WO2007014561A1 - Wärmeübertrager für fahrzeuge und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Wärmeübertrager für fahrzeuge und verfahren zu seiner herstellung Download PDF

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WO2007014561A1
WO2007014561A1 PCT/DE2006/001400 DE2006001400W WO2007014561A1 WO 2007014561 A1 WO2007014561 A1 WO 2007014561A1 DE 2006001400 W DE2006001400 W DE 2006001400W WO 2007014561 A1 WO2007014561 A1 WO 2007014561A1
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WO
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flat tubes
channel flat
areas
distributor
heat exchanger
Prior art date
Application number
PCT/DE2006/001400
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English (en)
French (fr)
Inventor
Rahul Rajagopalan
Bernd Kubitz
Marcel Bauer
Dragi Antonijevic
Markus Engel
Heiko Martin
Bernhard Müller
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Visteon Global Technologies, Inc.
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F1/00—Tubular elements; Assemblies of tubular elements
    • F28F1/02—Tubular elements of cross-section which is non-circular
    • F28F1/025—Tubular elements of cross-section which is non-circular with variable shape, e.g. with modified tube ends, with different geometrical features
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/04—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits
    • F28D1/053—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being straight
    • F28D1/0535—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits the conduits being straight the conduits having a non-circular cross-section
    • F28D1/05366—Assemblies of conduits connected to common headers, e.g. core type radiators
    • F28D1/05383—Assemblies of conduits connected to common headers, e.g. core type radiators with multiple rows of conduits or with multi-channel conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/04—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates
    • F28F9/16—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling
    • F28F9/18—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling by welding
    • F28F9/182—Arrangements for sealing elements into header boxes or end plates by permanent joints, e.g. by rolling by welding the heat-exchange conduits having ends with a particular shape, e.g. deformed; the heat-exchange conduits or end plates having supplementary joining means, e.g. abutments
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/4935—Heat exchanger or boiler making
    • Y10T29/49361—Tube inside tube

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger for vehicles, comprising at least one heat exchanger element with a series of mutually spaced Mehrkanalflachrohren whose ends are fluid-tightly connected to a collecting container and a manifold.
  • Such heat exchangers can be found, for example, as a condenser / gas cooler or as an evaporator in vehicle air conditioning systems.
  • the generic structure of the transformer elements has established itself in common air conditioning systems and should meet general requirements in vehicle construction. These include low space requirements, high operational safety and functional
  • the multi-channel flat tubes used contain under pressure flowing fluids that can give off or absorb heat and have a plurality of generally parallel in a row in a small spaced flow channels.
  • This design serves to allow the largest possible contact of the fluid with the flat tube body, which in turn is itself flowed around by an external medium involved in the heat exchange.
  • the characteristic flat tube shape, which results from the arrayed arrangement of the flow channels, is at the same time a flow-conducting function in heat exchanger assemblies.
  • the multi-channel flat tubes are connected to round cross-section sumps or manifolds after the multi-channel flat tubes have been inserted through slots in the sump or manifold.
  • the orientation of the multi-channel flat tubes will always be such that the longitudinal axis of the collecting container or distributor runs substantially perpendicularly through the main extension plane of each multi-channel flat tube.
  • the smallest inner diameter of the collecting container or distributor is determined because the multi-channel flat tubes must be fully inserted into the corresponding slots to allow a tight connection, without individual channels of Mehrkanalflachrohre be closed.
  • the invention is based on the object, a
  • the invention is based on a heat exchanger element having a series of mutually spaced multi-channel flat tubes whose ends are fluid-tightly connected to a tubular header and a tubular manifold, the multi-channel flat tubes being separated at their ends into a plurality of regions shaped to correspond to each of the regions is aligned at its connection-side end parallel to the main extension plane of the Mehrkanalflachrohre and overlap the areas in the direction of the longitudinal axes of the collecting container and the distributor at least partially. This overlap reduces in the
  • Connection area the width of the multi-channel flat tube, which determines the minimum inner diameter of the collecting container or distributor in the case of round cross sections.
  • the slots required for this purpose have a length which is markedly shorter than the width of the entire multi-channel flat tube and are advantageously arranged transversely to the longitudinal axis of the collecting container or of the distributor.
  • the longitudinal axes of the collecting container and of the distributor advantageously run perpendicular to the main extension plane of the multi-channel flat tubes.
  • the multichannel flat tubes are separated at their ends into two regions which are shaped in such a way that each of the regions at its connection-side end is parallel to the main extension plane of the multichannel flat tubes is aligned and the areas in the direction of the longitudinal axes of the collecting container and the distributor overlap at least partially,
  • multichannel flat tubes which are split in half at the ends by a cut are particularly preferred, whereby non-half divisions of the multichannel flat tubes are also possible.
  • a major advantage of the invention is the ability to reduce the required internal diameter of the sump and manifold without significantly distorting the multi-channel flat tubes. This considerably reduces the risk of overstress, which also allows the use of multi-channel aluminum flat tubes.
  • the invention opens in connection with the reduction of the inner diameter of sump and distributor of the
  • a lower internal volume of reservoir and manifold is advantageously connected to a smaller amount of refrigerant in the system. If the portions of the ends of the multi-channel flat tubes introduced into the sump and the manifold are significantly narrower than the inner diameter of sump and manifold, they need not be inserted so far into the slots provided in the sump and manifold walls for connection. This results in the interior of sump and manifold a lesser projection of the ends of Mehrkanalflachrohre, whereby flow problems, especially an unacceptable refrigerant pressure drop in the manifold, are avoided
  • Multichannel flat tubes must increase significantly.
  • Multichannel flat tubes can be made more conventional by applying a method of modifying the invention
  • the method comprises at least the following steps:
  • the separation of the ends of the multi-channel flat tubes takes place in two regions, preferably of equal width.
  • the strength of the method according to the invention comes fully into play when the two end portions of the
  • Multichannel flat tubes are pushed so far that both end portions parallel to each other and to the main extension plane of the Mehrkanalflachrohre and the end portions are in a direction perpendicular to the main extension plane of the Mehrkanalflachrohre behind the other.
  • connection of the end regions of the multi-channel flat tubes to the collecting container and the distributor takes place by means of soldering. If the shaping of the end regions of the multi-channel flat tubes takes place with the aid of a bending jig, relatively narrow bending radii can be realized without damaging the material, preferably aluminum, such as, for example
  • Fig. 1 is a schematic representation of a prepared for connection to Mehrkanalflachrohren distributor according to the
  • FIG. 2 is a schematic illustration of a prior art multi-channel flat tube inserted into a conventional manifold; 3 shows a schematic representation of a distributor according to the prior art prepared for connection to multichannel flat tubes as an alternative;
  • FIG. 5 shows a perspective view of two multi-channel flat tubes modified according to the invention in conjunction with the associated distributors;
  • Fig. 6 is an overall perspective view of a heat transfer element according to the invention;
  • Fig. 7 is a view of an exemplary
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a distributor 1 of a heat exchanger element according to the prior art prepared for connection to multi-channel flat tubes.
  • the distributor 1 is provided with slots 2 extending transversely to its longitudinal axis, into which multi-channel flat tubes can be inserted before they are firmly soldered to the distributor 1.
  • the slots 2 are parallel and at a regular distance from each other. It is noticeable that the slots 2 extend almost completely across the thickness of the distributor 1.
  • Figure 2 shows a schematic representation of an inserted into a conventional manifold 1 Mehrkanalflachrohres 3 according to the prior art.
  • the width of the multi-channel flat tube 3 corresponds approximately to the inner diameter of the tubular distributor 1. Since the integration of
  • Multichannel flat tube 3 is made transversely to the cylinder axis of the distributor 1, a deep insertion of the multi-channel flat tube 3 in the manifold 1 is required to allow a sealing connection.
  • the associated significant cross-sectional constriction can lead to fluidic problems, in particular an unacceptable refrigerant pressure drop in the manifold 1.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a distributor 1 according to the prior art prepared for connection to multichannel flat tubes as an alternative.
  • the distributor 1 is provided with slots 2 extending parallel to its longitudinal axis, into which multi-channel flat tubes can be inserted before they are firmly soldered to the distributor 1.
  • Such a design of a distributor is used when multi-channel flat tubes are used with 90 ° twisted end areas. Between the slots remain only narrow webs 4, which must guarantee the stability of the distributor 1 even at high operating pressures, if the solder joints are not to be excessively loaded.
  • the length a slot 2 and a web 4 together give the distance between two adjacent Mehrkanalflachrohren, which must therefore remain relatively large.
  • FIG. 4 shows the end of a multi-channel flat tube in each case according to one of the four steps of the method according to the invention which are essential to the production of an inventive method
  • step 1) the separation of the ends of the multi-channel flat tube 3 into two areas 3 ', 3''of the same width, in this case by a slot 5 of 15 mm depth.
  • step 2. the spreading apart of the end regions 3 r , 3 '' in the
  • step 4 Main extension plane of the Mehrkanalflachrohres 3 until the ends perpendicular to the main extension plane of the Mehrkanalflachrohres 3 a predetermined distance, in this case 3, 65 mm, which corresponds to the distance between individual slots 2 for fixing the Mehrkanalflachrohres 3 in a manifold 1, have.
  • the end regions 3 ', 3 "of the multi-channel flat tube 3 are pushed over each other until they overlap at least partially in the predetermined distance parallel to one another. This superimposing is preferably carried out until the two end regions 3 ', 3 "lie one behind the other in a direction perpendicular to the main extension plane of the multi-channel flat tubes.
  • radii define at a given slot width at the same time the insertion depth of End portions 3 ', 3''of the multi-channel flat tube 3 in the manifold.
  • FIG. 5 shows a perspective view of two multi-channel flat tubes 3 modified according to the invention in conjunction with the associated distributors 1 of the heat exchanger elements.
  • a multi-channel flat tube 3 ⁇ modified according to the invention is aligned in order to be inserted into prepared slots 2 of the distributor 1.
  • a multi-channel flat tube 3 modified according to the invention is already in the inserted position, in which soldering to the distributor 1 can take place.
  • the arrow illustrates the direction of movement of the modified Mehrkanalflachrohres according to the invention during assembly of the
  • Inner diameter compared to the embodiment in Figure 2 can be kept smaller.
  • FIG. 6 shows an overall perspective view of a heat transfer element according to the invention.
  • This comprises a series of mutually spaced multi-channel flat tubes 3, whose ends have been modified according to the invention and connected in a fluid-tight manner to a tubular collecting container 6 and a tubular distributor 1.
  • the arrow indicates the flow direction of the refrigerant, in the example CO 2 .
  • Figure 7 shows a view of an exemplary multi-channel flat tube 3, which serves as a starting material for the production of heat exchangers according to the invention. It consists of aluminum and has twelve regularly spaced channels 7, flows through the CO 2 in the case of operation as a refrigerant. By the even number of channels, it is possible to produce by separation of the multi-channel flat tube 3 between the two innermost channels two end portions 3 ', 3 "according to the invention, which are characterized by the same width.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmeübertragerelement mit einer Reihe von zueinander beabstandeten Mehrkanalflachrohren (3), deren Enden fluiddicht mit einem rohrförmigen Sammelbehälter (6) und einem rohrförmigen Verteiler (1) verbunden sind, wobei die Mehrkanalflachrohre (3) an ihren Enden in mehrere Bereiche (3', 3'') aufgetrennt sind, die so geformt sind, das jeder der Bereiche (3', 3'') an seinem verbindungsseitigem Ende parallel zur Haupterstreckungsebene der Mehrkanalflachrohre (3) ausgerichtet ist und sich die Bereiche (3', 3'') in Richtung der Längsachsen des Sammelbehälters (6) und des Verteilers (6) zumindest teilweise überlappen.

Description

Wärmeübertrager für Fahrzeuge und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager für Fahrzeuge, der mindestens ein Wärmeübertragerelement mit einer Reihe von zueinander beabstandeten Mehrkanalflachrohren, deren Enden fluiddicht mit je einem Sammelbehälter und einem Verteiler verbunden sind, umfasst. Derartige Wärmeübertrager finden sich beispielsweise als Kondensator/Gaskühler oder als Verdampfer in Fahrzeug-Klimaanlagen.
Der gattungsgemäße Aufbau der Übertragerelemente hat sich in gängigen Klimaanlagen etabliert und soll allgemeinen Anforderungen im Fahrzeugbau genügen. Dazu zählen ein geringer Raumbedarf, eine hohe Betriebssicherheit und funktionale
Effizienz, in zunehmendem Maße Umweltverträglichkeit sowie ein geringer Herstellungs- und Kostenaufwand.
Die eingesetzten Mehrkanalflachrohre enthalten unter Druck strömende Fluide, die Wärme abgeben oder aufnehmen können und weisen eine Vielzahl von in der Regel in einer Reihe parallel verlaufenden in geringem Abstand zueinander angeordneten Strömungskanälen auf. Diese Bauweise dient dazu, einen möglichst großflächigen Kontakt des Fluids mit dem Flachrohrkörper zu ermöglichen, der selbst wiederum von einem externen am Wärmetausch beteiligten Medium umströmt wird. Der charakteristischen Flachrohrform, die sich aus der gereihten Anordnung der Strömungskanäle ergibt, kommt in Wärmetauscherbaugruppen gleichzeitig eine strömungsleitende Funktion zu.
Um neuere Wärmeübertrager mit einem umweltfreundlichen und effektiven Kältemittel, insbesondere auf der Basis von unter hohem Druck stehendem Kohlendioxid, arbeiten zu lassen, sind konstruktive Änderungen gegenüber dem Stand der Technik erforderlich, um den wachsenden statischen Anforderungen und daraus abgeleiteten Vorgaben für den Berstdruck der Wärmeübertragerbaugruppen gerecht werden zu können. Insbesondere Teile mit großen fluiddurchströmten Querschnitten und Verbindungsstellen zwischen einzelnen dem Fluiddruck ausgesetzten Baugruppen müssen wesentlich stabiler bzw. massiver ausgelegt werden.
Die dargestellten Anforderungen schlagen sich in Bereich des Wärmeübertragerelementes hauptsächlich in einer Erhöhung der Wandstärke der Sammelbehälter bzw. in deren geometrischer Optimierung nieder. Unter anderem aus Festigkeitsgründen haben sich daher bereits Rundrohre als Sammelbehälter, die mit den Mehrkanalflachrohren verbunden sind, durchgesetzt. Dennoch ergibt sich auch bei dieser Geometrie bei einer geforderten Erhöhung des Berstdruckes eine erforderliche Erhöhung der Wandstärke, die bei konstantem Innendurchmesser den Außendurchmesser und damit gegebenenfalls die Bautiefe der gesamten Baugruppe deutlich vergrößert. Außerdem bedingen die relativ großen Wandstärken und Abmessungen des Behälters und somit des Wärmeübertragers neben dem großen Platzbedarf im Fahrzeug einen erheblichen Zuwachs an Gewicht und Materialverbrauch .
Des Weiteren bedingen große Unterschiede der Materialmassen von beispielsweise durch Hartlöten oder Schweißen verbindbaren Teilen, wie vorliegend der Sammelbehälter, die mit den Mehrkanalflachrohren verbunden werden müssen, dass die Auswahl der für eine druckfeste und fluiddichte Verbindung erforderlichen Löt- oder Schweißparameter kritisch werden kann.
Die vorangegangenen Überlegungen lassen bei Anwendung hoher Fluiddrücke eine Reduktion der großen fluiddurchströmten Querschnitte geraten erscheinen. Die Wandungen der Sammelbehälter oder Verteiler insbesondere in Wärmetauschern, die CO2 als Kältemittel verwenden, wie das beispielsweise in Gaskühlern für ein CC^-System der Fall ist, müssen gegenüber herkömmlichen Systemen neben deutlich erhöhten Betriebsdrücken auch erhöhten Temperaturen standhalten.
In herkömmlichen Wärmetauscherelementen erfolgt die Verbindung der Mehrkanalflachrohre mit Sammelbehältern oder Verteilern mit rundem Querschnitt, nachdem die Mehrkanalflachrohre durch Schlitze in den Sammelbehälter oder Verteiler eingeschoben worden sind. Die Orientierung der Mehrkanalflachrohre wird dabei aus strömungstechnischen Gründen stets so erfolgen, dass die Längsachse des Sammelbehälters oder Verteilers im Wesentlichen senkrecht durch die Haupterstreckungsebene eines jeden Mehrkanalflachrohres verläuft. Dadurch wird der kleinste Innendurchmesser des Sammelbehälters oder Verteilers bestimmt, da die Mehrkanalflachrohre vollständig in die entsprechenden Schlitze eingeschoben werden müssen, um eine dichte Verbindung zu ermöglichen, ohne dass einzelne Kanäle der Mehrkanalflachrohre verschlossen werden.
Ein weiteres Problem von nach dem Stand der Technik hergestellten Wärmeübertragern, bei denen der Innendurchmesser des Sammelbehälters oder Verteilers nur wenig größer als die Breite der Mehrkanalflachrohre ist, besteht darin, dass die Einbindung der Mehrkanalflachrohre ein tiefes Einführen der Mehrkanalflachrohre in die Sammelbehälter oder Verteiler erfordert, wenn die Verbindung quer zur Zylinderachse der Sammelbehälter oder Verteiler vorgenommen wird. Dies kann zu strömungstechnischen Problemen, insbesondere einem inakzeptablen Kältemitteldruckabfall im Verteiler, und zu Festigkeitsproblemen führen.
Es sind Ausführungen von Wärmeübertragern bekannt, in denen die Enden der Mehrkanalflachrohre teilweise um bis zu 90° gegenüber der Haupterstreckungsebene der Mehrkanalflachrohre verdreht und in entsprechende parallel zur Hauptachse des Sammelbehälters oder Verteilers verlaufende Schlitze eingefügt werden (WO 2005/071340 Al) . Durch diese Maßnahme kann der Innendurchmesser des Sammelbehälters oder Verteilers nahezu unabhängig von der Breite der Mehrkanalflachrohre gestaltet werden. Allerdings steigt der Mindestabstand zwischen benachbarten Mehrkanalflachrohren deutlich an, da deren Breite im Verbindungsbereich zum Sammelbehälter oder Verteiler einer beliebig dichten Anordnung entgegensteht. Dadurch sinkt die Effektivität des Wärmetausches bezogen auf ein vorgegebenes Einbauvolumen. Des Weiteren kommt es im Verbindungsbereich durch die als Leitschaufeln wirkenden verdrehten Enden der Mehrkanalflachrohre zu Strömungsveränderungen, die den Wärmetausch behindern können. Bei einer Verdrehung um geringere Torsionswinkel bestehen die Probleme entsprechend.
Es sind Ansätze bekannt, durch Auftrennung und anschließende Verdrehung der durch die Auftrennung entstandenen Teilbereiche der Enden der Mehrkanalflachrohre das vorangegangene Problem zu lösen, indem die verdrehten Teilbereiche parallel zueinander und zur Hauptachse des Sammelbehälters oder Verteilers mit dem Sammelbehälter oder Verteiler verbunden werden (DE 101 46 824 Al, DE 10 2004 002 252 Al) . Dadurch lässt sich die Größe des Verwirbelungsbereiches und der
Mindestabstand zwischen zwei benachbarten Mehrkanalflachrohren verringern. Eine generelle Lösung des Problems stellen diese Ansätze jedoch nicht dar.
Außerdem bergen starke Deformationen der Mehrkanalflachrohre, wie sie bei einem Verdrehen der Enden um 90° auftreten, wenn dieses Verdrehen in einem relativ begrenzten Endbereich erfolgt, stets die Gefahr einer Beschädigung und damit des Auftretens von Rissen, Lecks oder Einschnürungen. Des Weiteren sollten dicht nebeneinander angeordnete Längsschlitze in der Außenwand des Sammelbehälters oder Verteilers aus Festigkeitsgründen vermieden werden, da die damit verbundenen statischen Veränderungen des Bauteils eine weitere Materialverstärkung im Wandbereich erfordern könnten.
Das Auffinden geeigneter Formen der Verbindung zwischen den eingesetzten Mehrkanalflachrohren und den jeweiligen Sammelbehältern oder Verteilern, insbesondere bei akzeptablen Abmessungen und Werten des Kältemitteldruckabfalls im Verteiler, stellt gegenwärtig ein Hauptproblem bei der Konstruktion von Wärmetauschern, insbesondere für Gaskühler in Fahrzeugen, dar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen
Wärmeübertrager für Fahrzeuge anzugeben, der bei möglichst kleinen Außenabmessungen geeignet ausgebildet ist, um bei hohen Betriebsdrücken in Klimaanlagen von Fahrzeugen, insbesondere in CO2-Systemen, eingesetzt zu werden. Dabei sollen Nachteile des Standes der Technik vermieden und ein geeignetes Verfahren zu seiner Herstellung angegeben werden.
Die Aufgabe wird durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in Unteransprüchen angegeben. Ansruch 8 gibt ein Verfahren zu Herstellung eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers an, das in den abhängigen Ansprüchen 9 bis 14 weiter ausgestaltet wird.
Die Erfindung basiert auf einem Wärmeübertragerelement mit einer Reihe von zueinander beabstandeten Mehrkanalflachrohren, deren Enden fluiddicht mit einem rohrförmigen Sammelbehälter und einem rohrförπiigen Verteiler verbunden sind, wobei die Mehrkanalflachrohre an ihren Enden in mehrere Bereiche aufgetrennt sind, die so geformt sind, das jeder der Bereiche an seinem verbindungsseitigem Ende parallel zur Haupterstreckungsebene der Mehrkanalflachrohre ausgerichtet ist und sich die Bereiche in Richtung der Längsachsen des Sammelbehälters und des Verteilers zumindest teilweise überlappen. Durch diese Überlappung reduziert sich im
Verbindungsbereich die Breite des Mehrkanalflachrohres, welche bei runden Querschnitten den minimalen Innendurchmesser des Sammelbehälters oder Verteilers bestimmt.
Dadurch, dass jeder der Bereiche, die sich durch das
Auftrennen der Enden der Mehrkanalflachrohre ergeben, an seinem verbindungsseitigem Ende parallel zur Haupterstreckungsebene der Mehrkanalflachrohre ausgerichtet ist, kann die Verbindung zwischen den Mehrkanalflachrohren einerseits und dem Sammelbehälter und dem Verteiler andererseits in an sich bekannter Weise durch Einführen der Enden in entsprechende Schlitze in den Wandungen von Sammelbehälter und Verteiler und anschließende fluiddichte Verbindung erfolgen. Die dazu erforderlichen Schlitze weisen eine gegenüber der Breite des gesamten Mehrkanalflachrohres deutlich geringere Länge auf und sind vorteilhafterweise quer zur Längsachse des Sammelbehälters bzw, des Verteilers angeordnet. Dadurch ist zur Verhinderung der Aufspreizung der Schlitze bei anliegenden hohen Drücken kaum eine Wandverstärkung erforderlich und Verbindungsnähte zwischen den Mehrkanalflachrohren und dem Sammelbehälter bzw. dem Verteiler werden geringer belastet. Die Längsachsen des Sammelbehälters und des Verteilers verlaufen dabei vorteilhafterweise senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Mehrkanalflachrohre.
Vielfach ausreichend und herstellungstechnisch besonders vorteilhaft ist es, wenn die Mehrkanalflachrohre an ihren Enden in zwei Bereiche aufgetrennt sind, die so geformt sind, das jeder der Bereiche an seinem verbindungsseitigem Ende parallel zur Haupterstreckungsebene der Mehrkanalflachrohre ausgerichtet ist und sich die Bereiche in Richtung der Längsachsen des Sammelbehälters und des Verteilers zumindest teilweise überlappen,
Insbesondere dann, wenn die Mehrkanalflachrohre an ihren Enden in zwei Bereiche gleicher Breite aufgetrennt sind und die beiden Bereiche an den Enden der Mehrkanalflachrohre so geformt sind, das jeder der Bereiche an seinem verbindungsseitigem Ende parallel zur Haupterstreckungsebene der Mehrkanalflachrohre ausgerichtet ist und die Enden dieser Bereiche in Richtung der Längsachsen des Sammelbehälters und des Verteilers hintereinander liegen, reduziert sich der mindestens erforderliche Innendurchmesser des Sammelbehälters und des Verteilers gegenüber der Verbindung mit einem ungeteilten Mehrkanalflachrohr um die Hälfte.
Besonders bevorzugt werden daher Mehrkanalflachrohre, die an den Enden hälftig durch einen Schnitt aufgetrennt sind, wobei auch nichthälftige Teilungen der Mehrkanalflachrohre möglich sind.
Ein großer Vorteil der Erfindung besteht in der Möglichkeit, den erforderlichen Innendurchmesser des Sammelbehälters und des Verteilers zu reduzieren, ohne die Mehrkanalflachrohre nennenswert zu tordieren. Dadurch sinkt die Gefahr einer Überbeanspruchung erheblich, was auch den Einsatz von Mehrkanalflachrohren aus Aluminium erlaubt.
Die Erfindung eröffnet in Verbindung mit der Verringerung des Innendurchmessers von Sammelbehälter und Verteiler des
Weiteren die Möglichkeit, deren Wandstärken auch bei hohen Betriebsdrücken relativ gering zu halten. Demzufolge können auch die Abmessungen und das Gewicht der Behälter klein gehalten werden. Somit werden insgesamt Material, Gewicht und Verarbeitungskosten eingespart. Ein geringeres Innenvolumen von Sammelbehälter und Verteiler ist vorteilhafterweise mit einer geringeren Kältemittelmenge im System verbunden. Sind die in den Sammelbehälter und den Verteiler eingeführten Bereiche der Enden der Mehrkanalflachrohre deutlich schmaler als der Innendurchmesser von Sammelbehälter und Verteiler, so müssen sie zwecks Verbindung nicht so weit in die vorgesehenen Schlitze in den Wandungen von Sammelbehälter und Verteiler eingeführt werden. Dadurch ergibt sich im Inneren von Sammelbehälter und Verteiler ein geringerer Überstand der Enden der Mehrkanalflachrohre, wodurch strömungstechnische Probleme, insbesondere ein inakzeptabler Kältemitteldruckabfall im Verteiler, vermieden werden,
Es wird eine Verbindung zwischen den Endrohren eines Wärmeübertragerelementes und den feinen Kanälen der
Mehrkanalflachrohre geschaffen, die den zu ihrer Realisierung erforderlichen Durchmesser der Endrohre relativ gering hält, ohne dass sich der Abstand zwischen benachbarten
Mehrkanalflachrohren wesentlich erhöhen muss.
Insbesondere die Gefahr von Überbeanspruchungen der
Mehrkanalflachrohre kann durch Anwendung eines Verfahrens zur erfindungsgemäßen Modifizierung herkömmlicher
Mehrkanalflachrohre und Herstellung eines Wärmeübertragerelementes vermieden werden. Durch werden
Verletzungen der einzelnen Kanäle, beispielsweise Risse,
Einschnürungen oder Lecks vermieden. Das Verfahren umfasst mindestens die folgenden Schritte:
-Auftrennen der Enden von Mehrkanalflachrohren in mehrere Bereiche;
-Auseinanderspreizen der Endbereiche in der
Haupterstreckungsebene der Mehrkanalflachrohre;
-Herausbiegen der Endbereiche aus der Haupterstreckungsebene der Mehrkanalflachrohre; -Übereinanderschieben der Endbereiche der Mehrkanalflachrohre,, bis sie sich in einem vorgegebenen Abstand parallel zueinander verlaufend zumindest teilweise überlappen; -Einführen der Endbereiche der Mehrkanalflachrohre in vorbereitete Schlitze eines Sammelbehälters und eines Verteilers;
-Verbinden der Endbereiche der Mehrkanalflachrohre mit dem Sammelbehälter und dem Verteiler,
Die so entstehenden Verbindungen zwischen den
Mehrkanalflachrohren und den Endrohren, also dem Verteiler und dem Sammelbehälter eines Wärmeübertragerelementes beanspruchen weniger Raum und beeinträchtigen den Strömungsquerschnitt in geringerem Maße. Dies ermöglicht den Einsatz von Endrohren mit geringerem Durchmesser bei gleichem Durchströmquerschnitt, was insbesondere bei hohen Betriebsdrücken mit einer deutlich reduzierten Mindestwandstärke verbunden ist. Die erfindungsgemäße Schnitt- und Biegekonstruktion eignet sich daher besonders für Gaskühler in Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen.
Vorteilhafterweise erfolgt das Auftrennen der Enden der Mehrkanalflachrohre in zwei Bereiche vorzugsweise gleicher Breite. Die Stärke des erfindungsgemäßen Verfahrens kommt voll zum Tragen, wenn die beiden Endbereiche der
Mehrkanalflachrohre so weit übereinandergeschoben werden, dass beide Endbereiche parallel zueinander und zur Haupterstreckungsebene der Mehrkanalflachrohre verlaufen und die Endbereiche in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Mehrkanalflachrohre hintereinander liegen.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Verbindung der Endbereiche der Mehrkanalflachrohre mit dem Sammelbehälter und dem Verteiler durch Löten erfolgt. Wenn die Formung der Endbereiche der Mehrkanalflachrohre mit Hilfe einer Biegelehre erfolgt, können relativ enge Biegeradien realisiert werden, ohne dass das Material, vorzugsweise Aluminium, Schaden nimmt, wie z.B. durch
Quetschungen, Knicke, Überdehnungen oder Risse. Bewährt hat sich eine Formung der Endbereiche der Mehrkanalflachrohre unter Verwendung von mindestens 6 verschiedenen engen Radien, die mit Hilfe einer Biegelehre gebogen werden.
An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Die zugehörigen Figuren zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines zur Verbindung mit Mehrkanalflachrohren vorbereiteten Verteilers gemäß dem
Stand der Technik;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines in einen herkömmlichen Verteiler eingeschobenen Mehrkanalflachrohres nach dem Stand der Technik; Fig. 3 eine schematische Darstellung eines zur Verbindung mit Mehrkanalflachrohren alternativ vorbereiteten Verteilers gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 4 das Ende eines Mehrkanalflachrohres jeweils nach einem der vier erfindungswesentlichen Schritte des Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen
Wärmeübertragerelementes;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht zweier erfindungsgemäß modifizierter Mehrkanalflachrohre in Verbindung mit den zugehörigen Verteilern; Fig. 6 eine perspektivische Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragerelementes ;
Fig. 7 eine Ansicht einen beispielhaften
Mehrkanalflachrohres . Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines zur Verbindung mit Mehrkanalflachrohren vorbereiteten Verteilers 1 eines Wärmeübertragerelementes gemäß dem Stand der Technik. Der Verteiler 1 ist mit quer zu seiner Längsachse verlaufenden Schlitzen 2 versehen, in die Mehrkanalflachrohre eingeschoben werden können, bevor sie mit dem Verteiler 1 fest verlötet werden. Die Schlitze 2 verlaufen parallel und in regelmäßigem Abstand zueinander. Es fällt auf, dass sich die Schlitze 2 fast vollständig über die Dicke des Verteilers 1 erstrecken.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines in einen herkömmlichen Verteiler 1 eingeschobenen Mehrkanalflachrohres 3 nach dem Stand der Technik. Die Breite des Mehrkanalflachrohres 3 entspricht etwa dem Innendurchmesser des rohrförmigen Verteilers 1. Da die Einbindung des
Mehrkanalflachrohres 3 quer zur Zylinderachse des Verteilers 1 vorgenommen wird, ist ein tiefes Einführen des Mehrkanalflachrohres 3 in den Verteiler 1 erforderlich, um eine dichtende Verbindung zu ermöglichen. Die damit verbundene erhebliche Querschnittsverengung kann zu strömungstechnischen Problemen, insbesondere einem inakzeptablen Kältemitteldruckabfall im Verteiler 1, führen.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines zur Verbindung mit Mehrkanalflachrohren alternativ vorbereiteten Verteilers 1 gemäß dem Stand der Technik. Der Verteiler 1 ist mit parallel zu seiner Längsachse verlaufenden Schlitzen 2 versehen, in die Mehrkanalflachrohre eingeschoben werden können, bevor sie mit dem Verteiler 1 fest verlötet werden. Eine derartige Ausführung eines Verteilers findet Anwendung, wenn Mehrkanalflachrohre mit um 90° tordierten Endbereichen eingesetzt werden. Zwischen den Schlitzen verbleiben nur schmale Stege 4, welche die Stabilität des Verteilers 1 auch bei hohen Betriebsdrücken garantieren müssen, wenn die Lötnähte nicht übermäßig belastet werden sollen. Die Länge eines Schlitzes 2 und eines Steges 4 ergeben zusammen den Abstand zwischen zwei benachbarten Mehrkanalflachrohren, welcher somit relativ groß bleiben muß.
Figur 4 zeigt das Ende eines Mehrkanalflachrohres jeweils nach einem der vier erfindungswesentlichen Schritte des Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen
Wärmeübertragerelementes in Drauf- und Frontsicht. Pfeile verdeutlichen die Richtung des jeweiligen Formungsschrittes , Bezugszeichen sind auf identische Bestandteile in allen vier Einzeldarstellungen zu beziehen. In Schritt 1.) erfolgt das Auftrennen der Enden des Mehrkanalflachrohres 3 in zwei Bereiche 3', 3'' gleicher Breite, vorliegend durch einen Schlitz 5 von 15 mm Tiefe. In Schritt 2.) erfolgt das Auseinanderspreizen der Endbereiche 3r , 3' ' in der
Haupterstreckungsebene des Mehrkanalflachrohres 3. Der Biegeradius für dieses Abspreizen hängt von der Tiefe des die Bereiche 3', 3'' trennenden Schlitzes 5 ab und beträgt im Ausführungsbeispiel 33 mm. In Schritt 3.) erfolgt das Herausbiegen der Endbereiche 3' , 3' ' aus der
Haupterstreckungsebene des Mehrkanalflachrohres 3, bis die Enden senkrecht zur Haupterstreckungsebene des Mehrkanalflachrohres 3 einen vorgegebenen Abstand, vorliegend 3, 65 mm, was dem Abstand zwischen einzelnen Schlitzen 2 zur Befestigung des Mehrkanalflachrohres 3 in einem Verteiler 1 entspricht, aufweisen. In Schritt 4.) erfolgt ein Übereinanderschieben der Endbereiche 3' , 3' ' des Mehrkanalflachrohres 3, bis sie sich in dem vorgegebenen Abstand parallel zueinander verlaufend zumindest teilweise überlappen. Vorzugsweise erfolgt dieses Übereinanderschieben, bis die beiden Endbereiche 3' , 3' ' in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Mehrkanalflachrohre hintereinander liegen. Die im letzten Schritt 4.) gebogenen Radien definieren bei vorgegebener Schlitzbreite gleichzeitig die Einstecktiefe der Endbereiche 3', 3'' des Mehrkanalflachrohres 3 in den Verteiler. Insbesondere die beiden gebogenen Radien R6 begrenzen im vorliegenden Beispiel bei einer Schlitzbreite von 6 mm die Einstecktiefe auf 5 mm. Wären diese Radien größer, würden die Endbereiche 3' , 3' ' tiefer als 5 mm in den Verteiler eintauchen. Dies würde wiederum den Innenquerschnitt des Verteilers vermindern.
Figur 5 zeigt eine perspektivische Ansicht zweier erfindungsgemäß modifizierter Mehrkanalflachrohre 3 in Verbindung mit den zugehörigen Verteilern 1 der Wärmeübertragerelemente. In der vorderen Anordnung ist ein erfindungsgemäß modifiziertes Mehrkanalflachrohr 3 ■ ausgerichtet, um in vorbereitete Schlitze 2 des Verteilers 1 eingeschoben zu werden. In der hinteren Anordnung befindet sich ein erfindungsgemäß modifiziertes Mehrkanalflachrohr 3 bereits in eingeschobener Position, in der ein Verlöten mit dem Verteiler 1 erfolgen kann. Der Pfeil verdeutlicht die Bewegungsrichtung des erfindungsgemäß modifizierten Mehrkanalflachrohres während der Montage des
Wärmeübertragerelementes. Deutlich erkennbar ist die gegenüber Figur 1 verringerte Länge der Schlitze 2 im Verhältnis zum Außenumfang des Verteilers 1. Gleichzeitig bildet die Breite des Mehrkanalflachrohres nicht mehr das den Innendurchmesser des Verteilers 1 nach unten begrenzende Maß, wodurch der
Innendurchmesser gegenüber der Ausführung in Figur 2 kleiner gehalten werden kann.
Figur 6 zeigt eine perspektivische Gesamtansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragerelementes. Dieses umfasst eine Reihe von zueinander beabstandeten Mehrkanalflachrohren 3, deren Enden erfindungsgeinäß modifiziert und fluiddicht mit einem rohrförmigen Sammelbehälter 6 und einem rohrförmigen Verteiler 1 verbunden wurden. Der Pfeil gibt die Strömungsrichtung des Kältemittels, im Beispiel CO2, an. Figur 7 zeigt eine Ansicht einen beispielhaften Mehrkanalflachrohres 3, welches als Ausgangsmaterial zur Herstellung erfindungsgemäßer Wärmeübertrager dient. Es besteht aus Aluminium und weist zwölf regelmäßig zueinander beabstandete Kanäle 7 auf, durch die im Betriebsfall CO2 als Kältemittel strömt. Durch die gerade Anzahl von Kanälen ist es möglich, durch Auftrennen des Mehrkanalflachrohres 3 zwischen den beiden innersten Kanälen zwei erfindungsgemäße Endbereiche 3' , 3' ' zu erzeugen, die sich durch die gleiche Breite auszeichnen.

Claims

Patentansprüche
1. Wärmeübertragerelement mit einer Reihe von zueinander beabstandeten Mehrkanalflachrohren (3), deren Enden fluiddicht mit einem rohrförmigen Sammelbehälter (6) und einem rohrförmigen Verteiler (1) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrkanalflachrohre (3) an ihren Enden in mehrere Bereiche (3', 3'') aufgetrennt sind, die so geformt sind, das jeder der Bereiche (3', 3r') an seinem verbindungsseitigem Ende parallel zur
Haupterstreckungsebene der Mehrkanalflachrohre (3) ausgerichtet ist und sich die Bereiche (3', 3' ' ) in Richtung der Längsachsen des Sammelbehälters (6) und des Verteilers (6) zumindest teilweise überlappen.
2. Wärmeübertragerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrkanalflachrohre (3) an ihren Enden in zwei Bereiche (3', 3'') aufgetrennt sind, die so geformt sind, das jeder der Bereiche (3' , 3'') an seinem verbindungsseitigem Ende parallel zur
Haupterstreckungsebene der Mehrkanalflachrohre (3) ausgerichtet ist und sich die Bereiche (3', 3'') in Richtung der Längsachsen des Sammelbehälters (6) und des Verteilers (1) zumindest teilweise überlappen.
3. Wärmeübertragerelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen des Sammelbehälters (6) und des Verteilers (1) senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Mehrkanalflachrohre (3) verlaufen.
4. Wärmeübertragerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrkanalflachrohre (3) an ihren Enden in zwei Bereiche (3', 3'') gleicher Breite aufgetrennt sind.
1
5. Wärmeübertragerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bereiche (3', 3'') an den Enden der Mehrkanalflachrohre (3) so geformt sind, dass jeder der Bereiche (3', 3'') an seinem verbindungsseitigem Ende parallel zur Haupterstreckungsebene der Mehrkanalflachrohre (3) ausgerichtet ist und die Enden der Bereiche (3', 3' ' ) in Richtung der Längsachsen des Sammelbehälters (6) und des Verteilers (1) hintereinander liegen.
6. Wärmeübertragerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrkanalflachrohre (3) aus Aluminium bestehen.
7. Wärmeübertragerelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrkanalflachrohre (3) mindestens zwölf Einzelkanäle (7) aufweisen.
8. Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragerelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die folgenden Schritte enthalten sind:
- Auftrennen der Enden von Mehrkanalflachrohren in mehrere Bereiche; - Auseinanderspreizen der Endbereiche in der
Haupterstreckungsebene der Mehrkanalflachrohre;
- Herausbiegen der Endbereiche aus der Haupterstreckungsebene der Mehrkanalflachrohre; Übereinanderschieben der Endbereiche der Mehrkanalflachrohre, bis sie sich in einem vorgegebenen Abstand parallel zueinander verlaufend zumindest teilweise überlappen;
Einführen der Endbereiche der Mehrkanalflachrohre in vorbereitete Schlitze eines Sammelbehälters und eines Verteilers;
2 - Verbinden der Endbereiche der Mehrkanalflachrohre mit dem Sammelbehälter und dem Verteiler.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Auftrennen der Enden der Mehrkanalflachrohre in zwei Bereiche erfolgt.
10.Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Auftrennen der Enden der Mehrkanalflachrohre in zwei Bereiche gleicher Breite erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Endbereiche der Mehrkanalflachrohre so weit übereinandergeschoben werden, dass beide Endbereiche parallel zueinander und zur Haupterstreckungsebene der Mehrkanalflachrohre verlaufen und die Endbereiche in einer Richtung senkrecht zur Haupterstreckungsebene der Mehrkanalflachrohre hintereinander liegen.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Endbereiche der Mehrkanalflachrohre mit dem Sammelbehälter und dem Verteiler durch Löten erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Formung der Endbereiche der Mehrkanalflachrohre mit Hilfe einer Biegelehre erfolgt.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Formung der Endbereiche der Mehrkanalflachrohre mit Hilfe der Biegelehre durch Biegen mit mindestens 6 verschiedenen Radien erfolgt,
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