer
21b: Längskammer
22: Flachrohre
23: Zunge
24: Aussparung
25: Längstrennwand
26: Öffnung
27: Ausklinkung
28: Spalt
30: Gaskühler
31: Sammelkasten
32: Flachrohr
33: Längstrennwand
34: Zungen
35: mittlerer Verbindungsbereich
36: Längskanal
37: Längskanal
38: Spalt

Claims

Wärmeübertrager, insbesondere Gaskühler für einen CO2-Kältemittelkreislauf einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage, mit mindestens einem Sammelkasten (2), der durch eine Längstrennwand (7) in zwei Längskanäle (5, 6) unterteilt ist, und einer Reihe von Flachrohren (3) mit Flachrohrenden (3a), die in Öffnungen (4) im Sammelkasten (2) aufgenommen und mit den Längskanälen (5, 6) in Fluidverbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelkasten (2) mit den Längskanälen (5, 6) aus einem vorbereiteten Blechstreifen (8) mit Zungen (11, 12) aufweisenden Längsrändern (9, 10) und einem Aussparungen (13) aufweisenden mittleren Verbindungsbereich (14) gebogen ist, wobei die Längsränder (9, 10) die Längstrennwand (7) bilden und über die Zungen (11, 12) in den Aussparungen (13) verankert sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zungen (11, 12) und Aussparungen (13) auf der den Flachrohren (3) zugewandten Seite des Sammelkastens (2) angeordnet sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zungen (23) und die Aussparungen (24) auf der den Flachrohren (22) abgewandten Seite des Sammelkastens (21) angeordnet sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Längstrennwand (7, 25) Ausklinkungen (15, 27) aufweist, in welche die Flachrohrenden (3a, 22a) eingreifen.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelkasten oder Teile des Sammelkastens mit entsprechenden Umformungen, Anformungen und/oder Versickungen versehen ist, die als Anschläge für die Rohre dienen.
Wärmeübertrager nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Ausklinkungen (15, 27) und den Flachrohrenden (3a, 22a) Spalte (16, 28) belassen sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte (16) U-förmig ausgebildet sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte seitlich angeordnet sind und die Ausklinkungen einen Anschlag für die Rohrenden bilden.
Wärmeübertrager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Spalte (28) oberhalb und/oder unterhalb der Flachrohrenden (22a, 22b) angeordnet sind.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zungen (11, 12; 23) und Aussparungen (13, 24) zwischen Jedem n-ten Flachrohr (3, 22) angeordnet sind, mit n = 1,2,3,4,5,....
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte der Längskanäle (5, 6; 23, 24; 36, 37) annähernd kreisförmig, insbesondere über einen Umfangsbereich von mindesten 270 Grad ausgebildet sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der die Zungen (34) aufnehmende mittlere Verbindungsbereich (35) in Richtung der Längstrennwand (33) um einen Betrag x eingezogen oder nach außen gewölbt ist.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte der Längskanäle verschieden in Form und/oder Größe sind.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Längstrennwand zumindest eine Öffnung oder Ausklinkung oder Überströmöffnung besitzt.