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Die
vorliegende Erfindung betrifft generell Koaxial-Wärmetauscher
und insbesondere, jedoch nicht ausschließlich Koaxial-Wärmetauscher
für eine Fahrzeug-Hochdruck-Heiz-,
-Belüftungs-
und/oder -Klimaanlage. Insbesondere für Kältemittelkreisläufe nach
dem Carnot-Prinzip mit überkritischem
Betrieb der Wärmequelle,
wie dies aus Wirkungsgradgründen,
z. B. für
das Kältemittel
CO2 erforderlich ist. Bei solchen Anlagen
stellt die Verrohrung durch die hohe Drucklage regelmäßig eine
Herausforderung für
den Fachmann dar.
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Im
Rahmen des europäischen
Forschungsprojektes RACE wurde daher für den inneren Wärmeüberträger schon
ein Koaxial-Wärmetauscher
eingesetzt, der durch seine Konstruktion aus konzentrischen Führungskanälen besonders
für diese
hohe Drucklage geeignet ist. Die bei einem solchen Koaxial-Wärmetauscher
zugrundeliegende Problematik, und generelle Funktionsweise des überkritischen Kältemittelkreislaufs
mit CO2 ist in dem Sonderdruck von Jürgen Werlenbach,
Jürgen
Mauè und
Wolfgang Volz „CO2 Refrigeration Systems in Automobile Air Conditioning" sowie in der PCT-Anmeldung
WO 90/07683 im einzelnen beschrieben.
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In
Fahrzeugklimaanlagen ist dabei die Bauweise des Koaxial-Wärmetauschers
besonders vorteilhaft, da ein großer Teil der Rohrleitungen
zwischen Gaskühler,
Verdichter und Verdampfer durch die Längserstreckung des Koaxial-Wärmetauschers gebildet
werden.
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In
einem Koaxial-Wärmetauscher
wird üblicherweise
das vom Verdichter kommende Kältemittel unter
sehr hohem Druck in einem Inneren Teil des Querschnittes geführt, während das
vom Verdampfer kommende Kältemittel
bei geringfügig
niedrigerem, jedoch nach wie vor hohem Druck in einem äußeren Abschnitt
des Querschnittes geführt
wird. In klassischer Weise besteht somit ein Koaxial-Wärmetauscher
aus einer inneren Struktur, einer äußeren Struktur und einer Zwischenstruktur.
Die Innenstruktur oder innere Struktur bildet üblicherweise den inneren lichten
Querschnitt, der üblicherweise
eine kreisrunde Konfiguration aufweist, während die äußere Struktur ein äußeres Rohr
ausbildet, so dass ein ringförmiger
Zwischenraum für
das Kältemittel
bei leicht geringerem Druck bereitgestellt wird. Um einerseits eine
geeignete Fixierung der inneren Struktur in der äußeren Struktur bereitstellen
zu können,
werden üblicherweise
zwischen der inneren und der äußeren Struktur
sich radial erstreckende Stege vorgesehen. In Anbetracht der involvierten
Drücke
und dadurch bedingt, dass man zur Herstellung bevorzugt die drei Strukturen
einstückig
mittels Extrusion von Aluminium bereitgestellt hat, verfügen bekannte
Koaxial-Wärmetauscher
generell über
eine im wesentlichen homogene Wandungsstruktur, d. h. dass üblicherweise
die Wandungsdicke des Außenrohres
der Wandungsdicke des Innenrohres und der Wandungsdicke der Stege
entspricht. Um die Fließgeschwindigkeit
des Aluminiums beim Extrusionsvorgang, d.h. beim Pressen durch die
Matrize in allen Wandungsbereichen konstant zu halten, dürfen nur
geringe Wandstärkenunterschiede
vorhanden sein. Die Koaxial-Wärmetauscher
gemäß dem Stand
der Technik stellen somit zwar eine sinnvolle Lösung dar, da die Verrohrung
vereinfacht und eine thermodynamischer Wärmetausch ermöglicht wird,
haben jedoch ein relativ hohes Gewicht durch die Forderung nach
annähernd
konstanter Wandstärke
und einen geringen thermodynamischen Wirkungsgrad.
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Die
bekannten Koaxial-Wärmetauscher
werden wie vorangehend dargelegt, einstückig hergestellt, indem Aluminium
extrudiert wird, so dass sich zusätzliche Probleme bezüglich der
Dichtheit bei der Integration des Koaxial-Wärmetauschers in den thermodynamischen
Kreis ergeben. Bisher wurden die Enden des Koaxial-Wärmetauschers
derart bearbeitet, dass man die äußere Struktur
und die Stege mechanisch entfernt hat, das somit freigelegte Innenrohr oder
die somit freigelegte innere Struktur mit einem Fitting verschweißt hat und
ebenfalls die äußere Struktur
oder das äußere Rohr
mit einem entsprechend größerem Querschnitt
eines geeigneten Fittings verschweißt hat. Die mechanische Bearbeitung muss äußerst präzise erfolgen
und es ist erforderlich die Materialspäne sorgfältig abzuführen, um eine entsprechend
gewünschte
gasdichte Verschweißung von
sowohl dem Innenrohr als auch dem Außenrohr gewährleisten zu können. Somit
ist das Verfahren zum Anschließen
eines koaxialen Wärmetauschers gemäß dem Stand
der Technik arbeitsaufwendig und kostspielig.
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In
Anbetracht der oben geschilderten Probleme hat die vorliegende Erfindung
zur Aufgabe den oben genannten Nachteile entgegenzuwirken.
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Um
den oben genannten Nachteilen entgegenzuwirken, schlägt die vorliegende
Erfindung einen Koaxial-Wärmetauscher,
ein Verfahren zur Herstellung eines Koaxial-Wärmetauschers, ein Verfahren
zum Anschließen
eines Koaxial-Wärmetauschers und
eine ringförmige
Dichtung für
einen Koaxial-Wärmetauscher
vor, die jeweils in den unabhängigen
Ansprüchen
angegeben sind, wobei bevorzugte Ausführungsformen Gegenstand der
jeweiligen abhängigen
Ansprüche
sind.
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In
vollkommener Abkehr zu der bisherigen Praxis, homogene Wandungsstärken in
dem Koaxial-Wärmetauscher
vorzusehen, wurde in überraschender
Weise festgestellt, dass sich der Wirkungsgrad des Koaxial-Wärmetauschers
deutlich erhöhen lässt, wenn
man einen Koaxial-Wärmetauscher
mit einer inneren Struktur, einer äußeren Struktur und einer Zwischenstruktur
derart ausbildet, dass zumindest eine Struktur eine zumindest teilweise
mit Bezug auf zumindest eine andere Struktur reduzierte Wandungsstärke aufweist.
Entgegen der generell herrschenden Meinung ist es nämlich überraschend möglich unterschiedliche
Wandungsstärken
in den drei Strukturen vorzusehen, ohne dass dadurch die strukturellen
Eigenschaften des Koaxial-Wärmetauschers
deutlich verändert
würden,
und ohne dass die Herstellung zu unbrauchbaren Koaxial-Wärmetauschern
bei erheblicher Ausschussrate führen
würde. Erfindungsgemäß ist es
z. B. möglich,
die innere Struktur, z. B. in der Form eines inneren Rohres mit reduzierter
Wandungsstärke
auszubilden, da die innere Struktur lediglich dem Differenzdruck
zwischen dem Innenraum der inneren Struktur und dem Innenraum der äußeren Struktur
widerstehen muss, wobei die strukturellen Eigenschaften der inneren
Struktur auch noch durch die Zwischenstruktur verbessert werden
können.
Die Zwischenstruktur kann alternativ oder ergänzend relativ dünnwandige
Stege umfassen, so dass eine größere Anzahl
davon bereitgestellt werden kann, um den Wärmeaustauschwirkungsgrad deutlich
zu erhöhen.
Es ist anzumerken, dass die Zwischenstruktur neben Stegen, denen
eine strukturelle Verstärkungsfunktion
zukommt auch zusätzliche
Stege aufweisen kann, die sich nicht zwingender Weise von der Innenstruktur
bis hin zur Außenstruktur
erstrecken müssen,
aufweisen kann, um den thermischen Austauschwirkungsgrad noch weiter
zu erhöhen.
Somit ist es z. B. möglich
die Zwischenstruktur derart auszubilden, dass mit zunehmendem Abstand
zum Zentrum des Koaxial-Wärmetauschers
die wirksame Fläche
zunimmt. Es ist anzumerken, dass auf die Innenstruktur mittels innenliegender
Stege oder Verstrebungen verstärkt
werden kann, um z. B. einer reduzierten Wandungsdicke der inneren
rohrartigen Struktur noch weiteren Spielraum zu verschaffen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform, die
insbesondere herstellungstechnisch vorteilhaft ist, sind die drei
Strukturen aus zumindest zwei, insbesondere drei, separat hergestellten
Teilen gebildet. Das Vorsehen von Strukturen als separate Teile
ermöglicht
einerseits den Einsatz von unterschiedlichen Teilen und eine produktionstechnisch
einfache Möglichkeit
auch bei entsprechenden Materialien fertigungstechnisch durch Extrusion
unterschiedliche Wandungsdicken bereitzustellen, was bei der Extrusion
eines einstückigen
Koaxial-Wärmetauscher praktisch
unmöglich
ist. Gemäß dieser
Ausführungsform
ist es z. B. möglich
einen Koaxial-Wärmetauscher
bereitzustellen, der aus einem äußerst druckresistentem
separat hergestellten äußeren Rohr
gebildet ist, in dem als einstückiges
extrudiertes Teil die innere Struktur mit zugeordneter Zwischenstruktur
in Form von radialen Stegen angeordnet ist. Alternativ ist es auch
möglich,
die zur Wärmeübertragung
dienende und Struktureigenschaften bereitstellende Zwischenstruktur
separat von der inneren und der äußeren Struktur
bereitzustellen, so dass diese als relativ filigrane Struktur mit
hohem Oberflächenanteil ringförmig zwischen
dem inneren Rohr und dem äußeren Rohr
vorliegt, eine entsprechende Abstützung bereitstellend, wie auch
eine Wärmeleitung
von dem inneren Wärmetauscherrohr
hin zu dem Raum, der von dem äußeren Rohr
eingeschlossen wird. Es ist in diesem Zusammenhang anzumerken, dass
unabhängig
davon ob die Zwischenstruktur einstückig ausgebildet ist, mit der äußeren Struktur
oder der inneren Struktur oder vollständig separat ausgebildet ist,
diese ebenfalls eine zu der Innenstruktur und der Außenstruktur
im wesentlichen koaxial ausgebildete Rohrstruktur zum Zwecke der
Erhöhung
der Wärmeübertragung
ausbilden kann.
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Vorteilhafterweise
verfügen
die separat hergestellten Teile über
komplementäre
Eingriffsflächen, insbesondere
vorgesehen zum Bereitstellen eines Form-, Kraft- und/oder Materialschlusses.
Durch das Bereitstellen von komplementären Eingriffsflächen kann
einerseits die Dichtheit zwischen den separat hergestellten Teilen
verbessert werden, wobei auch eine definierte Positionierung relativ
zueinander vorgegeben werden kann. Insbesondere ist es auch möglich, z.
B. durch Verlöten
oder Verschweißen
einen Materialschluss zwischen den separat hergestellten Teilen
auszubilden, um den bereits durch die komplementären Flächen verbesserten Wärmeübertrag
noch verbessern zu können.
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Die
Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung eines Koaxial-Wärmetauschers
bereit, umfassend die Schritte: Bereitstellen von einer inneren,
einer äußeren und
einer Zwischenstruktur als zumindest zwei, insbesondere drei, separate
Teile; und koaxiales Anordnen der separaten Teile. Entgegen der
bis dato üblichen
Praxis einen Koaxial-Wärmetauscher
einstückig
strangzuextrudieren, ermöglicht das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung eines Koaxial-Wärmetauschers
in einfacher Weise unterschiedliche Wandungsstärken auszubilden, so dass ein
Wärmetauscher
mit verbesserter thermodynamischer Leistung bereitgestellt werden
kann. Das erfindungsgemäße Verfahren
erlaubt es somit z. B. die äußere Struktur
als hochdruckfestes einfaches Rohr auszubilden, während z.
B. die Innenstruktur und die Zwischenstruktur gemeinsam, z. B. einstückig mit
reduzierter Wandungsstärke
in das Außenrohr
einführbar
als strangextrudiertes Aluminium-Profil bereitgestellt werden. Alternativ
ist es auch möglich,
die Zwischenstruktur getrennt von der Innenstruktur auszubilden,
um die separaten Teile in der gewünschten Endkonfiguration in
koaxialer Positionierung anzuordnen. Zu Montagezwecken und um die
strukturellen Eigenschaften des montierten Koaxial-Wärmetauschers, die ggf. auch
die thermische Leistung davon verbessern können, ist es jetzt auch möglich, komplementäre Eingriffsflächen zwischen den
separaten Teilen auszubilden.
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Unabhängig davon
ob solche komplementären
Eingriffsflächen,
z. B. in der Art einer Nut-Feder-Anordnung,
bereitgestellt sind, oder ob lediglich annähernd ähnliche Flächen an der Schnittstelle zwischen
unterschiedlichen Teilen vorliegen, ist es bevorzugt, dass das erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung eines Koaxial-Wärmetauschers
ferner den Schritt umfasst des Verformens der inneren und/oder äußeren Struktur
der jeweils anderen der inneren und äußeren Strukturen. Durch die
Verformung, die sich besonders einfach darstellen lässt, kann
nach dem koaxialen Anordnen der separaten Teile eine einfache Fixierung
bereitgestellt werden, die auch einen guten Wärmeübergang zwischen den involvierten
Teilen bereitstellt.
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Vorzugsweise
umfasst der Schritt des Verformens einen oder mehrere der folgenden
Schritte: Aufweiten der inneren Struktur mittels mechanischer Bearbeitung
und/oder mittels Druckbeaufschlagung; und Bewirken einer Torsion.
Anders ausgedrückt
wird eine strukturelle Verbindung einerseits und ein verbesserter
thermischer Übergang
zwischen den separat ausgebildeten Teilen andererseits durch Aufweiten
der inneren Struktur oder Reduzieren der äußeren Struktur bereitgestellt.
Bei einem besonders bevorzugten Verfahren erfolgt die Aufweitung
der inneren Struktur z. B. durch Einbringen eines hohen Gasdruckes
im Inneren der inneren Struktur, so dass zeitgleich zur Aufweitung
der inneren Struktur eine Gasdichtheitsüberprüfung und eine Überprüfung der
Widerstandsfähigkeit
gegen hohe Drücke
erfolgen kann.
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Unabhängig davon,
ob nach der koaxialen Anordnung der separaten Teile eine relative
Verformung vorgesehen ist oder nicht, kann das Verfahren auch einen
Schritt des Bereitstellens eines Materialschlusses umfassen, in
dem z. B. der vormontierte Koaxial-Wärmetauscher verlötet oder
verschweißt wird,
wobei dies derart erfolgen kann, dass an den Schnittstellenflächen schmelzfähiges Material
vorgesehen ist, so dass es ausreichend ist, die Koaxial-Wärmetauscher-Anordnung in einem
Ofen zu erwärmen.
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Die
Erfindung stellt ferner ein Verfahren zum Anschließen eines
Koaxial-Wärmetauschers
bereit, wobei das Verfahren sowohl Anwendung finden kann auf Koaxial-Wärmetauscher,
die einstückig
hergestellt sind und über
eine konstante Wandungsdicke verfügen, jedoch insbesondere bevorzugt
anwendbar ist auf einen Koaxial-Wärmetauscher mit unterschiedlicher
Wandungsdicke und/oder aus separaten Teilen hergestellt. In jedem
Fall ist das erfindungsgemäße Verfahren
zum Anschließen
eines Koaxial-Wärmetauschers
mit einer inneren Struktur, einer äußeren Struktur und einer Zwischenstruktur
derart vorgesehen, dass es die Schritte umfasst: Bereitstellen eines
Endabschnittes mit von der Außenstruktur vorkragender
Innenstruktur und zumindest teilweise vorkragender Innenstruktur;
kraft- und/oder formschlüssiges
Anschließen
der Innenstruktur; und materialschlüssiges Anschließen der
Außenstruktur.
In Abkehr zu den Verfahren gemäß dem Stand
der Technik sieht das erfindungsgemäße Anschlussverfahren somit
kein Verlöten
oder Verschweißen
der Innenstruktur, sondern lediglich der Außenstruktur vor, so dass das
Verfahren besonders kostengünstig
und schnell durchgeführt
werden kann. Die kraft- oder formschlüssige Verbindung der Innenstruktur
mit z. B. einer entsprechenden Gegenstruktur in Form eines Fittings,
eines Anschlussrohres oder ähnlichem kann
unterstützt
werden, indem die Innenstruktur über
eine reduzierte Wandungsstärke
verfügt und/oder
als separates Teil ausgebildet ist. Im zuletzt genannten Fall ist
es z. B. möglich,
für die
Innenstruktur eine speziell für
Kraft- und/oder Formschluss geeignetes Material zu verwenden, während man
z. B. die Zwischenstruktur als extrudiertes Aluminiumprofil bereitstellt,
umgeben von einer hochdruckfesten rohrförmigen Außenstruktur.
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Vorzugsweise
umfasst das erfindungsgemäße Verfahren
zum Anschließen
eines koaxialen Wärmetauschers
den Schritt des stirnseitigen Abdichtens von der zumindest teilweise
vorkragenden Zwischenstruktur. Bei dieser Ausführungsvariante ist es somit nicht
mehr wie beim Stand der Technik, erforderlich die Zwischenstruktur
vollständig
spanbildend zu entfernen, vielmehr wird die Zwischenstruktur selbst stirnseitg
abgedichtet, um eine radiale Abfuhr des zwischen der Innenstruktur
und der Außenstruktur vorliegenden
Kältemittels
zu ermöglichen,
jedoch in axialer Richtung ausschließlich den Austritt bzw. Eintritt
in bzw. aus dem Innenraum der inneren Struktur ermöglicht.
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In äußerst überraschender
Weise konnte ferner festgestellt werden, dass die relative Abdichtung der
koaxialen Volumina eines Koaxial-Wärmetauschers eine Verschweißung nicht
zwingend erforderlich ist, sondern vielmehr eine ringförmige Dichtung eine
entsprechende Funktion bereitstellen kann. Die Erfindung stellt
somit auch eine ringförmige
Dichtung für
einen Koaxial-Wärmetauscher
bereit, insbesondere geeignet zur Verwendung in dem vorangehend beschriebenen
Anschlussverfahren für
einen koaxialen Wärmetauscher,
wobei die Erfindung solch eine ringförmige Dichtung vorschlägt, die
zumindest eine axiale Vorkragung umfasst. Das Bereitstellen von
zumindest einer axialen Vorkragung kann z. B. dazu benutzt werden,
die innere Struktur zu hintergreifen, um eine entsprechende Fixierung
auch bei Druckbeaufschlagung gewährleisten
zu können,
wobei andererseits zusätzlich
oder alternativ eine oder mehrere Vorkragungen in axialer Richtung
ausgebildet sein können,
um den lichten Querschnitt des Volumens zwischen der inneren Struktur
und der äußeren Struktur
abdichten zu können,
in dem wie dargelegt eine Vielzahl von Stegen der Zwischenstruktur
vorliegen können.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform hat die ringförmige Dichtung
eine Konfiguration, die im wesentlichen komplementär zu der Zwischenstruktur
ausgebildete Vorkragungen aufweist, wobei eine gewisse Konizität bereitgestellt sein
kann, um das Einführen
in die gebildeten Hohlräume
zu vereinfachen und in Eingriff eine perfekte Abdichtung bereitstellen
zu können.
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Vorzugsweise
ist die ringförmige
Dichtung aus Kunststoff gebildet, insbesondere aus PA, PPA oder
PPS. In vollständiger
Abkehr zur bisherigen Praxis, in Koaxial-Wärmetauschern ausschließlich metallische
Komponenten und Verbindungen zu verwenden, kann somit ein besonders
kostengünstiges und
einfach herstellbares Dichtungsteil verwendet werden.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich ferner aus der
folgenden, lediglich beispielhaft angegebenen Beschreibung von derzeit
bevorzugten Ausführungsformen,
wobei auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird, in welchen
gilt:
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1 zeigt
einen Koaxial-Wärmetauscher gemäß dem Stand
der Technik, der einstückig
im Extrusionsverfahren hergestellt wurde.
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1a zeigt
in schematischer Querschnittsansicht eine erste bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Koaxial-Wärmetauschers.
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2 zeigt
eine zweite bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Koaxial-Wärmetauschers, ebenfalls in
schematischer Schnittansicht.
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3 zeigt
im Detail eine Teilschnittansicht des erfindungsgemäßen Koaxial-Wärmetauschers, wobei die Detaildarstellung
im Wesentlichen dem Wärmetauscher
von der 1 entspricht.
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4 zeigt
in schematischer Schnittansicht einen Endabschnitt eines Koaxial-Wärmetauschers, nachdem dieser
mit einer externen Verrohrung verbunden wurde.
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5 zeigt
in schematischer Schnittansicht eine bevorzugte Montage, die dem
dichtenden Anschluss eines Koaxial-Wärmetauschers dient.
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6 zeigt
in schematischer Schnittansicht ein ringförmiges Dichtelement, wie es
in der Anordnung gemäß 5 zum
Einsatz kommt.
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In 1a ist
eine bevorzugte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Koaxial-Wärmetauschers 1 dargestellt.
Der Koaxial-Wärmetauscher
ist aus einer äußeren Struktur 6 gebildet,
die zum Beispiel ein gezogenes, gepresstes oder längsnahtgeschweißtes Rohr
mit hoher Druckfestigkeit sein kann, und eine Wandungsstärke ausweisen
kann von etwa 2 bis 3 mm, wie dargestellt. Separat ausgebildet zu der
rohrförmigen
Außenstruktur 6 liegt
in dem darin ausgebildeten Hohlraum eine strangextrudierte Aluminiumprofilanordnung
vor, welche einerseits die Innenstruktur 7 umfasst, welche
einen inneren Hohlraum ausbildet zum Zwecke der Führung des
Kältemittels
unter hohem Druck (üblicherweise
Hochdruckbereich genannt), wie auch eine Zwischenstruktur 12,
welche einerseits dazu dient, die Positionierung relativ zueinander
von der Innenstruktur 7 und der Außenstruktur 6 aufrecht
zu halten, jedoch andererseits auch einer Erhöhung des Wärmeüberganges zwischen dem respektive
gebildeten Volumina bereitzustellen.
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Wie
es deutlich in der Zeichnung zu erkennen ist, umfasst die Zwischenstruktur
eine Vielzahl von dünnwandigen
Stegen, so dass eine erhöhte Wärmeaustauschfläche bereitgestellt
ist. In der dargestellten Ausführungsform
beträgt
die Wandungsdicke in etwa 0,2 bis 0,7 mm, wodurch eine ausreichende
strukturelle Fixierung des inneren Rohres 7 in dem äußeren Rohr 6 gewährleistet
werden kann. In der dargestellten Ausführungsform sind zusätzlich zu
der Zwischenstruktur noch in dem Innenvolumen 2 ausgebildete
Stege 3 vorgesehen. Diese Stege 3 erlauben einerseits
die Wandungsstärke
des Innenrohres 7 noch weiter zu reduzieren und bilden
ferner eine vergrößerte Wärmetauschfläche für den Hochdruckgasanteil.
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Ein
besonderer Vorteil der dargestellten Wärmetauscherkonfiguration aus
zwei separaten Teilen, nämlich
der Außenhülle 6 und
der kombinierten Innenstruktur mit Wärmetauscherzwischenstruktur
besteht darin, dass bei der Montage ein Verformen des Koaxial-Wärmetauschers einfach bereitgestellt
werden kann, ohne dass es zu einer Beschädigung der lamellenartigen
Wärmetauscherstruktur
käme. Es
ist anzumerken, dass in der dargestellten Ausführungsform als besonders einfache
Variante die Wandungsdicke bezüglich
der gesamten Innenstruktur konstant ist und deutlich reduziert vorliegt
mit Bezug auf die Wandungsstärke
der Außenstruktur. Die
Außenstruktur 6 kann
somit die Druckfestigkeit bezüglich
des Umgebungsdruckes bereitstellen, während die Innenstruktur lediglich
der Druckdifferenz zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite
des Hochdruckfluides bereitstellen muss. Durch die Wahl der geringeren
Wandungsstärke kann
auch in der Innenstruktur die Verstärkungsstruktur mittels der
Streben 3 bereitgestellt werden, ohne dass der Gesamtquerschnitt
des Koaxial-Wärmetauschers
erhöht
wurde, da der lichte Querschnitt in dem Innenvolumen bedingt durch
die geringere Wandungsstärke
vergrößert ist.
Die Wahl der geringeren Wandungsstärke erlaubt ferner das Vorsehen einer
Vielzahl von Stegen in der Zwischenstruktur 12, ebenfalls
bei gleichbleibender Dimensionierung mit Bezug auf frühere Wärmetauscher
bezüglich
des lichten Querschnittes. In diesem Zusammenhang ist anzumerken,
dass bei der hier dargestellten Ausführungsform die Konfiguration
derart gewählt
ist, dass in der Verlängerung
eines Steges 3 jeweils ein Steg 17 der Zwischenstruktur 12 vorgesehen
ist, um die strukturelle Integrität des Extrusionsteiles, welches die
Innenstruktur und die Zwischenstruktur ausbildet, zu gewährleisten.
Dies ist zum Beispiel von Vorteil, wenn man beim Zusammenbau von
innerer Struktur und äußerer Struktur
die beiden separaten Teile ineinander anordnet, man die äußere Struktur
beaufschlagen kann, um zwischen den separaten Teilen eine Kraftschluss,
einen Formschluss oder Ähnliches bereitzustellen.
Obwohl nicht dargestellt, sollte man erkennen, dass selbstverständlich auch
ein Materialschluss im Übergangsbereich
bereitgestellt werden kann, in dem man zum Beispiel den zusammengebauten
Koaxial-Wärmetauscher
in einen Heizofen einbringt, so dass eine Verschweißung oder
ein Verlöten
zwischen den Teilen stattfindet, wodurch der Wärmeübergang noch weiter verbessert
werden kann.
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In 2 ist
eine zweite bevorzuge Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Koaxial-Wärmetauschers dargestellt. Wie
vorangehend umfasst der Koaxial-Wärmetauscher eine Außenstruktur 6 in Form
eines gewalzten oder gezogenen Rohres 6, in dem eine Innenstruktur 7 angeordnet
ist, die in der hier dargestellten Ausführungsform ebenfalls als separat
hergestelltes Rohr ausgebildet ist. Das Innenrohr 7 wird
bezüglich
des Außenrohres 6 durch
eine Zwischenstruktur abgestützt,
die in der dargestellten Ausführungsform
als separates Teil ein aus Aluminium stranggepresstes Extrusionsteil
darstellt. Die Zwischenstruktur ist somit als einzelnes Teil ausgebildet und
unabhängig
von der Innenstruktur 7 und der Außenstruktur 6. Durch
die Ausbildung in drei separaten Teilen ist es möglich, den Teilen jeweils eine
Wärmetauschertechnisch
optimierte Wandungsstärke,
wie auch eine herstellungsprozeßtechnik
optimierte Wandungsstärke
zu verleihen. In der hier dargestellten Ausführungsform ist beispielsweise
die Wandungsstärke
des Innenrohres 7 geringer als die Wandungsstärke die
in der Zwischenstruktur verwendet wird, welche wiederum geringer
ist als die Wandungsstärke,
die in der Außenstruktur
zum Einsatz kommt.
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Die
Zwischenstruktur der in 2 dargestellten Ausführungsvariante
umfasst einen Zwischenring 16 mit nach innen vorkragenden
Stegen 15 und nach außen
vorkragenden Stegen 17, wobei die nach außen vorkragenden
Stege bei einer größeren Anzahl vorgesehen
sind. Wie dargestellt, verfügt
das Innenrohr 7 über
Einkerbungen zum formschlüssigen
Eingriff mit den Enden der Stege 15. Die Einkerbungen können durch
mechanisches Aufweiten des Innenrohres 7 in die vorkragenden
Stege 15 eingepresst werden.
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Zur
Montage der hier dargestellen Ausführungsform ist es zum Beispiel
möglich,
die drei Teile ineinander einzuführen
und anschließend
eine relative Torsion zu bewirken, so dass ein fester Eingriff zwischen
den Teilen bereitgestellt wird. Alternativ oder ergänzend kann
die Montage auch derart erfolgen, dass nachdem die drei Teile ineinander
eingeführt
wurden, man das Innenrohr 7 ausdehnt, in dem man es zum
Beispiel mechanisch aufweitet, oder in dem man es mit Druck beaufschlagt,
zum Beispiel auch darstellbar nachdem der Koaxial-Wärmetauscher in den Hochdruckkreislauf
eingebunden wurde, durch den im System vorhandenen Überdruck.
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In 3 ist
eine Detailansicht eines Koaxial-Wärmetauschers in Detailschnittansicht
abgebildet, entsprechend im Wesentlichen der Konfiguration wie sie
in 1 dargestellt ist. Das extruierte Aluminiumteil,
welches die Innenstruktur 7 und die Zwischenstruktur 12 ausbildet,
wurde hier noch bezüglich
der mechanischen Verbindung zwischen der Zwischenstruktur 12 und
der Außenstruktur 6 angepaßt. So weisen
die Enden der Stege 17a, die an die äußere Struktur 6 grenzen,
Materialausweitungen auf, so dass ein Verlöten dargestellt werden kann
oder lediglich eine vergrößerte Anlagefläche bereitgestellt
wird, die einerseits die strukturellen Eigenschaften verbessert
und andererseits den thermischen Übergang unterstützten kann.
Die Innenstruktur 7 ist wiederum mit Verstrebungen versehen,
die zum Zwecke der erhöhten
Wärmeübertragung,
wie dargestellt, über
eine vergrößerte Oberfläche verfügen, zum
Beispiel bereitgestellt durch eine Oberflächenrauhigkeit. Eine entsprechende
Oberflächeneigenschaft
kann selbstverständlich
auch an den Stegen der Zwischenstruktur 12 ausgebildet
sein.
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In 4 ist
eine Anschlussmöglichkeit
eines erfindungsgemäßen Koaxial-Wärmetauschers 1 dargestellt.
Aus dieser Darstellung ergibt sich besonders deutlich, dass durch
die mehrteilige Ausbildung des Koaxial-Wärmetauschers in besonders vorteilhafter Weise
die Möglichkeit
gegeben ist, die Innenstruktur 7 durch einfachen Formschluss
mit einem entsprechenden Adapterteil 34 in Eingriff zu
bringen, während
die Außenstruktur 6 mit
einem zugehörigen
Teil zur Verwendung einer Verschweißung 38 materialschlüssig angeschlossen
wird. Es ist anzumerken, dass der formschlüssige Eingriff der Innenstruktur erst
durch die Erfindung ermöglicht
wird, da hierzu eine reduzierte Wandungsstärke erforderlich ist, die sich
bei einstückig
hergestelltem Extrusions-Koaxial-Wärmetauschern nicht darstellen
lässt.
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In 5 ist
eine weiter Anschlussmöglichkeit eines
erfindungsemäßen Koaxial-Wärmetauschers dargestellt. Bei
der hier dargestellten Ausführungsvariante
wird der Koaxial-Wärmetauscher
derart ausgebildet, dass von der äußeren Struktur 6 die
Zwischenstruktur und die Innenstruktrur 7 vorkragen. Wie
vorangehend ist die Außenstruktur 6 mit
dem entsprechenden Anschlussstück
materialschlüssig
verschweißt,
so dass die Hochdruckgasdichtigkeit gewährleistet ist. Das Niederdruckgas,
welches im Bereich der Zwischenstruktur strömt, also zwischen der Außenstruktur 6 und
der Innenstruktur 7 wird bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
radial abgeführt.
Die vorkragende Innenstruktur 7 mit zugehöriger Zwischenstruktur
erstrecken sich vorkragend bis hin zu einer ringförmigen Dichtung 20,
so dass der durch die Innenstruktur gebildete Hohlraum, der zur Förderung
des Hochdruchgases dient, mit einer entsprechenden Verrohrung verbunden
werden kann. Die Dichtung 20 umfasst in der hier dargestellten Ausführungsvariante
nach innen gerichtete Vorkragungen 28 zum Eingreifen in
das Volumen der Innenstruktur 7. Zur Abdichtung der stirnseitigen
Fläche der
Zwischenstruktur 12 erstreckt sich die ringförmige Dichtung 20 bis über den
Rand der Zwischenstruktur hinaus und wird über eine Lasche 24 fortgeführt, die
in der dargestellten Ausführungsform
leicht konisch ausgebildet ist, um das Einführen des vorkragenden Endabschnittes
des Koaxial-Wärmetauschers,
gebildet aus der Innenstruktur und der Zwischenstruktur, zu vereinfachen.
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In 6 ist
die in 5 gezeigte ringförmige Dichtung als besonders
bevorzugte Ausführungsform
im Schnitt nochmals dargestellt. Wie deutlich zu erkennen, ist diese
ringförmige
Dichtung ausgebildet zur Verwendung mit einem Koaxial-Wärmetauscher, wie
er insbesondere in der 1 dargestellt ist. Zu diesem
Zweck sind axiale Vorkragungen 28 zum Eingreifen in die
innere Struktur vorgesehen, derart, dass die in dem Innenraum vorgesehenen
Stege ausgespart sind, wobei für
die stirnflächige
Abdichtung des Zwischenteiles entsprechende Vorkragungen 26 ausgebildet
sind, so dass die gesamte Lamellenstruktur stirnseitig effektiv
abgedichtet werden kann.
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Zusammenfassend
ist festzustellen, dass die vorliegenden Erfindung auf der Idee
basiert, einen Koaxial-Wärmetauscher
mit reduzierter Wandungsstärke
bereitzustellen, wobei insbesondere eine mehrstückige Ausgestaltung als vorteihaft
dahingehend angesehen wird, dass das Anschließen und die Fertigung vereinfacht
werden, das insbesondere bei extrusionstechnisch hergestellten Bestandteilen
sich unterschiedliche Wandungsstärken
somit einfach darstellen lassen und da das vorkragende Ausbilden separater
Bestandteile besonders einfach darstellbar ist. Obwohl die vorliegende
Erfindung vorangehend vollständig
unter Bezugnahme auf derzeit bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde,
sollte der Fachmann erkennen, dass verschiedenste Veränderungen
und Modifikationen im Rahmen der beiliegenden Ansprüche möglich sind.
Insbesondere sollte erkannt werden, dass die unterschiedlichen beschriebenen
Merkmale unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beliebig mit Merkmalen
anderer Ausführungsformen
kombinierbar sind.