DE10315371A1

DE10315371A1 - Wärmeübertrager

Info

Publication number: DE10315371A1
Application number: DE10315371A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dipl.-Ing. Förster; Kurt Dr.-Ing. Molt
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2003-04-03
Filing date: 2003-04-03
Publication date: 2004-10-14
Also published as: WO2004088234A3; WO2004088234A2; EP1613916A2; CN1768244A; DE502004011898D1; US7578340B2; BRPI0408578A; EP1613916B1; US20060266509A1; JP2006522306A; ATE488742T1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager, insbesondere Gaskühler für CO¶2¶ als Kältemittel mit mindestens einem zweiteiligen, aus einem Boden und einem Deckel bestehenden, mindestens zwei Längskanäle mit im Wesentlichen kreisförmigem Querschnitt aufweisenden Sammelkasten und mit Flachrohren, wobei die Flachrohre Rohrenden und der Boden Öffnungen zur Aufnahme der Rohrenden aufweisen und wobei Boden, Deckel und Flachrohre miteinander verlötet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager insbesondere nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Wärmeübertrager für Klimaanlagen mit R134a als Kältemittel bestehen aus einem Wärmeübertragernetz mit Flachrohren und Wellrippen sowie beidseitig des Netzes angeordneten Sammelrohren mit vorzugsweise kreisförmigem Querschnitt – wie aus der DE-A 42 38 853 der Anmelderin bekannt. Derartige Konstruktionen waren festigkeitsmäßig ausreichend für die in einem Kondensator auftretenden Drücke. Bei neueren Kältemitteln wie CO2 treten jedoch erheblich höhere Drücke auf, die mit den herkömmlichen Bauweisen für Wärmeübertrager nicht mehr zu beherrschen sind. Man hat daher in der WO 98/51983 extrudierte Sammelrohre mit einer erhöhten Wandstärke vorgeschlagen, wobei ein Sammelrohr aus vier nebeneinander angeordneten Strömungskanälen mit kreisförmigem Querschnitt besteht. Die Herstellung eines solchen extrudierten Sammelrohres ist wegen der dafür benötigten Werkzeuge kostenaufwendig. Ein anderer Typ von Sammelrohr für hohe Innendrücke wurde in der DE-A 199 06 289 vorgeschlagen, wobei das Sammelrohr aus zwei oder drei extrudierten oder gepressten Teilen zusammengesetzt ist und zwei Längskanäle mit kreisförmigem Querschnitt aufweist. Soweit dieses bekannte Sammelrohr aus extrudierten Teilen aufgebaut ist, sind die relativ hohen Werkzeugkosten nachteilig; soweit das bekannte Sammelrohr aus Pressteilen zusammengesetzt ist, erscheint die Formgebung noch unvollkommen, d. h. nicht an die zu erwartenden Belastungen infolge des hohen Innendruckes angepasst.
Eine weitere Bauart für den Sammelkasten eines konventionellen Kondensators wurde durch die US-A 5,172,761 bekannt. Der Kondensator besitzt Flachrohre, die von einem im Wesentlichen ebenen, allerdings profilierten Rohrboden in schlitzförmigen Öffnungen aufgenommen werden. Mit dem Rohrboden ist ein im Wesentlichen ebenes, jedoch auch profiliertes Deckelteil verbunden. Boden und Deckel bilden einzelne, durch Querwände abgeteilte Kammern, in denen das Kältemittel strömt bzw. umgelenkt wird. Obwohl Boden und Deckel im Bereich der Rohre durch nach innen gerichtete Einprägungen miteinander verlötet sind, erscheint diese Formgebung eines Sammelkastens für höhere Drücke, wie sie insbesondere in einem CO2-Kältemittelkreislauf auftreten, nicht geeignet.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmeübertrager der eingangs genannten Art bezüglich der Bauweise des Sammelkastens derart zu verbessern, dass er einfach und kostengünstig herstellbar sowie den hohen Innendruckanforderungen besser gewachsen ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Der Sammelkasten wird aus zwei geprägten bzw. gebogenen Blechplatinen hergestellt, d. h. eine spangebende Bearbeitung entfällt. Daraus resultieren geringe Herstellkosten. Ferner ergibt sich durch den Prägevorgang des Bleches eine Kaltverfestigung, was die Innendruckfestigkeit des Sammelbehälters erhöht. Durch den Prägevorgang werden sowohl am Deckel als auch am Boden Längstrennwände mit Kontaktflächen und Querkanälen ausgebildet, wobei die Kontaktflächen jeweils zwischen den Rohren bzw. den Öffnungen im Boden angeordnet sind. Beim Fügen von Deckel und Boden liegen die Kontaktflächen plan aufeinander und bilden damit eine Vielzahl von Lötflächen im Bereich der Längstrennwand. Boden und Deckel sind somit einerseits im Randbereich verlötet und andererseits im Bereich der Trennwand, wo die verlöteten Kontaktflächen „Zuganker" gegenüber dem im Sammelbehälter auftretenden Innendruck bilden. Damit ist ein druckfester und kostengüsntiger Sammelbehälter geschaffen.
Die Stirnseiten der Längskanäle können beispielsweise durch Stopfen, Deckel oder Abschlusswände geschlossen und gegebenenfalls anschließend verlötet werden, oder sie sind mit Kältemittelanschlüssen versehen. Ein stirnseitiges Verschliessen der Längskanäle kann auch durch eine entsprechende Verformung von Deckel und/oder Boden erfolgen, indem diese miteinander verlötet werden. Die Flachrohrenden, die in den Boden bzw. Sammelkasten hineinragen, werden im Bereich der Längstrennwand durch die bogenartig ausgebildeten Querkanäle überbrückt, sodass das Kältemittel über den ganzen Querschnittsbereich aus den Flachrohren austreten bzw. in die Flachrohre eintreten kann.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Kontaktflächen auf der Innenseite des Sammelkastens als Erhebungen und auf der Außenseite des Sammelkastens als Vertiefungen oder Einprägungen ausgebildet, wobei sich Vertiefungen bzw. Einprägungen und Erhebungen bzw. Ausprägungen in ihrer Lage entsprechen. Diese Herstellung und Ausbildung der Erhebungen auf der Innenseite gewährleistet ebene Anlagefläche und damit eine sichere und feste Verlötung.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Querkanäle, also die Verbindungen von einer Längskammer zu anderen als Vertiefungen auf der Innenseite und entsprechend als Erhebungen auf der Außenseite ausgebildet. Die Ausprägung der Querkanäle auf der Innenseite gewährleistet freie Austrittsquerschnitte der Flachrohre und eine gute Verlötbarkeit der Flachrohrenden auf der Innenseite infolge Meniskusbildung.
In weitere Ausgestaltung der Erfindung ist die Wandstärke im Bereich der Längstrennwände von Boden und Deckel annähernd konstant, und vorzugsweise sind die Erhebungen und Vertiefungen symmetrisch zu einer mittleren Teilungsebene ausgebildet, wobei sich in einem Längsschnitt eine trapezförmige Kontur zeigt. Durch diese Ausbildung ergibt sich für das Blechmaterial ein günstiger Faserverlauf, eine gute Kaltverfestigung, d. h. eine hohe Zähigkeit und Festigkeit des Sammelbehälters, insbesondere in Verbindung mit den verlöteten, rechteckförmig ausgebildeten Kontaktflächen zwischen den Flachrohren als Zuganker.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Boden (oder auch der Deckel) im Randbereich Randleisten oder Lappen auf. Deckel und Boden werden somit über die Leisten oder Lappen fixiert, bevor sie zusammen mit dem gesamten Wärmeübertrager verlötet werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind drei oder mehr Längskammern mit zwei oder mehr Längstrennwänden vorgesehen, wobei die Längstrennwände analog der oben beschriebenen Einzellängstrennwand ausgebildet sind. Damit kann der erfindungsgemäße Sammelbehälter auch für größere Flachrohrtiefen verwendet werden, ohne dass die Längskanäle einen zu großen Durchmesser annehmen. Dies ergibt Vorteile im Bauraum und in der Festigkeit des Sammelbehälters.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
1 eine perspektivische Teilansicht eines Gaskühlers,
2 eine Seitenansicht des Gaskühlers gemäß 1,
3 eine Teilansicht des Gaskühlers gemäß 1 von vorn,
4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in 3,
5 einen vergrößerten Schnitt gemäß 4, allerdings ohne Flachrohr,
6 einen Schnitt längs der Linie VI-VI in 2,
7 einen Querschnitt durch den Boden des Sammelkastens,
7a eine Ansicht von unten auf den Sammelkasten gemäß 7,
7b eine Ansicht von oben auf den Sammelkasten gemäß 7,
8 einen Querschnitt durch den Deckel des Sammelkasten,
8a eine Ansicht von unten auf den Deckel gemäß 8,
8b eine Ansicht von oben auf den Deckel gemäß 8,
9 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Sammelkasten mit drei Längskanälen und
10 einen Querschnitt durch den Sammelkasten gemäß 9, ohne Flachrohr.
1 zeigt einen als Gaskühler 1 ausgebildeten Wärmeübertrager mit einem Sammelkasten 2 und in diesen mündenden Flachrohren 3, zwischen denen nicht dargestellte Wellrippen angeordnet sein können. Ein solcher Gaskühler wird in mit CO2 als Kältemittel betriebenen Kältemittelkreisläufen für Kraftfahrzeugklimaanlagen eingesetzt, kann jedoch auch generell als druckfester Wärmeübertrager verwendet werden.
2 zeigt eine Seitenansicht des Gaskühlers 1 mit dem Sammelkasten 2, welcher aus einem Boden 4 und einem Deckel 5 zusammengesetzt ist. Boden 4 und Deckel 5 sind etwa W-förmig und symmetrisch zu einer Teilungsebene 6 ausgebildet und angeordnet, wobei der Boden 4 Randleisten 7 aufweist, die den Deckel 5 seitlich umgreifen und fixieren. Boden 4 und Deckel 5 bilden zwei Längskanäle 8, 9, die beide im Wesentlichen einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Die Flachrohre 3 werden vom Boden 4 aufgenommen und ragen mit ihren Flachrohrenden 3a in die Längskanäle 8, 9 etwa bis zur Teilungsebene 6 hinein. Boden 4 und Deckel 5 werden aus einer nicht dargestellten Blechplatine ausgeschnitten und durch Prägen bzw. Biegen in die dargestellte Form gebracht, d. h. spanlos hergestellt. Nach dem Fügen der einzelnen Teile wie Flachrohre 3, Boden 4 und Deckel 5 wird der gesamte Gaskühler 1, der noch einen weiteren nicht dargestellten Sammelkasten aufweisen kann, gelötet.
3 zeigt eine Frontansicht eines Ausschnittes des Gaskühlers 1, d. h. mit Blickrichtung auf die Schmalseiten der Flachrohre 3 und die durchgehende Leiste 7 des Bodens 4. Statt der durchgehenden Leiste 7 können auch einzelnen Lappen (nicht dargestellt) vorgesehen sein, da diese im Wesentlichen nur Fixierfunktion für den anschließenden Lötvorgang besitzen. Wie bereits erwähnt, können zwischen den Flachrohren 3 nicht dargestellte Wellrippen angeordnet sein, die von Umgebungsluft in Richtung senkrecht zur Zeichenebene überströmt werden.
4 zeigt einen Schnitt längs der Linie IV-IV in 3, d. h. einen Querschnitt durch den Sammelkasten 2 mit Boden 4, welcher ein (nicht geschnittenes) Flachrohr 3 aufnimmt. Zwischen den beiden Längskanälen 8, 9 ist ein Querkanal 10 angeordnet, der einen Durchlass bildet.
5 zeigt den Sammelkasten 2 in vergrößerter Darstellung ohne das Flachrohr 3 mit einer schlitzförmigen Öffnung 11 im Boden 4 zur Aufnahme der Flachrohre 3. Wie bereits erwähnt, weist der Sammelkasten 2 eine Teilungsebene 6 auf, zu der Boden 4 und Deckel 5 mit Ausnahme der Randleisten 7 und der Aufnahmeöffnungen 11 annähernd symmetrisch ausgebildet sind, insbesondere im Bereich einer die beiden Längskanäle trennenden Längstrennwand, die aus einem Längstrennwandbereich 12 des Bodens 4 und aus einem Längstrennwandbereich 13 des Deckels 5 gebildet wird, welche aufeinander liegende Kontaktflächen 14, 15 bilden. Die aufeinander liegenden Kontaktflächen 14, 15 sind jeweils zwischen den Flachrohren 3 angeordnet und liegen daher hinter der Zeichenebene, in welcher sich der Querkanal 10 und – symmetrisch dazu – ein weiterer Querkanal 16 befindet. Beide Querkanäle 10, 16 ergänzen sich zu einem gemeinsamen Durchlassquerschnitt.
6 zeigt einen Schnitt entlang der Linie VI-VI in 2, d. h. im Bereich der Längstrennwand bzw. der beiden Längstrennwandbereiche 12, 13. Letztere stoßen im Bereich der Teilungsebene 6 mit ihren Kontaktflächen 14, 15, die jeweils zwischen den Flachrohren 3 angeordnet sind, aufeinander. Die Kontaktflächen 14, 15 in Boden 4 und Deckel 5 sind jeweils als Erhebungen oder Ausprägungen ausgebildet, denen jeweils eine Vertiefung 17 im Deckel bzw. eine Vertiefung 18 im Boden gegenüber liegt. Die Querkanäle 10 im Deckel 5 werden durch Vertiefungen auf der Innenseite gebildet, denen Erhebungen 19 im Deckel gegenüber liegen; entsprechend liegen den Querkanälen 16 im Boden 4 Erhebungen 20 auf der Außenseite des Bodens gegenüber. Durch die Erhebungen und Vertiefungen ergibt sich für die Längstrennwandbereiche 12, 13 von Boden und Deckel jeweils ein tra pezförmig mäandrierendes Profil mit einer annähernd konstanten Wandstärke s. Da die Erhebungen und Vertiefungen – wie bereits erwähnt – durch Prägen hergestellt werden, ergibt sich hier ein günstiger Faserverlauf und eine hohe Kaltverfestigung, was für die Aufnahme von Zugkräften in diesem Bereich besonders vorteilhaft ist.
7 zeigt einen Querschnitt durch den Boden 4, 7a zeigt eine Ansicht des Bodens 4 von unten, und 7b zeigt eine Ansicht des Bodens 4 von oben. Zwischen den schlitzförmigen Öffnungen 11 im Boden sind auf der Innenseite des Bodens 4 in 7b die Kontaktflächen 14 erkennbar, die etwa rechteckförmig ausgebildet sind. Diesen Kontaktflächen 14 liegen auf der Außenseite des Bodens 4 in 7a die Vertiefungen 18 gegenüber. Die Erhebungen auf der Außenseite des Bodens sind mit 20 bezeichnet.
8 zeigt den Deckel 5 im Querschnitt, 8a zeigt eine Ansicht des Deckels 5 von unten, und 8b zeigt eine Ansicht des Deckels 5 von oben, d. h. dessen Innenseite. In 8a sind die Einprägungen 17 als rechteckförmige Flächen erkennbar, denen auf der Innenseite des Deckels 5 (8b) die Kontaktflächen 15 als Erhebungen gegenüber liegen. Zwischen den Erhebungen 15 erstrecken sich die Querkanäle 10.
Die Kontaktflächen 14 (7b) und die Kontaktflächen 15 (8b) entsprechen sich in etwa in Größe und Position, liegen nach dem Fügen von Boden 4 und Deckel 5 aufeinander und werden in diesem Bereich miteinander verlötet. Hierzu können die als Ausgangsmaterial dienenden Blechplatinen für Boden 4 und Deckel 5 beidseitig lotplattiert sein. Der Grundwerkstoff der Blechplatinen sowie auch der Flachrohre 3 und gegebenenfalls der Wellrippen ist eine Aluminiumlegierung oder verschiedene Aluminiumlegierungen.
9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, und zwar einen Gaskühler 21, mit einem Sammelkasten 22 und einer Reihe von Flachrohren 23, die endseitig vom Sammelkasten 22 aufgenommen werden.
10 zeigt den Sammelkasten 22 im Querschnitt ohne Flachrohr 23. Der Sammelkasten 22 weist drei Längskanäle 24, 25, 26 auf, die von einem Bo den 27 und einem Deckel 28 gebildet werden. Im Boden 27 ist ein durchgehender Schlitz 29 mit den Abmessungen der Enden der Flachrohre 23 eingebracht, vorzugsweise durch Stanzen. Die Längskanäle 24, 25, 26 werden durch zwei Längstrennwände 30, 31 gebildet, die analog zu der oben beschriebenen Längstrennwand, bestehend aus Längstrennwandbereichen von Boden und Deckel, gebildet. Ebenso sind Querkanäle 32 und 33 durch Vertiefungen vorgesehen. Die Darstellung zeigt, dass der erfindungsgemäße Sammelkasten mit beliebig vielen Längskanälen ausgeführt werden kann, wobei jeweils zwischen zwei benachbarten Längskanälen die erfindungsgemäßen Kontaktflächen zur Bildung von Zugankern vorgesehen sind.

1: Gaskühler
2: Sammelkasten
3: Flachrohr
4: Boden
5: Deckel
6: Teilungsebene
7: Randleiste
8: Längskanal
9: Längskanal
10: Querkanal
11: Öffnung im Boden
12: Längstrennwandbereich, Boden
13: Längstrennwandbereich, Deckel
14: Kontaktfläche, Boden
15: Kontaktfläche, Deckel
16: Querkanal
17: Vertiefung, Deckel
18: Vertiefung, Boden
19: Erhebung, Deckel
20: Erhebung, Boden
21: Gaskühler
22: Sammelkasten
23: Flachrohr
24: Längskanal
25: Längskanal
26: Längskanal
27: Boden
28: Deckel
29: Schlitz
30: Längstrennwand
31: Längstrennwand
32: Querkanal
33: Querkanal

Claims

Wärmeübertrager mit mindestens einem zweiteiligen, aus einem Boden (4) und einem Deckel (5) bestehenden, mindestens zwei Längskanäle (8, 9) mit im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Sammelkasten (2) und mit Flachrohren (3), wobei die Flachrohre (3) Rohrenden (3a) und der Boden (4) Öffnungen (11) zur Aufnahme der Rohrenden (3a) aufweisen und wobei Boden (4), Deckel (5) und Flachrohre (3) miteinander verlötet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (4) und der Deckel (5) jeweils aus einer Blechplatine geprägt sind und mindestens einen mittleren Längstrennwandbereich (12, 13) mit im Bereich der Flachrohre (3) angeordneten Querkanälen (10) und zwischen den Flachrohren (3) angeordneten Kontaktflächen (14, 15) aufweisen und im Bereich der Kontaktflächen (14, 15) verlötet sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen (14, 15) des Bodens (4) und des Deckels (5) als Erhebungen auf der Innenseite ausgebildet sind, denen Vertiefungen (18, 17) auf der Außenseite entsprechen.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querkanäle (10) als Vertiefungen auf der Innenseite ausgeprägt sind, denen Erhebungen (19, 20) auf der Außenseite entsprechen.
Wärmeübertrager nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (4) und der Deckel (5) im Bereich der Erhebungen und Vertiefungen eine annähernd konstante Wandstärke s aufweisen.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelkasten (2) eine mittig angeordnete Teilungsebene (6) aufweist und dass Erhebungen und Vertiefungen symmetrisch zu der Teilungsebene (6) angeordnet sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelkasten (2) eine mittig angeordnete Teilungsebene (6) aufweist und dass Erhebungen und Vertiefungen nicht symmetrisch zu der Teilungsebene (6) angeordnet sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen und Vertiefungen im Längsschnitt ein trapezförmiges Profil bilden.
Wärmeübertrager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen (14, 15) annähernd als Rechteckflächen (14, 15) ausgebildet sind.
Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (5) und der Boden (4) jeweils einen Randbereich aufweisen, in dem sie verlötet sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich des Bodens (4) Randleisten (7) und/oder Lappen aufweist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Randbereich des Bodens den Randbereich des Deckels (5) übergreift.
Wärmeübertrager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel Randleisten und/oder Lappen aufweist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Randbereich des Deckels den Randbereich des Bodens übergreift.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammelkasten (22) mindestens drei Längskanäle (24, 25, 26) und mindestens zwei Längstrennwände (30, 31) mit Erhebungen und Vertiefungen (32, 33) aufweist.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Längskanäle unterschiedliche Querschnitte aufweisen.
Wärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Kontaktflächen unterschiedliche Grössen oder Querschnitte, insbesondere in Breite und/oder Länge, aufweisen.