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Die
Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager
mit mindestens zwei parallel zueinander und nebeneinander angeordneten
Sammelrohren – nach dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Flachrohrwärmeübertrager,
insbesondere für herkömmliche
und überkritische
Kältekreisläufe sind in
vielen Ausführungsformen
bekannt. Insbesondere bei Kraftfahrzeugen werden heute Aluminiumwärmeübertrager
in gelöteter
Bauweise eingesetzt. Die Wärmeübertrager
weisen einen Block mit Flachrohren und Wellrippen auf, wobei die
Enden der Flachrohre in Sammelrohre münden. Bei überkritischen Kältekreisläufen mit
hohen Drücken
müssen
die Bauteile, insbesondere Flachrohre und Sammelrohre entsprechend
druckfest dimensioniert werden. Derartige Wärmeübertrager wurden durch die
DE-A 196 49 129,
die DE-A 199 06 289 oder die DE-A 100 07 159 bekannt. Der Block
des Wärmeübertragers,
der außen
jeweils eine Rippenlage aufweist, wird in der Regel durch Seitenteile
abgeschlossen, die mit den Wellrippen und/oder mit den Sammelrohren
verlötet sind,
um dem Wärmeübertrager
den notwendigen Halt zu geben. Durch die DE-A 198 00 943 wurde ein Flachrohrwärmeübertrager
bekannt, bei welchem die Enden der Seitenteile in Schlitze im Sammelrohr
eingesteckt und dort verlötet
sind. Diese Lösung
ist insofern nachteilig, als bei der Montage dieses Wärmeübertragers
Probleme beim Einführen
der Seitenteile in die Schlitze des Sammelrohres auftreten, da das Blockmaß vor dem
Löten größer als
der Abstand der Schlitze im Sammelrohr ist. Darüber hinaus können Undichtigkeiten
bei der Verlötung des
Seitenteiles mit dem Sammelrohr oder nach der Verlötung im
Betrieb auftreten. Die bekannten Wärmeübertrager weisen pro Flachrohrreihe
in der Regel zwei Sammelrohre, jeweils an den Rohrenden auf. Teilweise
sind auch druckfeste Sammelrohre mit zwei parallel verlaufenden
Längskanälen bekannt,
z. B. durch die oben genannten DE '159 oder die DE '289. Diese Wärmeübertrager sind einreihig ausgebildet
und werden von beiden Medien, z. B. einem Kältemittel wie CO2 und einem
Kühlluftstrom
im Kreuzstrom durchströmt.
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Die
Erfindung geht jedoch aus von einem Wärmeübertrager, welcher zwei parallel
nebeneinander angeordnete Sammelrohre aufweist, die jeweils mit
in Luftströmungsrichtung
hintereinander angeordneten Rohrreihen oder Strömungskanälen in Fluidverbindung stehen – eine derartige
Bauweise wurde durch die EP-B 414 433 bekannt. Dort sind zwei Wärmetauschereinheiten,
die jeweils aus einem Block mit zwei Sammelrohren bestehen, in Luftströmungsrichtung
hintereinander angeordnet. Die Wärmetauschereinheiten
werden von einem Kältemittel
hintereinander durchströmt,
und zwar entgegen der Luftströmungsrichtung,
d. h. im Kreuzgegenstrom. Dabei wird das Kältemittel sowohl in der Tiefe
(entgegen der Luftströmungsrichtung)
als auch in der Breite (quer zur Luftströmungsrichtung) umgelenkt.
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Das
der Erfindung zugrunde liegende Problem besteht darin, dass Wärme von
einem Sammelrohr auf das benachbarte übertragen und damit die Leistung
reduziert wird, da zwischen beiden Sammelrohren aufgrund unterschiedlicher
Temperaturen des Kältemittels
ein Temperaturgefälle
besteht. Da die Sammelrohre im Übrigen
aus beidseitig lotplattiertem Aluminiumblech hergestellt werden,
besteht darüber
hinaus die Gefahr, dass beide Sammelrohre beim Lötprozess längsseitig miteinander verlöten und
damit ein unbeabsichtigter thermischer Schluss hergestellt wird.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Wärmeübertrager
der eingangs genannten Art geeignete Mittel vorzusehen, welche bei
der Herstellung, insbesondere der Verlötung des Wärmeübertragers einen vorgegebenen
Abstand und eine thermische Isolation zwischen den Sammelrohren
sicherzustellen. Darüber
hinaus besteht die Aufgabe der Erfindung darin, möglichst
alle zu verlötenden Teile
des Wärmeübertragers,
also auch die Seitenteile derart zueinander zu fixieren, dass auf
zusätzliche Spannmittel
für den
Lötprozess
verzichtet werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patenanspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass die Seitenteile an ihren Enden mit einer Zunge versehen sind,
die zwischen den Sammelrohren positioniert ist und in diesem Bereich
mit den benachbarten Sammelrohren verlötet. Damit wird der Vorteil
erreicht, dass beide Sammelrohre nach dem Lötprozess absolut parallel zueinander
angeordnet sind und einen minimalen Abstand aufweisen, der für eine thermische
Isolierung der Sammelrohre ausreichend ist. Lediglich im Bereich
der Zungen findet eine Verlötung
statt, wodurch zwei örtlich
begrenzte thermische Brücken
geschaffen werden. Die kältemittelseitige
Verschaltung der Sammelrohre kann jedoch so gewählt werden, dass die benachbarten
Sammelrohre im Bereich der Zungen nur minimale Temperaturdifferenzen
aufweisen.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Zunge
einstückig
mit dem Seitenteil ausgebildet, beispielsweise als Fortsatz am stirnseitigen
Ende des Seitenteilbleches. Vorteilhafterweise wird die Zunge gegenüber dem
am Wärmeübertrager anliegenden
Seitenteil um ca. 90 Grad um ihre Längsachse verdreht, sodass sie
mit ihrer Wandstärke
zwischen die Sammelrohre zu liegen kommt und somit als Abstandhalter
fungiert. Gleichzeitig erreicht man damit den Vorteil, dass die
Seitenteile des Wärmeübertragers
vor dem Löten
fixiert sind.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die
Zunge in das Stirnende des Seitenteiles eingeschnitten, sodass sich
eine größere Verdrilllänge für die Zunge
ergibt. Gleichzeitig können
die durch das Einschneiden hergestellten Lappen beiderseits der
Zunge als Anschläge
des Seitenteiles an den Sammelrohren herangezogen werden. Damit
erreicht man eine weitere Verbesserung bei der Fixierung und Abstützung der
Seitenteile.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann das Ende
der Zunge ein- oder mehrfach gefaltet sein. Damit ergibt sich der
Vorteil eines größeren Abstandes
zwischen den Sammelrohren durch Vervielfachen der Materialdicke.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung können am
Seitenteil nach innen ragende Noppen oder Sicken vorgesehen sein,
welche in die äußere Wellrippenlage
eingreifen und damit das Seitenteil weiter fixieren.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
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1 einen
Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers
mit zwei parallel nebeneinander angeordneten Sammelrohren,
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2 einen
Ausschnitt des Wärmeübertragers
in einer Ansicht von der Seite,
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3 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung mit eingeschnittener Zunge und
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4 einen
Schnitt entlang der Linie IV-IV in 3.
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1 zeigt
einen Eckausschnitt eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1, welcher
einen aus Flachrohren 2 und Wellrippen 3 aufgebauten Wärmeübertragerblock 4,
kurz Block genannt, aufweist. Die Flachrohre 2 weisen Rohrenden 2a auf, welche
gegenüber
den Flachrohren 2 um deren Längsachse verdrillt sind, wie
dies beispielsweise aus der eingangs genannten DE-A 196 49 129 bekannt
ist. In der Zeichnung oberhalb des Blokkes 4 sind zwei
parallel zueinander verlaufende Sammelrohre 5, 6 angeordnet,
welche einen offenen Ω-förmigen Querschnitt 5a, 6a mit
einem in Richtung des Blockes 4 weisenden Schlitz 5b, 6b aufweisen.
In dem vordern Schlitz 5b sind die Rohrenden 2a der Flachrohre 2 aufgenommen,
welche eine erste Rohrreihe des Wärmeübertragers 1 bilden.
In dem in der Zeichnung hinten liegenden Schlitz 6b sind
weitere nicht sichtbare Rohrenden einer zweiten Rohreihe aufgenommen,
d. h. dicht mit dem Sammelrohr 6 verbunden. Seitlich des
Wärmeübertragers 1 und
in Kontakt mit der äußersten
Lage von Wellrippen 3 ist ein Seitenteil 7 angeordnet,
welches in seinem oberen, stirnseitigen Teil eine Zunge 8 aufweist,
welche zwischen die beiden Sammelrohre 5, 6 hineinragt und
diese voneinander trennt bzw. auf Abstand hält. Das Seitenteil 7 ist
als flacher Blechstreifen mit einer im Wesentlichen ebenen Fläche 7a ausgebildet, während die
Zunge 8 gegenüber
dieser ebenen Fläche 7a um
etwa 90 Grad verdreht ist. Der übrige, nicht
dargestellte Teil des Wärmeübertragers
kann etwa symmetrisch zu dem dargestellten Teil ausgebildet sein,
d. h. ebenfalls mit zwei parallel angeordneten Sammelrohren, in
welche die nicht dargestellten Rohrenden der Flachrohre 2 münden. Die
Sammelrohre sind durch eine hier nicht dargestellte, jedoch bekannte
Schaltung miteinander verbunden. Der Wärmeübertrager 1 wird vorzugsweise
als Gaskühler
für eine
mit CO2 betriebene Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges verwendet,
d. h. für
einen überkritischen
Kältekreislauf.
Das Kältemittel
CO2 tritt somit mit ca. 130 bar und 150 Grad Celsius in den Gaskühler 1 ein
und wird sekundärseitig über die
Wellrippen 3 von Umgebungsluft gekühlt. Der Gaskühler 1,
der – wie
erwähnt – zwei Rohrreihen
aufweist, wird im Kreuzgegenstrom durchströmt, d. h. das Kältemittel tritt
zunächst
in die leeseitige Rohrreihe ein und verlässt den Gaskühler 1 auf
der Luvseite, wobei eine sukzessive Abkühlung mit fallender Temperatur
bis auf ca. 45 Grad Celsius erfolgt.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung eines Gaskühlers 9 in einer Seitenansicht,
d. h. mit Blick auf ein Seitenteil 10, welches am oberen
Stirnende 10a eine Zunge 11 aufweist, welche durch Verdrehen
gegenüber
dem Seitenteil 10 hergestellt ist. Beiderseits der Zunge 11 sind
Sammelrohre 12, 13 – hier mit kreisförmigem Querschnitt – angeordnet.
Sie stehen kältemittelseitig
mit zwei Rohrreihen bzw. Reihen von Strömungskanälen in Verbindung, die hier
nur zwei Pfeile R1, R2 dargestellt sind. Die Strömungsrichtung der Luft ist
durch einen Pfeil L gekennzeichnet. Das Kältemittel CO2 tritt in überkritischem,
d. h. einphasigen Zustand, dargestellt durch einen Pfeil E, in das
Sammelrohr 12 ein, durchströmt die leeseitige Rohrreihe
R1 von oben nach unten, wird am nicht dargestellten Ende des Gaskühlers 9 in der
Tiefe, d. h. entgegen der Luftströmungsrichtung L umgelenkt,
durchströmt
die luvseitige Rohrreihe R2 von unten nach oben und verlässt den
Gaskühler 9 über das
Sammelrohr 13, dargestellt durch einen Austrittspfeil A.
Dies ist eine einfache Variante des Kreuzgegenstromes, welcher für diesen
Gaskühler bevor zugt
wird. Innerhalb des Kreuzgegenstromes sind auch Umlenkungen in der
Breite, d. h. innerhalb der Rohrreihe R1 und/oder der Rohrreihe
R2 möglich.
Die Sammelrohre 12, 13, zwischen denen ein nicht
unerhebliches Temperaturgefälle
aufgrund der unterschiedlichen Kältemitteltemperatur
besteht, sind durch die Zunge 11 des Seitenteiles 10 getrennt, d.
h. auf Abstand gehalten, sodass über
die größte Länge ein
thermisch isolierender Spalt gebildet und eingehalten wird. Dies
ist für
die Leistung des Wärmeübertragers
im Kreuzgegenstrom vorteilhaft. Die Zunge 11 kann auch – was in
der Zeichnung nicht dargestellt ist – mit den benachbarten Sammelrohren 12, 13 verlötet sein.
Die Stirnseite 10a des Sammelrohres 10 stößt an die
Unterseite der Sammelrohre 12, 13 und bewirkt
dort eine Fixierung des Seitenteiles 10. Auf der gegenüberliegenden,
nicht dargestellten Seite des Gaskühlers 9 ist ein spiegelbildliches Seitenteil,
ebenfalls mit Zunge angeordnet, sodass beide Rohre 12, 13 durch
die Wandstärke
der Zunge 11 parallel auf Abstand gehalten werden. Es liegt
im Rahmen der Erfindung, den Gaskühler um weitere Rohrreihen
und weitere Sammelrohre zu erweitern, das Seitenteil über sämtliche
Rohrreihen zu erstrecken und mit einer oder weiteren Zungen zu versehen,
die jeweils zwischen benachbarten Sammelrohren angeordnet sind.
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3 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung, nämlich
einen ebenfalls als Gaskühler ausgebildeten
Wärmeübertrager 14 mit
zwei Sammelrohren 15, 16 und einem Seitenteil 17.
Dieser Gaskühler 14 entspricht
im prinzipiellen Aufbau und der Durchströmung dem Gaskühler 9 entsprechend 2.
Das Seitenteil 17 weist eine in sich verdrehte und am Ende
gefaltete Zunge 18 auf, welche durch zwei parallele Schnitte 19, 20 aus
dem Seitenteil 17 herausgetrennt und um 90 Grad verdreht
wurde. Durch die Faltung am Ende der Zunge 18 ergibt sich die
doppelte Materialstärke
und damit ein vergrößerter Abstand
zwischen den Sammelrohren 15, 16. Durch die beiden
Schnitte 19, 20 sind beiderseits der Zunge 18 Lappen 21, 22 entstanden,
welche mit ihren Enden die Unterseiten der Sammelrohre 15, 16 berühren bzw.
abstützen.
Dazu weisen die Lappen 21, 22 konkav gewölbte Enden 21a, 22a auf,
welche sich an die Rundung der Sammelrohre 15, 16 anschmiegen.
Das Seitenteil 17 kann somit einerseits vor dem Löten besser
fixiert werden und ist nach dem Löten auch mit den Sammelrohren 15, 16 durch
eine feste Lötverbindung
verbunden, sodass sich für
den gesamten Wärmeübertrager
eine höhere
Verwindungssteifigkeit ergibt.
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4 zeigt
einen Schnitt in der Ebene IV-IV in 3, d. h.
durch das Seitenteil 17, die äußerste Lage einer Wellrippe 3 und
ein als Mehrkammerrohr ausgebildetes Flachrohr 23. Das
Seitenteil 17 weist in seinem mittleren Bereich eine nach
innen ragende Noppe 24 auf, welche in die Wellrippe 3 eingreift,
wobei dies durch Verformung der Wellrippe oder durch formschlüssiges Eingreifen
der Noppe 24 in eine entsprechende Vertiefung in der Wellrippe 3 erfolgen kann.
Zweckmäßigerweise
sind eine Vielzahl von Noppen 24 – oder auch entsprechende Sicken – über die
Länge des
Seitenteils vorgesehen, wodurch sich eine gute Fixierung des Seitenteils
ergibt.