DE60201554T2 - Verdampfer mit hoher Kälteleistung für Kraftfahrzeugklimaanlage - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, der eine von einer Vielzahl von ersten Elementarbahnen gebildete, kombinierte Bahn für ein erstes Fluid und eine von einer Vielzahl von zweiten Elementarbahnen gebildete, kombinierte Bahn für ein zweites Fluid definiert, wobei die ersten und zweiten Elementarbahnen in einer ersten Richtung abwechselnd angeordnet sind, so dass jede Elementarbahn für eines der Fluide mit mindestens einer benachbarten Elementarbahn für das andere Fluid in Thermokontakt steht, wobei jede erste Elementarbahn U-förmig ausgebildet ist und die beiden Zweige des U in einer zweiten Richtung verlaufen und zueinander in einer dritten Richtung versetzt sind, wobei die erste, zweite und dritte Richtung im wesentlichen senkrecht zueinander sind, wobei jede zweite Elementarbahn sich in der dritten Richtung von einer Eingangsfläche des Wärmetauschers nahe einem ersten Zweig der ersten Elementarbahnen zu einer Ausgangsfläche nahe dem zweiten Zweig der ersten Elementarbahnen erstreckt, wobei die beiden Zweige jeder ersten Elementarbahn in jeweiligen Kollektorräumen münden, wobei die Kollektorräume, die mit den ersten Zweigen verbunden sind, und diejenigen, die mit den zweiten Zweigen verbunden sind, in der ersten Richtung in ersten bzw. zweiten Reihen fluchtend angeordnet sind, und die Kollektorräume paarweise miteinander in Verbindung stehen, um eine kombinierte Bahn zu erzeugen, die sich von einem Eingangskollektorraum zu einem Ausgangskollektorraum erstreckt, die sich an entgegengesetzten Enden des Wärmetauschers in der ersten Richtung befinden.
• Solche Wärmetauscher werden insbesondere als Verdampfer in Fahrzeug-Klimaregelungsschleifen verwendet, wobei das erste Fluid ein Kühlfluid ist, das in der Schleife fließt, und das zweite Fluid Luft ist, die für den Fahrgastraum des Fahrzeugs bestimmt ist.
• Es sind insbesondere Verdampfer bekannt, bei denen das Kühlfluid gemäß einer kombinierten Bahn in sechs Durchgängen fließt, wobei eine erste Untereinheit von ersten Elementarbahnen einen ersten Durchgang, der von einem zur zweiten Reihe gehörenden, ersten Kollektorraum ausgeht, und einen zweiten Durchgang definiert, der in einen zur ersten Reihe gehörenden, zweiten Kollektorraum mündet, eine zweite Untereinheit von ersten Elementarbahnen einen dritten Durchgang, der von einem dem zweiten Kollektorraum in der ersten Reihe benachbarten und mit diesem in Verbindung stehenden dritten Kollektorraum ausgeht, und einen vierten Durchgang definiert, der in einen dem ersten Kollektorraum in der zweiten Reihe benachbarten und von diesem durch eine Trennwand getrennten vierten Kollektorraum mündet, und eine dritte Untereinheit von ersten Elementarbahnen einen fünften Durchgang, der von einem dem vierten Kollektorraum in der zweiten Reihe benachbarten und mit diesem in Verbindung stehenden fünften Kollektorraum ausgeht, und einen sechsten Durchgang definiert, der in einen dem dritten Kollektorraum in der ersten Reihe benachbarten und von diesem durch eine Trennwand getrennten sechsten Kollektorraum mündet.
• Vom ersten Durchgang zum zweiten Durchgang und vom fünften Durchgang zum sechsten Durchgang fließt somit das Kühlfluid von der zweiten Fläche zur ersten Fläche des Verdampfers, d.h. in Gegenrichtung der Luft, während es zwischen dem dritten Durchgang und dem vierten Durchgang von der ersten Fläche zur zweiten Fläche fließt, d.h. in gleicher Richtung wie die Luft. Ein solcher Verdampfer ist aus der Druckschrift US-5,355,947 bekannt.
• Die Erfindung hat insbesondere zum Ziel, die Kühleigenschaften des Verdampfers sowohl bezüglich der Kühlleistung als auch bezüglich der Homogenität der Temperatur der gekühlten Luft von einer zweiten Elementarbahn zur anderen zu verbessern.
• Die Erfindung betrifft insbesondere einen Wärmetauscher von der in der Einleitung definierten Art und sieht vor, dass mindestens ein Übergangsdurchlass zwischen zwei Kollektorräumen ausgebildet ist, die zu je einer der beiden Reihen gehören, so dass in den direkt mit diesen beiden Kollektorräumen in Verbindung stehenden ersten Elementarbahnen das Fluid von einem Zweig zum anderen bezüglich der dritten Richtung in der gleichen Richtung fließt.
• Mögliche Merkmale der Erfindung, komplementär oder als Ersatz, sind nachfolgend aufgezählt:
• – In den ersten Elementarbahnen, die direkt mit den beiden Kollektorräumen in Verbindung stehen, fließt das Fluid vom zweiten Zweig zum ersten Zweig.
• – Ein einziger Übergangsdurchlass ist ausgebildet, der vom vierten Kollektorraum, der zur ersten Reihe gehört, zum fünften Kollektorraum führt, der zur zweiten Reihe gehört.
• – Der Wärmetauscher weist eine Vielzahl von in der ersten Richtung gestapelten Taschen auf, die je einen Körperbereich, der eine der ersten Elementarbahnen definiert, und zwei Kopfbereiche größerer Dicke als der Körperbereich aufweisen, die diesem in der zweiten Richtung benachbart und einander in der dritten Richtung benachbart sind, wobei die Kopfbereiche von zwei benachbarten Taschen des Stapels je Wände aufweisen, die gegeneinander angelegt sind, während ihre Körperbereiche zwischen sich eine zweite Elementarbahn begrenzen, wobei jeder Kollektorraum vom Innenvolumen eines Kopfbereichs oder von den Innenvolumen von Kopfbereichen mehrerer Taschen gebildet wird, die miteinander über in den Wänden ausgebildete Öffnungen in Verbindung stehen, wobei jeder Übergangsdurchlass von einem Übergangseinsatz definiert wird, der zwischen zwei Taschen des Stapels eingefügt ist und einerseits mit dem Innenvolumen eines Kopfbereichs einer dieser beiden letzteren Taschen, die zur ersten Reihe gehört, und andererseits mit dem Innenvolumen eines Kopfbereichs der anderen Tasche in Verbindung steht, die zur zweiten Reihe gehört.
• – Es ist mindestens ein Eingangs- oder Ausgangseinsatz für das erste Fluid vorgesehen, der zwischen zwei Taschen des Stapels eingefügt ist und einen Eingangs- oder Ausgangs-Rohransatz definiert, der auf einer der Eingangs- und Ausgangsflächen des Wärmetauschers vorsteht, die er mit den Innenvolumen der Kopfbereiche dieser beiden letzteren Taschen in Verbindung setzt, die zu einer der Reihen gehören, und die Innenvolumen der Kopfbereiche der gleichen Taschen miteinander in Verbindung setzt, die zur anderen Reihe gehören.
• – Es sind Perforationen in mindestens einer Trennwand ausgebildet, die zwei benachbarte Kollektorräume einer gleichen Reihe voneinander trennt, um einen Fluchtweg für das erste Fluid in Ableitung von der oder den ersten Elementarbahnen) zu erzeugen, die zwischen diesen beiden Kollektorräumen eingefügt sind.
• – Die Perforationen sind in einer Wand des Übergangseinsatzes ausgebildet.
• – Der Fluchtweg wird zwischen dem dritten und dem fünften Kollektorraum erzeugt.
• – Die Gesamtfläche der in einer Trennwand ausgebildeten Perforationen liegt zwischen 3 und 10 % und vorzugsweise zwischen 4 und 6 % des Durchlassquerschnitts zwischen zwei Kollektorräumen, die direkt miteinander in Verbindung stehen.
• - Die Perforationen haben einen Durchmesser zwischen 1 und 3 mm.
• Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
• 1 ist eine Draufsicht im Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Verdampfer.
• 2 ist eine grafische Darstellung, die die Kühlleistungen eines Verdampfers gemäß der Erfindung bzw. eines Verdampfers mit üblichen Kreisläufen zeigt.
• 1 stellt einen erfindungsgemäßen Verdampfer im Schnitt gemäß der Ebene dar, die durch die Achsen der beiden Reihen von Kollektorräumen verläuft. Dieser Verdampfer besteht hauptsächlich aus einem Stapel von Taschen und gewellten Zwischenlagen, wie sie zum Beispiel in der FR 2 747 462 A beschrieben sind, die für nähere Einzelheiten über den Aufbau dieses Stapels hinzugezogen werden kann. Jede Tasche 1 besteht aus zwei Blechplatten, die in Form von Schalen 2 und 3 tiefgezogen sind. Letztere sind einander gleich, und ihre konkaven Seiten sind einander zugewandt, d.h. je nach rechts bzw. nach links in der Figur. Jede Schale weist einen Umfangsrand 4 auf, der sich in einer Ebene senkrecht zu derjenigen der Figur befindet, und die Umfangsränder 4 der beiden eine Tasche bildenden Schalen sind fluiddicht aneinander befestigt, zum Beispiel durch Löten, um das Innenvolumen der Tasche zu begrenzen. Jede Tasche weist zwei Kopfbereiche 5 und 6 auf, die sich in der Figur unten bzw. oben befinden und durch tiefe Einprägungen der Platten 2, 3 definiert werden. Die Kopfbereiche 5 und 6 nehmen einen kleineren Bruchteil der Höhe des Verdampfers in dessen oberem Bereich ein; der Rest der Höhe, hinter der Ebene der Figur, wird von einem Körperbereich kleinerer Dicke eingenommen. Die Innenvolumen der Zonen 5 und 6 jeder Tasche sind voneinander durch eine dichte Verbindungszone 7 zwischen den beiden Schalen auf halber Breite der Tasche getrennt, wobei diese Verbindungszone sich nach unten bis in die Nähe des unteren Endes der Tasche verlängert, um in deren Körperbereich eine U-förmige Elementarbahn für das Kühlfluid zwischen den beiden Volumen zu bilden. Eine Platte 2 und eine benachbarte Platte 3, die zu zwei verschiedenen Taschen gehören, liegen aufeinander über ihre Böden 8 in den Bereichen 5 und 6 an, und sind im Körperbereich durch einen mit einer gewellten Zwischenlage bestückten Zwischenraum voneinander getrennt, der eine Elementarbahn für die zu kühlende Luft parallel zur Ebene der Figur gemäß dem Pfeil F1 definiert. Die miteinander in Kontakt stehenden Böden 8 sind zusammengelötet, und manche von ihnen werden von Öffnungen 9 durchquert, die die entsprechenden Innenvolumen miteinander in Verbindung setzen.
• In bekannter Weise besitzt der Verdampfer einen Fluideingangseinsatz 10 und einen Fluidausgangseinsatz 11, die mit den Taschen 1 gestapelt sind, wobei jeder Einsatz zwischen die Bereiche 5 und 6 einer Tasche einerseits und die Bereiche 5 und 6 einer anderen Tasche andererseits eingeschoben ist. Die Einsätze 10 und 11 sind zum Beispiel von der in FR 2 757 618 A beschriebenen An. Die Einsätze 10 und 11 sind beide gleich und definieren je einen Eingangs- oder Ausgangsrohransatz 12, der bezüglich der Eingangsfläche 13 des Verdampfers, d.h. der Fläche, durch die der Luftstrom F1 eindringt, und eines Innenvolumens vorsteht, das von einer Trennwand 14 in einen Bereich 15, der mit den Innenvolumen der Bereiche 5 der benachbarten Taschen in Verbindung steht, und einen Bereich 16 aufgeteilt wird, der mit den Innenvolumen der Bereiche 6 dieser Taschen in Verbindung steht.
• Das über den Eingangsstutzen 12 des Einsatzes 10 in den Verdampfer eindringende Kühlfluid verteilt sich über das Volumen 15 zwischen den Innenvolumen der Bereiche 5, die zwischen einem Ende 20 des Verdampfers, das sich in der Figur links befindet, und einer Trennwand 17 liegen, die von den Böden zweier Schalen gebildet wird, die keine Öffnung 9 aufweisen, wobei diese Innenvolumen einen ersten Kollektorraum 21 bilden. Ausgehend vom Kollektorraum 21 fließt das Fluid parallel durch die U-förmigen Elementarbahnen, die von den ihn definierenden Taschen begrenzt werden, wobei die nahe der Fläche 13 liegenden Zweige und die nahe der gegenüberliegenden oder Endfläche 18 liegenden Zweige einen ersten Durchgang bzw. einen zweiten Durchgang bilden, wobei letzterer in einem zweiten Kollektorraum 22 mündet, der von den Innenvolumen der Bereiche 6 der gleichen Taschen gebildet wird, die den Kollektorraum 21 bilden. Der Kollektorraum 22 steht über Öffnungen 9–1 mit einem dritten Kollektorraum 23 in Verbindung, der seinerseits mit einem vierten Kollektorraum 24, der vom Kollektorraum 21 durch die Trennwand 17 getrennt ist, über U-förmige Elementarbahnen in Verbindung steht, die einen dritten und einen vierten Durchgang bilden.
• Erfindungsgemäß wird ein Übergangseinsatz 27 in den Taschenstapel nach den Taschen eingeschoben, die die Kollektorräume 23 und 24 bilden. Der Einsatz 27 definiert ein einzelnes Innenvolumen 28, das sich über die ganze Breite des Verdampfers erstreckt, nicht mit dessen Außenumgebung in Verbindung steht, vom Raum 23 durch eine Wand 29 getrennt ist und mit dem Raum 24 in Verbindung steht. In gleicher Weise steht das Volumen 28 mit einem Kollektorraum 25 in Verbindung, der von den Innenvolumen der Bereiche 6 der Taschen gebildet wird, die sich rechts vom Einsatz 27 und bis zu einem rechten Ende 30 des Verdampfers befinden, und ist durch eine Wand 31 von einem Kollektorraum 26 getrennt, der von den Bereichen 5 der gleichen Taschen gebildet wird. So lässt der Einsatz 27 das Fluid vom vierten Kollektorraums 24, der sich in der Reihe nahe der Fläche 13 befindet, in den fünften Kollektorraum 25 fließen, der sich in der Reihe nahe der Fläche 18 befindet, von wo es über U-förmige Elementarbahnen, die fünfte und sechste Durchgänge bilden, zum sechsten Kollektorraum 26 kommt, der mit dem Ausgangsrohransatz 12 über das Volumen 15 des Ausgangseinsatzes 11 in Verbindung steht.
• Dank des Übergangseinsatzes 27 fließt das Kühlfluid zweimal nacheinander in Gegenrichtung zur Luft gemäß dem Pfeil F2, d.h. zwischen dem dritten und dem vierten Durchgang und zwischen dem fünften und dem sechsten Durchgang, wobei der Fluss in gleicher Richtung wie die Luft gemäß dem Pfeil F1 nur zwischen den beiden ersten Durchgängen stattfindet. Dieser Kreislauf verbessert die Kühlleistung des Verdampfers im Vergleich mit dem klassischen Kreislauf bei dem das Kühlfluid zwischen den beiden ersten Durchgängen und zwischen den beiden letzten Durchgängen entgegengesetzt zur Luft und zwischen dem dritten und dem vierten Durchgang in gleicher Richtung wie die Luft fließt. Dies wird in 2 gezeigt, in der die durchgezogene Kurve und die gestrichelte Kurve die Veränderung der Kühlleistung zeigen, die in Abhängigkeit vom Luftdurchsatz mit einem erfindungsgemäßen Verdampfer bzw. mit einem gleichwertigen Verdampfer mit klassischem Kreislauf erzeugt wird.
• Man stellt auch eine Verbesserung der Homogenität der Temperatur der gekühlten Luft von einem Ende des Verdampfers zum anderen fest.
• Diese Betriebsmerkmale können noch verbessert werden, indem in der Wand 29 Löcher 32 vorgesehen werden, die einen Fluchtweg zwischen den Kollektorräumen 23 und 25 erzeugen. Vorteilhafterweise liegt die Gesamtfläche der Löcher 32 zwischen 3 und 10 %, und noch bevorzugter zwischen 4 und 6 % der Oberfläche der Löcher 9, die zwei zu einem gleichen Kollektorraum gehörende Volumen oder zwei Kollektorräume miteinander verbinden.
• Obwohl der Verdampfer unter der Annahme beschrieben wurde, dass die Kopfbereiche der Taschen sich im oberen Abschnitt befinden, kann er auch anders ausgerichtet sein.
• Die Erfindung ist nicht auf die beschriebene und dargestellte Ausführungsform beschränkt. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Verdampfer mehr als einen Übergangseinsatz aufweisen. Der Eingangseinsatz und/oder der Ausgangseinsatz können in Abhängigkeit von der Einfügung von Eingangs- und Ausgangsrohransätzen weggelassen werden. Die Anzahl von Durchgängen kann sich von sechs unterscheiden. Der Wärmetauscher kann eine andere Funktion als die eines Verdampfers einer Fahrzeugklimaregelung erfüllen und kann gemäß einer anderen Technologie als die der gestapelten Taschen hergestellt sein.

Claims (10)

1. Wärmetauscher, insbesondere Verdampfer für eine Fahrzeug-Klimaregelungsschleife, der eine von einer Vielzahl von ersten Elementarbahnen gebildete, kombinierte Bahn für ein erstes Fluid und eine von einer Vielzahl von zweiten Elementarbahnen gebildete, kombinierte Bahn für ein zweites Fluid definiert, wobei die ersten und zweiten Elementarbahnen in einer ersten Richtung abwechselnd angeordnet sind, so dass jede Elementarbahn für eines der Fluide mit mindestens einer benachbarten Elementarbahn für das andere Fluid in Thermokontakt steht, wobei jede erste Elementarbahn U-förmig ausgebildet ist und die beiden Zweige des U in einer zweiten Richtung verlaufen und zueinander in einer dritten Richtung versetzt sind, wobei die erste, zweite und dritte Richtung im wesentlichen senkrecht zueinander sind, wobei jede zweite Elementarbahn sich in der dritten Richtung von einer Eingangsfläche (13) des Wärmetauschers nahe einem ersten Zweig der ersten Elementarbahnen zu einer Ausgangsfläche (18) nahe dem zweiten Zweig der ersten Elementarbahnen erstreckt, wobei die beiden Zweige jeder ersten Elementarbahn in jeweiligen Kollektorräumen münden, wobei die Kollektorräume (21, 24, 26), die mit den ersten Zweigen verbunden sind, und diejenigen (22, 23, 25), die mit den zweiten Zweigen verbunden sind, in der ersten Richtung in ersten bzw. zweiten Reihen fluchtend angeordnet sind, und die Kollektorräume paarweise miteinander in Verbindung stehen, um eine kombinierte Bahn zu erzeugen, die sich von einem Eingangskollektorraum (21) zu einem Ausgangskollektorraum (26) erstreckt, die sich an entgegengesetzten Enden (20, 30) des Wärmetauschers in der ersten Richtung befinden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Übergangsdurchlass (28) zwischen zwei Kollektorräumen (24, 25) ausgebildet ist, die zu je einer der beiden Reihen gehören, so dass in den direkt mit diesen beiden Kollektorräumen in Verbindung stehenden ersten Elementarbahnen das Fluid von einem Zweig zum anderen bezüglich der dritten Richtung in gleicher Richtung (F2) fließt.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem in den ersten Elementarbahnen, die direkt mit den beiden Kollektorräumen in Verbindung stehen, das Fluid vom zweiten Zweig zum ersten Zweig fließt.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, der sechs Kollektorräume aufweist, die nacheinander vom ersten Fluid durchflossen werden und für dieses eine kombinierte Bahn mit sechs Durchgängen definieren, ausgehend von einem ersten Kollektorraum (21), der zur ersten Reihe gehört, und mündend in einem sechsten Kollektorraum (26), der zur ersten Reihe gehört, und bei dem ein einziger Übergangsdurchlass (28) ausgebildet ist, der vom vierten Kollektorraum (24), der zur ersten Reihe gehört, zum fünften Kollektorraum (25) führt, der zur zweiten Reihe gehört.
4. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine Vielzahl von in der ersten Richtung gestapelten Taschen (1) aufweist, die je einen Körperbereich, der eine der ersten Elementarbahnen definiert, und zwei Kopfbereiche (5, 6) größerer Dicke als der Körperbereich aufweisen, die diesem in der zweiten Richtung benachbart und einander in der dritten Richtung benachbart sind, wobei die Kopfbereiche von zwei benachbarten Taschen des Stapels je Wände (8) aufweisen, die gegeneinander angelegt sind, während ihre Körperbereiche zwischen sich eine zweite Elementarbahn begrenzen, wobei jeder Kollektorraum vom Innenvolumen eines Kopfbereichs oder von den Innenvolumen von Kopfbereichen mehrerer Taschen gebildet wird, die miteinander über in den Wänden ausgebildete Öffnungen (9) in Verbindung stehen, wobei jeder Übergangsdurchlass von einem Übergangseinsatz (27) definiert wird, der zwischen zwei Taschen des Stapels eingefügt ist und einerseits mit dem Innenvolumen eines Kopfbereichs (5) einer dieser beiden letzteren Taschen, die zur ersten Reihe gehört, und andererseits mit dem Innenvolumen eines Kopfbereichs (6) der anderen Tasche in Verbindung steht, die zur zweiten Reihe gehört.
5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, bei dem mindestens ein Eingangs- oder Ausgangseinsatz (10, 11) für das erste Fluid vorgesehen ist, der zwischen zwei Taschen des Stapels eingefügt ist und einen Eingangs- oder Ausgangs-Rohransatz (12) definiert, der auf einer der Eingangs- und Ausgangsflächen des Wärmetauschers vorsteht, die er mit den Innenvolumen der Kopfbereiche (5) dieser beiden letzteren Taschen in Verbindung setzt, die zu einer der Reihen gehören, und die Innenvolumen der Kopfbereiche (6) der gleichen Taschen miteinander in Verbindung setzt, die zur anderen Reihe gehören.
6. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Perforationen (32) in mindestens einer Trennwand (29) ausgebildet sind, die zwei benachbarte Kollektorräume (23, 25) einer gleichen Reihe voneinander trennt, um einen Fluchtweg für das erste Fluid in Ableitung von der oder den ersten Elementarbahnen) zu erzeugen, die zwischen diesen beiden Kollektorräumen eingefügt sind.
7. Wärmetauscher nach Anspruch 6 in Zusammenhang mit Anspruch 4, bei dem die Perforationen in einer Wand (29) des Übergangseinsatzes (27) ausgebildet sind.
8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 6 und 7 in Zusammenhang mit Anspruch 3, bei dem der Fluchtweg zwischen dem dritten und dem fünften Kollektorraum erzeugt wird.
9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem die Gesamtfläche der in einer Trennwand ausgebildeten Perforationen zwischen 3 und 10 % und vorzugsweise zwischen 4 und 6 % des Durchlassquerschnitts (9) zwischen zwei Kollektorräumen liegt, die direkt miteinander in Verbindung stehen.
10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem die Perforationen einen Durchmesser zwischen 1 und 3 mm haben.