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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit einem Wärmeübertragerblock gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
WO 2005/038375 A1 ist ein gattungsgemäßer Wärmeübertrager mit einem Wärmeübertragerblock bekannt, wobei der Wärmeübertragerblock mehrere Rohre und zumindest einen Sammler aufweist, der zumindest einen Rohrboden umfasst, in welchem die Rohre längsendseitig dicht aufgenommen sind. Ebenfalls vorgesehen ist ein Abschlussstück mit einer Kanalstruktur, wobei diese Kanalstruktur symmetrisch verlaufende Stege aufweist, die dazwischenliegende Kanäle voneinander trennt.
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Aus der
DE 102 60 030 A1 ist ein weiterer Wärmeübertrager mit Rohren und zumindest einem Abschlussstück bekannt, welches einen Rohrboden aufweist, der eine Bodenplatte, eine Umlenkplatte sowie eine Abdeckplatte umfasst. Hierdurch soll ein Wärmeübertrager bereitgestellt werden können, mit welchem zugleich eine einfach und leichte Bauweise und gegebenenfalls gleichzeitig eine gleichmäßige Verteilung eines Mediums auf mehrere Strömungspfade bzw. auch ein druckstabiler Aufbau des Wärmeübertragers realisierbar ist.
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Generell wird für CO2-Gaskühler aufgrund der in diesen auftretenden hohen Drücke eine neue Bauweise für einen Kältemittelsammler im Bereich eines Abschlussstücks benötigt. Dabei bietet sich insbesondere eine Plattenbauweise an. Um einerseits eine gute Kältemittelverteilung zu erzielen, wird ein Kanal mit viel Verteilfläche benötigt. Um andererseits die hohen Betriebsdrücke sicher bestehen zu können, sind jedoch kleine Kanäle anzustreben. Aus diesem Grund gilt es einen Kompromiss zu finden zwischen einerseits einer guten Kältemittelverteilung und andererseits einer ausreichenden Festigkeit.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen gattungsgemäßen Wärmeübertrager eine alternative bzw. zumindest verbesserte Ausführungsform anzugeben, welche sowohl eine verbesserte Festigkeit als auch eine optimierte Kältemittelverteilung ermöglicht.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, in einem Abschlussstück eines Wärmeübertragers eine optimierte Kanalstruktur vorzusehen, die aufgrund ihrer geometrischen Verhältnisse bzw. Ausprägungen sowohl eine erhöhte Berstdruckfestigkeit als auch eine optimierte Kältemittelverteilung ermöglicht. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager besitzt dabei einen Wärmeübertragerblock mit mehreren Rohren und zumindest einem Sammler, der zumindest einen Rohrboden besitzt, in dem die Rohre längsendseitig dicht aufgenommen sind. Ebenso vorgesehen ist ein Abschlussstück mit einer Kanalstruktur, die symmetrisch verlaufende Stege aufweist, welche wiederum dazwischenliegende Kanäle voneinander trennt. Die exakte geometrische Ausbildung dieser Kanalstruktur ist nun für die Vorteile des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers verantwortlich. Hierzu beträgt eine Stegbreite 1 mm < bS < 5 mm, vorzugsweise sogar 1 mm < bS < 3 mm, ein Verhältnis zwischen der Stegbreite und einer Kanalbreite bS/bK < 4,0, vorzugsweise sogar bS/bK < 2,5, sowie ebenfalls vorzugsweise ein Verhältnis zwischen einer Steglänge und der Stegbreite lS/bS > 4,5. Mit derartig ausgebildeten Stegen und einer solchen Kanalstruktur kann ein optimaler Kompromiss zwischen ausreichender Druckbeständigkeit (viele Verbindungsstelle und möglichst kleine Kanäle), sowie einer optimierten Kältemittelverteilung gefunden werden, wobei den Stegen hier eine besondere Bedeutung zukommt, da durch diese das Abschlussstück mit dem Rohrboden stoffschlüssig verbunden wird.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung beträgt ein Verhältnis zwischen der Stegbreite bS und einer Steghöhe hS < 1,5, insbesondere < 1,0. Durch dieses Verhältnis soll sicher gewährleistet werden, dass das Abschlussstück als kostengünstiges und zugleich qualitativ hochwertiges Blechstanzteil bzw. Blechprägeteil hergestellt werden kann.
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Zweckmäßig ist das Abschlussstück mehrteilig ausgebildet, nämlich aus einem Deckelelement und einem ersten Distanzelement, wobei sich die Kanalstruktur im Distanzelement befindet. Rein theoretisch ist selbstverständlich auch denkbar, dass das Abschlussstück einteilig ausgebildet ist, wobei in diesem Fall die einzelnen geometrischen Abmessungen der Stege der Kanalstruktur mittels eines geeigneten Prägeverfahrens in das Abschlussstück eingeprägt sind. Im Vergleich dazu ist jedoch die mehrteilige Ausbildung des Abschlussstücks besonders vorteilhaft, da die vergleichsweise aufwändige und geometrisch exakte Kanalstruktur mittels eines Präge- bzw. Stanzprozess in das erste Distanzelement eingebracht und anschließend dieses dicht mit dem Deckelelement bzw. dem Rohrboden verbunden, insbesondere verlötet werden kann. Ein Verlöten erfolgt dabei sowohl randseitig als auch entlang der Stege. Die mehrteilige Ausbildung des Abschlussstücks ermöglicht dadurch einerseits eine verbesserte Fertigungsqualität und andererseits einen flexiblen Aufbau, da es hierbei auch denkbar ist, das Deckelelement mit unterschiedlichen Distanzelementen oder das Distanzelement mit unterschiedlichen Deckelelementen zu kombinieren.
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Zweckmäßig sind in dem ersten Distanzelement drei Kammern zum Sammeln oder Verteilen von Kältemittel vorgesehen, wobei zwei Kammern kommunizierend miteinander verbunden sind. Ein derartig ausgebildetes erstes Distanzelement ist insbesondere für den Einsatz in einem dreiflutigen Wärmeübertrager geeignet, bei welchem ein Kältemitteleinlass auf der einen und ein Kältemittelauslass auf der gegenüberliegenden Seite des Wärmeübertragers angeordnet ist. Zunächst strömt somit das Kältemittel über das Deckelelement in die erste Kammer des Distanzelements, in welcher es mittels der Kanalstruktur optimal auf eine erste Anzahl von Rohren, insbesondere Flachrohren, des Wärmeübertragerblocks verteilt wird. Nach Durchströmen dieser Flachrohre tritt das Kältemittel am gegenüberliegenden Längsende der Flachrohre wieder aus diesen aus und wird über zwei miteinander verbundene Kammer des dort angeordneten ersten Distanzelements um 180° umgelenkt, um in entgegengesetzter Richtung eine zweite Anzahl von Flachrohren wieder zu durchströmen. Ist das Kältemittel nun wiederum am ersten Distanzelement auf der Eingangsseite angeordnet, tritt es dort in die zweite Kammer des ersten Distanzelements ein, von wo es unmittelbar in die dritte Kammer weitergeleitet wird. Von der dritten Kammer durchströmt es wiederum eine weitere Anzahl an Flachrohren, um anschließend im gegenüberliegenden ersten Distanzelement über eine entsprechende dritte Kammer abgeführt werden zu können. Selbstverständlich kann dabei das erste Distanzelement auch mehr Kammern aufweisen, wodurch nicht nur ein dreiflutiger, sondern beispielsweise auch ein fünf- oder mehrflutiger Wärmeübertrager geschaffen werden kann. Rein theoretisch ist selbstverständlich auch das Vorsehen lediglich einer einzigen Kammer denkbar, wodurch eine einflutiger Wärmeübertrager entsteht.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist zwischen dem ersten Distanzelement und dem Deckelelement ein zweites Distanzelement angeordnet, welches ebenfalls eine Kanalstruktur aufweist, mit der das Kältemittel gleichmäßig auf eine erste Kammer des ersten Distanzelements aufteilbar ist und wobei diese erste Kammer über den Rohrboden kommunizierend mit einer Anzahl von Flachrohren verbunden ist. In diesem Fall sind somit die einzelnen Kammern zum Sammeln bzw. Verteilen des Kältemittels nicht im ersten Distanzelement angeordnet, sondern im zweiten Distanzelement. Die beste Verteilung des Kältemittels wird üblicherweise dann erreicht, wenn innerhalb einer Kammer, das heißt innerhalb einer Kammer des ersten oder zweiten Distanzelements, die Stege symmetrisch um die Mittelachse des Sammlers angeordnet sind. Vorteilhaft kann aber auch eine punktsymmetrische Anordnung der einzelnen Stege um den Mittelpunkt einer einzelnen Kammer sein.
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Generell ist eine Kältemittelzuführung in den Sammler durch unterschiedlichste Varianten realisierbar. So kann das Kältemittel beispielsweise durch jeweils einen Stutzen zu- bzw. abgeführt werden, wobei in diesem Fall die Verteilung des Kältemittels über die Höhe und Breite von dem jeweiligen Distanzelement übernommen wird. Alternativ kann selbstverständlich die Verteilung über die Höhe auch mittels eines Profilrohres realisiert werden, welches beispielsweise als D-Profilrohr realisiert werden kann. Ein derartiges Profilrohr wird auf das Abschlussstück stoffschlüssig montiert, wobei die Zuführung des Kältemittels nun über eine Anzahl fluchtender Bohrungen im Deckelelement bzw. Abschlussstück erreicht wird. Alternativ kann selbstverständlich auch im Deckelelement eine Kanalstruktur eingeprägt werden, welche die Kühlmittelzuführung übernimmt und welche mit einem Flansch bzw. einem Stutzen kommunizierend verbunden ist.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine erfindungsgemäßen Wärmeübertrager in einer Explosionsdarstellung,
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2 eine Darstellung wie in 1, jedoch mit zwei Distanzelementen,
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3 eine Darstellung wie in 1, jedoch mit einem anders ausgebildeten ersten Distanzelement,
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4a bis c unterschiedliche Anbindungsmöglichkeiten von Profilrohren an die jeweiligen Sammler.
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Entsprechend den 1 bis 4, weist ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager 1, der beispielsweise als CO2-Gaskühler, als Verdampfer oder als Kondensator ausgebildet sein kann, einen Wärmeübertragerblock 2 mit mehreren Rohren 3, insbesondere Flachrohren, und zumindest einem Sammler 4 auf. Der Sammler 4 besitzt dabei einen Rohrboden 5, in welchem die Rohre 3 längsendseitig dicht aufgenommen sind. Ebenfalls vorgesehen ist ein Abschlussstück 6, das zumindest eine Kanalstruktur 7 besitzt. Die Kanalstruktur 7 wiederum weist symmetrisch verlaufende Stege 8 auf, die dazwischenliegende Kanäle 9 voneinander trennt. Um nun einerseits eine möglichst optimale Verteilung des durch den Sammler 4 und den Wärmeübertragerblock 2 strömenden Kältemittels erreichen zu können, andererseits aber insbesondere bei CO2-Kühlern eine erforderlich Berstdruckfestigkeit gewährleisten zu können, sind die geometrischen Parameter im Bereich des Abschlussstücks 6 wie folgt definiert:
Eine Stegbreite bS (vgl. 3) liegt dabei zwischen 1 und 3 mm. Ein Verhältnis zwischen der Stegbreite bS und einer Kanalbreite bK ist kleiner als 4,0, vorzugsweise kleiner als 2,5 und ein Verhältnis zwischen einer Steglänge lS und der Stegbreite bS ist größer als 4,5.
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Durch die Wahl des Verhältnisses zwischen der Stegbreite bS und einer Steghöhe hS von größer als 1,0 kann darüber hinaus gewährleistet werden, dass insbesondere ein die Kanalstruktur 7 beinhaltendes erstes Distanzelement 10 einfach und dennoch qualitativ hochwertig zu stanzen bzw. zu prägen ist.
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Betrachtet man die 1 bis 4, so kann man erkennen, dass das Abschlussstück 6 mehrteilig ausgebildet ist, nämlich aus einem Deckelelement 11 und dem zuvor erwähnten ersten Distanzelement 10, wobei sich in diesem Fall die erfindungsgemäße Kanalstruktur 7 im ersten Distanzelement 10 befindet. In dem Deckelelement 11 bzw. im ersten Distanzelement 10 können dabei je nach Ausführungsform zumindest drei Kammern 12 zum Sammeln oder Verteilen von Kältemittel vorgesehen sein, wovon zwei Kammern 12 kommunizierend miteinander verbunden sind. Hierdurch kann beispielsweise ein dreiflutiger Wärmeübertrager 1 geschaffen werden, bei welchem eine Zuführung des Kältemittels auf der einen und eine Abführung auf der gegenüberliegenden anderen Seite des Wärmeübertragers 1 erfolgt. Grundsätzlich können drei Arten unterschieden werden, wie das Kältemittel auf die einzelnen Kammern 12 verteilt wird, nämlich mit einer direkten Verbindung innerhalb des Distanzelements 10, mit einem weiteren Distanzelement 14 (2), oder mit einem Profilrohr 13 (1 oder 3).
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Alternativ zu den gemäß den 1 und 3 dargestellten Ausführungsformen ist auch die gemäß der 2 dargestellte Ausführungsform des Wärmeübertragers 1 denkbar, bei welchem zwischen dem ersten Distanzelement 10 und dem Deckelelement 11 ein zweites Distanzelement 14 angeordnet ist. In diesem Fall besitzt das zweite Distanzelement 14 eine Kanalstruktur 7', mittels welcher das Kältemittel gleichmäßig auf eine erste Kammer 12 des ersten Distanzelements 10 aufgeteilt wird, wobei die erste Kammer 12 über den Rohrboden 5 kommunizierend mit einer Anzahl von Flachrohren bzw. Rohren 3 verbunden ist.
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Der Rohrboden 5 und das Abschlussstück 6, das heißt beispielsweise das erste Distanzelement 10 und das Deckelelement 11 und gegebenenfalls noch das zweite Distanzelement 14 sind dabei über die Stege 8 und randseitig dicht miteinander verbunden, insbesondere fluiddicht miteinander verlötet.
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Im Deckelelement 11 selbst ist zumindest eine Durchgangsöffnung 15 angeordnet (vgl. 2), über welche der Sammler 4 mittels eines damit verbundenen Stutzen 16 (vgl. 4c) mit Kältemittel versorgt wird. Alternativ hierzu können in dem Deckelelement 11 auch mehrere Durchgangsöffnungen 15 vorgesehen sein (vgl. die 1 und 3), wobei ein Profilrohr 13 vorgesehen ist, welches zumindest einen Teil der Durchgangsöffnung 15 überdeckt und mit Kältemittel versorgt. Selbstverständlich ist bei einem einflutigen Wärmeübertrager 1 auch denkbar, dass das Profilrohr 13 sämtliche Durchgangsöffnungen 15 überdeckt und dadurch eine vergleichsweise gleichmäßige Beaufschlagung des Abschlussstücks 6 mit Kältemittel bewirkt. Alternativ zu dem Profilrohr 13 bzw. dem Stutzen 16 kann in dem Deckelelement 11 auch eine Sicke 17 vorgesehen sein, welches als Kältemittelleitung fungiert und den Sammler 4 mit Kältemittel versorgt. Eine derartige Sicke ist beispielsweise gemäß der 4b dargestellt.
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Wird beispielsweise das Abschlussstück 6 aus mehreren einzelnen Komponenten 10, 11 und 14 hergestellt, so kann es aus Sicht einer verbesserten Standardisierung durchaus sinnvoll sein, diese alle mit der gleichen Dicke auszuführen. Aus rein strömungstechnischer Sicht macht es jedoch Sinn, diese mit unterschiedlichen Dicken auszuführen. Die einzelnen Elemente 10, 14 können dabei mittels Stanz- oder Fräsbahn hergestellt und anschließend vormontiert bzw. durch ein stoffschlüssiges Verfahren (Löten/Schweißen/Kleben) miteinander fixiert werden.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Abschlussstücks 6 bzw. des gesamten Sammlers 4 lässt sich aufgrund der gewählten Geometrie der Stege 8 und der Kanäle 9 eine optimale Verteilung des Kältemittels erreichen und zugleich die Berstdruckfestigkeit des Sammlers 4 deutlich erhöhen. Eine optimierte Verteilung des Kältemittels kann insbesondere dann erreicht werden, wenn innerhalb einer Kammer 12 die Stege 8 symmetrisch um die Mittelachse 18 des Sammlers 4 angeordnet sind (vgl. 1 und 2) oder aber punktsymmetrisch um den Mittelpunkt einer einzelnen Kammer 12 (vgl. 3).
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Generell kann der erfindungsgemäße Wärmeübertrager 1 auf nahezu alle Wärmeübertrageranwendungen übertragen werden, wobei insbesondere bei Gaskühler bzw. Wärmepumpenheizer sowie indirekten Verdampfern/Chillern die Vorteile besonders klar zur Geltung kommen.
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Durch die standardisierte Ausbildung, insbesondere des ersten und zweiten Distanzelements 10, 14 kann zudem eine wirtschaftliche Fertigung des Wärmeübertragers 1 realisiert werden, da insbesondere das bisher in diesem Bereich vorgesehene, komplizierte Frästeil ersetzt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2005038375 A1 [0002]
- DE 10260030 A1 [0003]
