DE102006053702B4

DE102006053702B4 - Wärmetauscher, insbesondere Gaskühler

Info

Publication number: DE102006053702B4
Application number: DE102006053702.5A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Förster Uwe; Dipl.-Ing. Hirsch Stefan; Dr.-Ing. Molt Kurt
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2006-11-13
Filing date: 2006-11-13
Publication date: 2019-04-04
Anticipated expiration: 2026-11-14
Also published as: DE102006053702A1

Abstract

Wärmetauscher (1), insbesondere Gaskühler, mit mindestens einem Sammelrohr (2) und einer Mehrzahl von eine Wärmeübertragungsfläche bildenden Flachrohren (3), die mit einem ihrer Enden in das Sammelrohr (2) einmünden, wobei im Sammelrohr (2) mindestens zwei Längskanäle (9) und eine der Anzahl der Flachrohre (3) entsprechende Anzahl von Querkanälen (10) ausgebildet ist, wobei das Querschnittsverhältnis vom Querschnitt (AL1, AL2) eines Längskanals (9) zu einem Querschnitt (AQ) eines Querkanals (10) im Bereich von 1,3 bis 6 liegt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere einen Gaskühler, wie er beispielsweise zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeugs verwendet wird.
Aus der DE 102 55 487 A1 ist ein Wärmeübertrager, insbesondere ein Gaskühler für CO₂, bekannt, mit mindestens einem, insbesondere zwei, zweiteiligen, aus einem Boden und einem Deckel bestehenden Sammelrohr/ -en und einem aus Flachrohren und Wellrippen bestehenden Wärmeübertragernetz. Hierbei weist das Sammelrohr zwei oder mehr Längskanäle auf, die zumindest endseitig mit Hilfe von Trennwänden unterbrochen sind.
Die DE 103 15 371 A1 offenbart eine ähnliche Ausgestaltungsform der Sammelrohre, wobei senkrecht zu den zwei oder mehr Längskanälen Querkanäle vorgesehen sind, in welche die Flachrohrenden ragen, mit denen das entsprechende Sammelrohr verlötet ist. Die Herstellung der Böden und Deckel erfolgt mittels Prägen oder Biegen.
Derartige Wärmetauscher lassen jedoch Wünsche offen, unter anderem in Hinblick auf die Optimierung des oder der Sammelrohre.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Wärmetauscher zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist ein Wärmetauscher, insbesondere Gaskühler, mit mindestens einem Sammelrohr und einer Mehrzahl von eine Wärmeübertragungsfläche bildenden Flachrohren ausgestaltet, die mit einem ihrer Enden in das Sammelrohr einmünden, wobei im Sammelrohr mindestens zwei Längskanäle und eine der Anzahl der Flachrohre entsprechende Anzahl von Querkanälen ausgebildet ist. Hierbei liegt das Querschnittsverhältnis vom Querschnitt eines Längskanals zu einem Querschnitt eines Querkanals im Bereich von 1,3 bis 6. Dieses Querschnittsverhältnis gilt vorzugsweise für alle Längskanäle und Querkanäle, durch die bei Betrieb Kältemittel strömt. Die Anzahl der Längskanäle beträgt vorzugsweise zwei, jedoch sind auch andere Ausgestaltungen des Sammelrohres möglich. Ferner können an einem Wärmetauscher insbesondere ein oder zwei, an gegenüberliegenden Enden von Flachrohren angeordnete Sammelrohre vorgesehen sein. Auch hierbei ist die Ausgestaltung des Wärmetauschers nicht auf diese Anzahl von Sammelrohren beschränkt. Bei den Flachrohren handelt es sich vorzugsweise um Flachrohre mit einer Mehrzahl von getrennt ausgebildeten Kammern. Als Kältemittel strömt vorzugsweise CO₂ durch den Wärmetauscher, d.h. der Wärmetauscher steht bei Betrieb unter relativ hohem Druck. Auf Grund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ergibt sich eine druckstabile und gleichzeitig strömungstechnisch optimale Ausgestaltung eines Sammelrohres. Insbesondere sind Querschnittsverhältnisse aus den Bereichen von 1,45 bis 4,6, von 1,5 bis 4,3, von 1,6 bis 4,0, von 1,65 bis 3,7, von 1,7 bis 3,5, und insbesondere von 1,75 bis 2,7, bevorzugt.
Das Verhältnis der einzelnen Strömungsquerschnitte der Längskanäle beträgt vorzugsweise 1,0 bis 1,35, insbesondere 1,0 bis 1,25, insbesondere 1,0 bis 1,15, insbesondere von 1,0 bis 1,05, und insbesondere bevorzugt 1,0, d.h. die Längskanäle weisen insbesondere bevorzugt den gleichen Strömungsquerschnitt auf. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Druckbelastung des Sammelrohrs in Verbindung mit einem gleichmäßigen Strömungsverlauf des Kältemittels.
Vorzugsweise liegt das Verhältnis des Querschnitts mindestens eines der einzelnen Längskanäle zu einem Querschnitt eines Querkanals im Bereich von 1,3 bis 6,0, insbesondere im Bereich von 1,6 bis 5,0, insbesondere im Bereich von 1,75 bis 4,6, insbesondere im Bereich von 1,75 bis 3,5, und besonders bevorzugt im Bereich von 1,75 bis 2,7.
Das Verhältnis des Gesamtquerschnitts der Längskanäle zum Querschnitt eines Querkanals beträgt vorzugsweise 2,6 bis 11,9, insbesondere 3,5 bis 9,1, insbesondere 4,0 bis 7,0, und insbesondere bevorzugt 4,5 bis 5,4.
Das Verhältnis des gesamten Flachrohrströmungsquerschnitts, gebildet durch die Summe der Kanalquerschnitte eines Flachrohres, zum Querschnitt eines Querkanals liegt vorzugsweise im Bereich von 0,15 bis 1,5, insbesondere von 0,15 bis 0,9, insbesondere von 0,15 bis 0,85, insbesondere von 0,15 bis 0,75, insbesondere von 0,15 bis 0,65, insbesondere von 0,15 bis 0,55, und insbesondere bevorzugt im Bereich von 0,15 bis 0,45.
Das Verhältnis der minimalen Wandstärke eines Längskanals zum Querschnitt eines Längskanals liegt vorzugsweise zwischen 0,05 und 0,17, insbesondere zwischen 0,05 und 0,14, insbesondere zwischen 0,05 und 0,12, und insbesondere bevorzugt zwischen 0,07 und 0,11.
Um eine ausreichende Druckfestigkeit bei den üblichen, für derartige Wärmetauscher verwendeten Materialien, insbesondere bevorzugt Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, zur Verfügung zu stellen, beträgt die minimale Wandstärke des Längskanals vorzugsweise 1,2 bis 2,2 mm, insbesondere 1,2 bis 2,5 mm, und insbesondere bevorzugt 1,2 bis 2,0 mm.
Das Verhältnis der minimalen örtlichen Wandstärke eines Querkanals zum Querschnitt des Querkanals liegt bevorzugt zwischen 0,11 und 0,6, insbesondere zwischen 0,12 und 0,55, und insbesondere bevorzugt zwischen 0,12 und 0,3.
Die minimale örtliche Wandstärke eines Querkanals liegt vorzugsweise im Bereich von 1,1 bis 2,5 mm, insbesondere im Bereich von 1,15 bis 2,25 mm, und insbesondere bevorzugt im Bereich von 1,2 bis 2,0 mm.
Das Sammelrohr weist vorzugsweise mindestens eine Trennwand auf, die außenseitig angeordnet ist, und das Verhältnis der Wandstärke der Trennwand zur Wandstärke des Längskanals, insbesondere zu dessen minimaler Wandstärke, liegt vorzugsweise im Bereich von 0,45 bis 2,3, insbesondere im Bereich von 0,5 bis 1,6, und insbesondere bevorzugt im Bereich von 1,0 bis 1,6.
Das Sammelrohr ist vorzugsweise aus einem getrennt ausgebildeten Boden und Deckel gebildet, die miteinander besonders bevorzugt verlötet sind, wobei der Innenradius oder der äquivalente Radius an den Außenseiten der Längskanäle und/oder der Querkanäle am Boden und/oder Deckel im Bereich von 0 bis 2 mm, insbesondere im Bereich von 0 bis 1,5 mm, insbesondere im Bereich von 0 bis 1 mm, und insbesondere bevorzugt im Bereich von 0 bis 0,5 mm liegt.
Die Länge eines Querkanals liegt vorzugsweise im Bereich von 3 bis 14 mm, insbesondere im Bereich von 3 bis 9,5 mm. Hierbei hängt die Länge des Querkanals u.a. auch von der Tiefe des Flachrohres ab, das mit seinem Ende in eine langlochartige Öffnung im Querkanal etwas in denselben hineinragt.
Die vorstehend genannten Geometrieverhältnisse müssen nicht notwendigerweise alle gleichzeitig erfüllt sein. Es ist vielmehr in der Regel auch ausreichend, wenn einzelne derselben erfüllt sind.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers, wobei nur in einem Bereich Wellrippen dargestellt sind,
2 eine perspektivische Ansicht eines Sammelrohres des Wärmetauschers von 1,
3 eine Draufsicht auf das Sammelrohr von 2,
4 einen Schnitt quer durch das Sammelrohr entlang Linie A-A von 3,
5 eine 4 entsprechende Darstellung,
6 einen Längsschnitt durch das Sammelrohr entlang Linie B-B von 3, und
7 einen Schnitt quer durch ein Flachrohr des Wärmetauschers von 1.

Ein Wärmetauscher 1, vorliegend ein von einem Kältemittel durchströmter Gaskühler einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage, weist zwei Sammelrohre 2, eine Mehrzahl dazwischen und mit ihren Enden an den Sammelrohren 2 angebrachter Flachrohre 3 mit einer Mehrzahl von Kanälen 4 und zwischen den Flachrohren 3 angeordnete Wellrippen 5 auf.
Jedes der Sammelrohre 2 besteht aus einem Boden 6, einem Deckel 7, der zumindest bereichsweise vom Boden 6 hintergriffen wird, und Trennwänden 8. Die Anzahl der Trennwände 8 je Sammelrohr 2 hängt von der Durchströmung des Wärmetauschers 1 ab, jedoch sind zumindest zwei Trennwände 8 vorhanden, die an den Enden als Verschluss des Sammelrohres 2 dienen.
In jedem Sammelrohr 2 sind in Folge der vorliegend etwa Omega-förmigen, mittels Kaltumformens hergestellten Gestalt der Böden 6 und Deckel 7 zwei annähernd kreisrunde Längskanäle 9 ausgebildet, welche den Kältemittelstrom auf die einzelnen Flachrohre 3 verteilen und umlenken. Zur Anpassung der Geometrie für das Anschließen der Flachrohre 3 an die Sammelrohre 2 ist auf Höhe jedes Flachrohres 3 ein Querkanal 10 im Boden 6 ausgebildet, welcher die Aufgabe hat, einen Aus- oder Einströmbereich aus bzw. in das jeweilige Flachrohr 3 sowie einen Überströmbereich von einem Längskanal 9 zu einem anderen zu bilden.
Im Bereich des Querkanals 10 ist eine langlochartige Öffnung 11 im Boden 6 ausgebildet, deren Innenabmessungen im Wesentlichen den Außenabmessungen des hineinragenden Flachrohrendes entsprechen. Ferner dienen zwei Querkanäle 10 dazu, einen Aus- oder Einströmbereich für den entsprechenden Anschlussflansch 12 zu schaffen, der mit einer Anschlussleitung verbunden ist, über welche das Kältemittel zu- bzw. abgeführt wird.
Die Einzelbauteile, d.h. Boden, Deckel, Trennwände, Flachrohre, Wellrippen und Anschlussflansche, des Wärmetauschers 1 sind vorliegend druckdicht miteinander verlötet, wobei das Verlöten in einem einzigen Arbeitsgang erfolgt.
Im Folgenden ist ein Wärmetauscher mit den folgenden Geometrieverhältnissen beschrieben (siehe auch 5 bis 7):
Das Verhältnis der annähernd kreisrunden Strömungsquerschnitte AL1 und AL2 der Längskanäle 9 untereinander, wobei AL1 der Strömungsquerschnitt des luftanströmseitigen Längskanals 9 ist und AL2 derjenige der Luftabströmseite ist, beträgt vorzugsweise 1,0 bis 1,35, insbesondere bevorzugt 1,0 bis 1,15. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gilt: $AL1/AL2=1,05$
Der angenäherte äquivalente Durchmesser DL1 des luftanströmseitigen Längskanals 9 beträgt vorliegend 4,8 mm, der Durchmesser DL2 des luftabströmseitigen Längskanals 9 somit ca. 4,7 mm. Üblicherweise liegt der angenäherte äquivalente Durchmesser DL1 und der entsprechene Durchmesser DL2 des anderen Längskanals 9 im Bereich von 4,1 bis 5,5 mm, insbesondere im Bereich von 4,5 bis 5,2 mm.
Die Summe der Querschnitte der einzelnen Längskanäle, wobei nicht notwendigerweise nur zwei Längskanäle vorgesehen sein müssen, ergibt den Gesamtquerschnitt AL der Längskanäle 9. Dieser beträgt vorliegend ca. 35 mm².
Das Verhältnis des Querschnitts AL1, AL2 eines Längskanals 9 zu einem Querschnitt AQ eines Querkanals 10 liegt im Allgemeinen vorzugsweise im Bereich von 1,3 bis 6,0, insbesondere im Bereich von 1,75 bis 4,6, und besonders bevorzugt im Bereich von 1,75 bis 2,7. Vorliegend beträgt das Verhältnis des Querschnitts AL1 des Längskanals 9 zu einem Querschnitt AQ eines Querkanals 10 2,7 bzw. eines Querschnitts AL2 des Längskanals 9 zu einem Querschnitt AQ eines Querkanals 10 2,6.
Das Querschnittsverhältnis AL : AQ beträgt vorliegend ca. 5,2. Das Verhältnis beträgt im Allgemeinen vorzugsweise 2,6 bis 11,9, insbesondere 3,5 bis 9,1 und besonders bevorzugt 4,5 bis 5,4. Insbesondere bevorzugt sind die Querschnitte aller Querkanäle 10 gleich.
Der Flachrohrströmungsquerschnitt setzt sich aus der Summe der Strömungsquerschnitte der einzelnen Kanäle 4 zusammen. Das Verhältnis des gesamten Flachrohrströmungsquerschnitts AF eines Flachrohres 3 zum Querschnitt AQ eines Querkanals 10 beträgt vorliegend 0,39. Im Allgemeinen liegt das Verhältnis im Bereich von 0,15 bis 1,5, insbesondere von 0,15 bis 0,85 und besonders bevorzugt im Bereich von 0,15 bis 0,45. Hierbei ist jedoch eine Kanalversperrung des Querkanals 10 durch das in denselben hineinragende Flachrohr 3 nicht berücksichtigt.
Die Länge LQ eines Querkanals 10 hängt von der Tiefe T eines Sammelrohres 2 ab und liegt üblicherweise im Bereich von 3 bis 14 mm, insbesondere im Bereich von 3 und 9,5 mm.
Das Verhältnis der Wandstärke TL des Längskanals 9 zum Querschnitt des Längskanals 9 beträgt vorliegend 0,04. Im Allgemeinen liegt das Verhältnis zwischen 0,025 und 0,085, insbesondere zwischen 0,025 und 0,07 und besonders bevorzugt zwischen 0,035 und 0,055, wobei für die Verhältnisse jeweils von der minimalen örtlichen Wandstärke auszugehen ist. Als Bereiche absoluter Werte der Wandstärke TL sind insbesondere Wandstärken von 1,2 bis 2,5 mm, insbesondere bevorzugt von 1,2 bis 2,0 mm geeignet. Vorliegend beträgt die Wandstärke des Längskanals ca. 1,4 mm.
Das Verhältnis der Wandstärke TQ des Querkanals 10 zum Querschnitt AQ des Querkanals beträgt vorliegend 0,29. Im Allgemeinen liegt das Verhältnis zwischen 0,11 und 0,6, insbesondere zwischen 0,12 und 0,3, wobei für die Verhältnisse jeweils von der minimalen örtlichen Wandstärke auszugehen ist. Als Bereiche absoluter Werte der Wandstärke TQ sind insbesondere Wandstärken von 1,1 bis 2,5 mm, insbesondere bevorzugt von 1,2 bis 2,0 mm geeignet. Vorliegend beträgt die Wandstärke des Querkanals ca. 2 mm.
Das Sammelrohr 2 ist, wie zuvor erwähnt endseitig mittels je einer Trennwand 8 verschlossen. Hierbei liegt das Verhältnis der Wandstärke TT von der Trennwand zur Wandstärke TL des Längskanals vorliegend bei 1,3. Bevorzugt liegt das Verhältnis im Bereich von 0,45 bis 2,3, insbesondere zwischen 0,5 und 1,6, und besonders bevorzugt im Bereich von 1,0 und 1,6. Die Wandstärke TT der Trennwand beträgt vorliegend 1,8 mm.
Für eine ausreichende Druckfestigkeit jedes Sammelrohrs 2 ist die Ausprägung der Innenradien R von Boden 6 und Deckel 7 im Bereich der Außenseiten der Längs- und Querkanäle 9 und 10 wesentlich (siehe 6). Hierbei kann der entsprechende Innenradius R auch mit nicht kreisförmigem Krümmungsverlauf, insbesondere auch als Fase, ausgebildet sein, wobei in diesem Fall an Stelle der Kontur ein äquivalenter Radius tritt. Der Innenradius, wie auch der äquivalente Radius liegen im Bereich von 0 bis 2 mm, insbesondere im Bereich von 0 bis 1 mm, und besonders bevorzugt im Bereich von 0 bis 0,5 mm.
Die vorstehend beschriebenen Geometrieverhältnisse sind natürlich nicht nur für gelötete Wärmetauscher geeignet.

Claims

Wärmetauscher (1), insbesondere Gaskühler, mit mindestens einem Sammelrohr (2) und einer Mehrzahl von eine Wärmeübertragungsfläche bildenden Flachrohren (3), die mit einem ihrer Enden in das Sammelrohr (2) einmünden, wobei im Sammelrohr (2) mindestens zwei Längskanäle (9) und eine der Anzahl der Flachrohre (3) entsprechende Anzahl von Querkanälen (10) ausgebildet ist, wobei das Querschnittsverhältnis vom Querschnitt (AL1, AL2) eines Längskanals (9) zu einem Querschnitt (AQ) eines Querkanals (10) im Bereich von 1,3 bis 6 liegt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Querschnittsverhältnis im Bereich von 1,45 bis 4,6, insbesondere von 1,6 bis 4,0, insbesondere von 1,7 bis 3,5, insbesondere von 1,75 bis 2,7 liegt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Strömungsquerschnitte (AL1, AL2) der Längskanäle (9) 1,0 bis 1,35, insbesondere 1,0 bis 1,25, insbesondere 1,0 bis 1,15, insbesondere 1,0, beträgt.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Querschnitts (AL1, AL2) mindestens eines der Längskanäle (9) zu einem Querschnitt (AQ) eines Querkanals (10) im Bereich von 1,3 bis 6,0, insbesondere im Bereich von 1,75 bis 4,6, insbesondere im Bereich von 1,75 bis 2,7, liegt.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Gesamtquerschnitts (AL) der Längskanäle (9) zum Querschnitt (AQ) eines Querkanals (10) 2,6 bis 11,9, insbesondere 3,5 bis 9,1, insbesondere 4,5 bis 5,4, beträgt.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des gesamten Flachrohrströmungsquerschnitts (AF), gebildet durch die Summe der Kanalquerschnitte eines Flachrohres (3), zum Querschnitt (AQ) eines Querkanals (10) im Bereich von 0,15 bis 1,5, insbesondere von 0,15 bis 0,85, insbesondere im Bereich von 0,15 bis 0,45, liegt.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der minimalen Wandstärke (TL) des Längskanals (9) zum Querschnitt (AL1, AL2) eines Längskanals (9) zwischen 0,05 und 0,17, insbesondere zwischen 0,05 und 0,14, insbesondere zwischen 0,07 und 0,11, liegt.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Wandstärke (TL) des Längskanals (9) 1,2 bis 2,5 mm, insbesondere 1,2 bis 2,0 mm, beträgt.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der minimalen örtlichen Wandstärke (TQ) eines Querkanals (10) zum Querschnitt (AQ) des Querkanals (10) zwischen 0,11 und 0,6, insbesondere zwischen 0,12 und 0,3, liegt.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale örtliche Wandstärke (TQ) eines Querkanals (10) im Bereich von 1,1 bis 2,5 mm, insbesondere von 1,2 bis 2,0 mm, liegt.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sammelrohr (2) mindestens eine Trennwand (8) aufweist, die außenseitig angeordnet ist, und dass das Verhältnis der Wandstärke (TT) der Trennwand (8) zur Wandstärke (TL) des Längskanals (9) im Bereich von 0,45 bis 2,3, insbesondere im Bereich von 0,5 bis 1,6, insbesondere im Bereich von 1,0 bis 1,6, liegt.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sammelrohr (2) aus einem getrennt ausgebildeten Boden (6) und Deckel (7) gebildet ist, wobei der Innenradius R oder der äquivalente Radius an den Außenseiten der Längskanäle (9) und/oder der Querkanäle (10) am Boden (6) und/oder Deckel (7) im Bereich von 0 bis 2 mm, insbesondere im Bereich von 0 bis 1 mm, insbesondere im Bereich von 0 bis 0,5 mm, liegt.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (LQ) eines Querkanals (10) im Bereich von 3 bis 14 mm, insbesondere im Bereich von 3 bis 9,5 mm, liegt.