DE102010031751A1 - Heat exchanger for heating or cooling airflow in interior of motor vehicle, has compensation element liquid tightly resting against surface of pipe section so that pipe section is elastically deformable relative to wall of collector device - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher zum Heizen oder Kühlen eines Luftstroms mit zumindest zwei nebeneinander angeordneten und von einem Fluid durchströmbaren Rohrabschnitten und zumindest einem zwischen den Rohrabschnitten angeordneten und von dem Luftstrom durchströmbaren Lamellenprofil, wobei die Rohrabschnitte jeweils mit einer ersten Wirkseite eines zwei Wirkseiten aufweisenden thermoelektrischen Elements verbunden sind und eine zweite Wirkseite des jeweiligen thermoelektrischen Elements thermisch mit dem Lamellenprofil gekoppelt ist.The invention relates to a heat exchanger for heating or cooling an air flow with at least two juxtaposed and flowed through by a fluid pipe sections and at least one arranged between the pipe sections and the air flow through the slats profile, wherein the pipe sections each having a first active side of a two effective sides having thermoelectric element are connected and a second active side of the respective thermoelectric element is thermally coupled to the lamellar profile.
Ein Wärmetauscher mit einem als Peltierelement ausgebildeten thermoelektrischen Element zum Heizen oder Kühlen eines Kraftfahrzeuginnenraums ist beispielsweise aus der
Ein Wärmetauscher der eingangsgenannten Art ist bereits aus der
Hierbei erweist es sich als nachteilig, dass die Rohrabschnitte Bestandteil einer mäanderförmigen einteiligen Rohrschlange sind. Einerseits ergibt sich durch eine derartige Verbindung der einzelnen Rohrabschnitte ein relativ großer Platzbedarf für den Wärmetauscher, andererseits werden die Rohrabschnitte durch die Einteiligkeit der Rohrschlange nacheinander von dem die Wärme oder Kälte aufnehmenden Fluid durchströmt. Hierdurch entstehen in den einzelnen nebeneinander angeordneten Rohrabschnitten Temperaturdifferenzen, aus welchen unterschiedliche Wärmeausdehnungen resultieren. Es kann zu Verformungen der Rohrabschnitte bzw. der Rohrschlange und zu einer Zerstörung der Verbindung zwischen den Rohrabschnitten und den thermoelektrischen Elmenten kommen, sodass die thermische Kopplung zwischen den thermoelektrischen Elementen und den Rohrabschnitten sowie den thermoelektrischen Elementen und dem Lamellenprofil nicht gewährleistet werden kann. Außerdem kann das Fluid nur begrenzt Wärme oder Kälte aufnehmen und abführen, sodass die Abfuhr der Wärme bzw. Kälte der thermoelektrischen Elemente, welche im hinteren Bereich der Rohrschlange angeordnet sind, nicht gewährleistet werden kann.It proves to be disadvantageous that the pipe sections are part of a meandering one-piece pipe coil. On the one hand results from such a connection of the individual pipe sections a relatively large space requirement for the heat exchanger, on the other hand, the pipe sections are successively flowed through the one-piece coil of the heat or cold receiving fluid. As a result, temperature differences arise in the individual juxtaposed pipe sections, resulting in different thermal expansions. It can lead to deformation of the pipe sections or the pipe coil and to a destruction of the connection between the pipe sections and the thermoelectric elements, so that the thermal coupling between the thermoelectric elements and the pipe sections and the thermoelectric elements and the fin profile can not be guaranteed. In addition, the fluid can absorb and dissipate only limited heat or cold, so that the removal of the heat or cold of the thermoelectric elements, which are arranged in the rear region of the coil, can not be guaranteed.
Weitere Wärmetauscher mit thermoelektrischen Elementen sind auch aus der
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen kompakten und effizienten Wärmetauscher zur Verfügung zu stellen und so zu gestalten, dass die thermische Verbindung zwischen den thermoelektrischen Elementen und den Rohrabschnitten sowie zwischen den thermoelektrischen Elementen und dem Lamellenprofil gewährleistet wird.Against this background, the invention has for its object to provide a compact and efficient heat exchanger available and designed so that the thermal connection between the thermoelectric elements and the pipe sections and between the thermoelectric elements and the fin profile is ensured.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Wärmetauscher gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.This object is achieved with a heat exchanger according to the features of
Erfindungsgemäß ist also ein Wärmetauscher vorgesehen, bei welchem zumindest zwei durch die Rohrabschnitte strömungstechnisch miteinander verbundene Sammeleinrichtungen vorgesehen sind, welche Durchbrechungen zur Aufnahme der offenen Endbereiche der Rohrabschnitte aufweisen, wobei zwischen einer die jeweilige Durchbrechung begrenzenden Wand der Sammeleinrichtung und dem in der Durchbrechung angeordneten Endbereich des Rohrabschnitts ein Ausgleichselement vorgesehen ist, welches flüssigkeitsdicht an einer Oberfläche des jeweiligen Rohrabschnitts anliegt und welches bei einer thermisch bedingten Verformung des Rohrabschnitts und/oder bei einer Verlagerung des Rohrabschnitts relativ zu der Wand der Sammeleinrichtung elastisch verformbar ist. Die Rohrabschnitte bilden nicht wie im Stand der Technik eine einzige mäanderförmige Rohrschlange, sondern sie sind als, separate Bauteile ausgebildet, welche jeweils mit den beiden Sammeleinrichtungen verbunden sind. Hierdurch wird eine kompakte Bauweise des Wärmetauschers gewährleistet. Durch das erfindungsgemäße Ausgleichselement werden die Rohrabschnitte elastisch in die Sammeleinrichtungen eingebunden. Unterschiedliche Wärmeausdehnungen der einzelnen, nebeneinander angeordneten Rohrabschnitte, insbesondere eine unterschiedliche Längenausdehnung, werden durch das elastisch verformbare Ausgleichselement abgefangen. Hierdurch wird eine Zerstörung der Verbindung zwischen den thermoelektrischen Elementen und den Rohrabschnitten sowie eine Verformung des Wärmetauschers bzw. der Sammeleinrichtungen verhindert.According to the invention, therefore, a heat exchanger is provided, in which at least two fluidically interconnected by the pipe sections collecting means are provided, which have openings for receiving the open end portions of the pipe sections, wherein between a respective opening bounding wall of the collector and arranged in the opening end of the Pipe section is provided a compensating element which rests liquid-tight on a surface of the respective pipe section and which is elastically deformable in a thermally induced deformation of the pipe section and / or in a displacement of the pipe section relative to the wall of the collecting device. The pipe sections do not form a single meandering pipe as in the prior art, but they are designed as, separate components, which are each connected to the two collecting devices. As a result, a compact design of the heat exchanger is ensured. By the compensation element according to the invention, the pipe sections are elastic in the collection devices involved. Different thermal expansions of the individual juxtaposed pipe sections, in particular a different longitudinal extent, are intercepted by the elastically deformable compensating element. As a result, a destruction of the connection between the thermoelectric elements and the pipe sections and a deformation of the heat exchanger or the collection devices is prevented.
Hierbei erweist es sich als besonders zweckmäßig, wenn die Rohrabschnitte als Flachrohre ausgestaltet sind. Hierdurch können die als Pellets vorliegenden, thermoelektrischen Elemente prozesssicher auf den ebenen Flächen der Flachrohre fixiert werden.It proves to be particularly useful if the pipe sections are designed as flat tubes. As a result, the thermoelectric elements present as pellets can be reliably fixed on the flat surfaces of the flat tubes.
Es können jedoch auch Rohre mit einem kreisrunden oder anderem Querschnitt eingesetzt werden. In diesem Fall erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn die thermoelektrischen Elemente als Folie ausgestaltet sind. Hierdurch passen sich die thermoelektrischen Elemente der zugeordneten Oberfläche des jeweiligen Rohrabschnitts flexibel an.However, pipes with a circular or other cross-section can also be used. In this case, it proves to be particularly advantageous if the thermoelectric elements are designed as a film. As a result, the thermoelectric elements of the associated surface of the respective pipe section adapt flexibly.
Eine andere, besonders vorteilhafte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird auch dadurch geschaffen, dass zumindest zwei jeweils eine Druckkraft erzeugende Halteklammern vorgesehen sind, welche die Rohrabschnitte, die thermoelektrischen Elemente und das Lamellenprofil miteinander verpressend zwischen sich aufnehmen. Hierdurch kann ein guter Wärmeübergang zwischen den thermoelektrischen Elementen und den Rohrabschnitten bzw. zwischen den thermoelektrischen Elementen und dem Lamellenprofil gewährleistet werden.Another, particularly advantageous embodiment of the present invention is also provided by the fact that at least two each a pressure force generating retaining clips are provided which receive the pipe sections, the thermoelectric elements and the lamellar profile compressively between them. In this way, a good heat transfer between the thermoelectric elements and the pipe sections or between the thermoelectric elements and the fin profile can be ensured.
Weiterhin erweist es sich als besonders zweckmäßig, wenn die Halteklammern jeweils mit den beiden Sammeleinrichtungen verbunden sind. Hierdurch werden die zwischen den Sammeleinrichtungen angeordneten Rohrabschnitte in die Öffnungen in den Sammeleinrichtungen gedrückt.Furthermore, it proves to be particularly useful if the retaining clips are each connected to the two collecting devices. As a result, the pipe sections arranged between the collecting devices are pressed into the openings in the collecting devices.
Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass das Ausgleichselement eine elastische Dichtung aufweist. Einerseits umschließt die Dichtung den jeweiligen Rohrabschnitt flüssigkeitsdicht und andererseits können durch die elastische Verformbarkeit der Dichtung, welche beispielsweise aus einem Elastomer besteht, unterschiedliche Wärmeausdehnungen der Rohrabschnitte ausgeglichen werden. Hierbei kann die Dichtung als handelsüblicher O-Ring mit einem kreisrunden Querschnitt ausgebildet sein. Allerdings sind auch Dichtungen mit einem dreieckigen Querschnitt (V-Profil) oder andere Querschnittsformen denkbar.According to the invention, it is further provided that the compensation element has an elastic seal. On the one hand, the seal encloses the respective pipe section liquid-tight and on the other hand, different elastic expansions of the pipe sections can be compensated by the elastic deformability of the seal, which consists for example of an elastomer. Here, the seal may be formed as a commercial O-ring with a circular cross-section. However, seals with a triangular cross-section (V-profile) or other cross-sectional shapes are also conceivable.
Die flüssigkeitsdichte Abdichtung des Bereichs zwischen der Wand der Sammeleinrichtung und dem jeweiligen Rohrabschnitt muss trotz der elastischen Verformbarkeit der Dichtung gewährleistet sein. Um eine Verlagerung der Dichtung relativ zu der Wand der Sammeleinrichtung zu verhindern, ist vorgesehen, dass die Wand der Sammeleinrichtung eine die Dichtung zumindest abschnittsweise aufnehmende Ausnehmung aufweist. Die auf die Querschnittsform der Dichtung abgestimmte, umlaufende Ausnehmung ist vorzugsweise in einem abgewinkelten Abschnitt der Wand der Sammeleinrichtung vorgesehen.The liquid-tight seal of the area between the wall of the collecting device and the respective pipe section must be ensured despite the elastic deformability of the seal. In order to prevent a displacement of the seal relative to the wall of the collecting device, it is provided that the wall of the collecting device has a recess receiving the seal at least in sections. The peripheral recess, which is matched to the cross-sectional shape of the seal, is preferably provided in an angled section of the wall of the collector.
Das Vorsehen von Ausnehmungen in der Wand der Sammeleinrichtung zur Fixierung der Dichtung ist nicht erforderlich, wenn in einer besonders praxisnahen Ausgestaltung der Erfindung die Wand der Sammeleinrichtung aus Kunststoff besteht und die Dichtung an die Wand der Sammeleinrichtung angespritzt ist.The provision of recesses in the wall of the collecting device for fixing the seal is not required if, in a particularly practical embodiment of the invention, the wall of the collecting device consists of plastic and the seal is molded onto the wall of the collecting device.
In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die in der Sammeleinrichtung angeordneten Endbereiche der Rohrabschnitte eine Aufweitung aufweisen und die Dichtung als Flachdichtung ausgebildet ist, wobei die Flachdichtung zwischen der Wand der Sammeleinrichtung und der Aufweitung angeordnet ist und an einer Oberfläche der Wand der Sammeleinrichtung sowie an dem jeweiligen Rohrabschnitt anliegt. Auch bei dieser Variante sind in der Wand der Sammeleinrichtung keine Ausnehmungen zur Aufnahme der Dichtung erforderlich. Die Dichtungen werden beispielsweise stoffschlüssig an der Oberfläche der Wand der Sammeleinrichtung fixiert. Hierbei werden die Endbereiche der Rohrabschnitte erst nach der Anordnung in den Öffnungen der Sammeleinrichtung aufgeweitet. Weiterhin wird durch die Aufweitung ein Entfernen der Rohrabschnitte aus den Durchbrechungen verhindert.In another embodiment, it is provided that the end regions of the pipe sections arranged in the collecting device have a widening and the gasket is formed as a flat gasket, wherein the flat gasket is arranged between the wall of the collecting device and the widening and on a surface of the wall of the collecting device and on abuts the respective pipe section. Also in this variant, no recesses for receiving the seal are required in the wall of the collector. The seals are, for example, firmly bonded to the surface of the wall of the collecting device. Here, the end portions of the pipe sections are widened only after the arrangement in the openings of the collector. Furthermore, removal of the pipe sections from the openings is prevented by the widening.
Eine andere, besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird auch dadurch geschaffen, dass das Ausgleichselement einstückiger Bestandteil der Wand der Sammeleinrichtung ist und/oder dass das Ausgleichselement eine mäanderförmige Ausformung aufweist und/oder dass das Ausgleichselement stoffschlüssig mit dem Rohrabschnitt verbunden ist. Hierbei können die Sammeleinrichtung und das Ausgleichselement beispielsweise aus Aluminium gefertigt sein und das Ausgleichselement kann fest mit dem Rohrabschnitt verlötet werden. Durch das fest mit dem Rohrabschnitt verbundene, wellrohrähnliche mäanderförmige Ausgleichselement wird eine flüssigkeitsdichte Verbindung geschaffen, welche gleichzeitig die Relativbewegungen der Rohrabschnitte ausgleicht.Another, particularly advantageous embodiment of the invention is also provided in that the compensating element is an integral part of the wall of the collecting device and / or that the compensating element has a meandering shape and / or that the compensating element is materially connected to the pipe section. In this case, the collecting device and the compensating element may be made of aluminum, for example, and the compensating element can be firmly soldered to the pipe section. By firmly connected to the pipe section, corrugated tube-like meander-shaped compensation element, a liquid-tight connection is created, which simultaneously compensates for the relative movements of the pipe sections.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind einige davon in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Diese zeigt inThe invention allows numerous embodiments. To further clarify their Basic principles are some of which are illustrated in the drawings and described below. This shows in
Eine erste Wirkseite der thermoelektrischen Elemente
Weiterhin weist der Wärmetauscher
Außerdem sind zwei jeweils eine Druckkraft F erzeugende Halteklammern
Wie in
Bei einer in
Eine vierte Ausführungsform des Ausgleichselements
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