EP1909054B1 - Wärmetauscher in Plattenbauweise, insbesondere Verdampfer für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage - Google Patents

Wärmetauscher in Plattenbauweise, insbesondere Verdampfer für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage Download PDF

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EP1909054B1
EP1909054B1 EP20070018044 EP07018044A EP1909054B1 EP 1909054 B1 EP1909054 B1 EP 1909054B1 EP 20070018044 EP20070018044 EP 20070018044 EP 07018044 A EP07018044 A EP 07018044A EP 1909054 B1 EP1909054 B1 EP 1909054B1
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
accordance
deflection
distribution means
equal distribution
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EP20070018044
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EP1909054A3 (de
EP1909054A2 (de
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Karl-Heinz Staffa (Dipl.-Ing.)
Wolfgang Seewald (Dipl.-Ing.)
Gottfried Dürr (Dipl.-Ing.)
Boris Kerler (Dr.-Ing.)
Jie Zhang
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Mahle Behr GmbH and Co KG
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Behr GmbH and Co KG
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    • F28D2021/008—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for vehicles
    • F28D2021/0085—Evaporators

Definitions

  • the invention relates to a plate-type heat exchanger, in particular evaporator, with at least one collector, which has at least two adjacent to each other, in particular brazed together sheets.
  • a heat exchanger according to the preamble of claim 1 is made DE 102 60 107 A1 known.
  • a CO 2 heat exchanger Particularly suitable as a CO 2 heat exchanger are so-called plate evaporator, wherein the refrigerant passes through an injection pipe in a collector, which usually by three large area soldered to each other, just formed plates, namely a connecting plate, a distributor or baffle and a bottom plate formed is.
  • a collector which usually by three large area soldered to each other, just formed plates, namely a connecting plate, a distributor or baffle and a bottom plate formed is.
  • the refrigerant is distributed with the help of the appropriately designed baffle on the individual projecting into the bottom plate with their ends flat tubes and possibly also repeatedly deflected in width and / or depth.
  • one or two collectors may be provided, in the case of a collector, the flat tubes are bent usually U-shaped and in the case of two collectors, the flat tubes usually straight, so that in normal installation position in a motor vehicle, a collector above and Collector is arranged below.
  • the refrigerant leaves the collector via a suction pipe and is forwarded in the refrigerant circuit.
  • a plate evaporator is for example in the DE 102 60 107 A1 whose disclosure content with respect to the refrigerant flow through the evaporator, in particular as in the Figures 3 . 6 . 8th and 9 illustrated and described with reference to these figures, is expressly incorporated.
  • a corresponding plate evaporator is also in the post-published German patent application 10 2005 020 499.6 discloses, whose disclosure content is also expressly included with respect to the refrigerant guide.
  • An example of known in H-shaped deflection openings in the baffle is in Fig. 12 shown.
  • a plate-type heat exchanger in particular an evaporator, is provided with the features of claim 1.
  • the flat tubes are preferably arranged parallel to each other, i. the broadsides are opposite each other.
  • the arrival or possibly the outflow takes place here preferably by an inflow or outflow hole in a connecting plate.
  • the flat tubes can also be arranged in a plane with opposite narrow sides.
  • the flat tubes can also be designed such that one or more channels of the same are not flowed through, so that in principle there are two flat tubes, which are, however, integrally connected to one another.
  • the deflection openings are rounded rectangular, formed with wedge-shaped sides. Also, the long sides can be pulled slightly inward, but only up to the opening of the flat tubes. If necessary, the wedge angle can also be rounded, but a sharp-edged configuration is advantageous.
  • the tubes are preferably multi-chamber flat tubes with multiple channels. This more uniform distribution also results in a more uniform temperature distribution over the entire heat exchanger.
  • the configuration of the deflection openings can be provided both in inflow and outflow.
  • the sides of the rectangle with wedge-shaped inwardly drawn pages are the narrow sides of the rectangle.
  • a wedge shape is preferably an acute-angled wedge, the tip being directed inwardly in the direction of the central longitudinal axis of the inflow bore through which the refrigerant enters the deflection opening.
  • the wedge angle is particularly preferably in the range of 180 ° - 2 x arctan [0.5 x flat tube depth / 0.5 x base wedge] to 180 °, the length of the base of the wedge corresponds to the distance of the center planes of the flat tubes (see illustration of Fig. 5 ).
  • At least one metal sheet which is arranged adjacent to the plate with the deflection, ie in particular formed on the bottom plate or on the connection plate, in the deflector formed in the Umlenkö Stammen protruding projections, ribs, knobs, mandrels or attached, which in addition to the homogenization of the refrigerant distribution on the channels of the flat tubes serve.
  • at least one projection per deflection opening is preferably provided.
  • ribs or nubs also several projections per deflection opening may be provided, which are particularly preferably distributed around the central longitudinal axis of the inflow bore around. The distribution is particularly preferably elliptical or possibly also circular.
  • the rib or nub lengths are preferably adapted to the distance to the inlet opening in the flat tube.
  • the arrangement density of projections, in particular of ribs, is preferably in the central region, ie the region near the flat tube, denser than in the remaining region.
  • a single projection in the central longitudinal axis of the inflow bore may be provided on or attached to the opposite plate.
  • an inflow bore is arranged in the connection plate with respect to the associated inflow deflection opening.
  • the central arrangement ensures a uniform distribution.
  • a projection or mandrel serving as a direct distribution means can also serve as a direct distribution means by means of an inserted pin, preferably with a tip, in particular preferably with a pyramidal or conical tip, which is arranged in a channel of a flat tube which is not or only partly used, in particular preferably in FIG Center of the flat tube, be formed.
  • opposite surface and / or the side surfaces can be achieved in a simple manner equalize the distribution of the medium on individual channels of a flat tube, even with I-shaped deflection or deflection, where three or more flat tubes end ,
  • Leg the pipes are preferably flat tubes, particularly preferably multi-chamber flat tubes with multiple channels. If two flat tubes arranged parallel to one another are provided with a plurality of channels, at least one of the internally arranged channels, in particular preferably the middle channel, is unused. It is preferably covered by the floor panel. Alternatively, two times with its narrow sides adjacent, arranged parallel to each other flat tubes can be provided for an overflow.
  • the free flow cross-section of the supply line in particular of the injection tube or optionally also of an overflow pipe, preferably decreases in the flow direction, so that a uniform distribution of refrigerant takes place on all overflow openings and not only on the pipes assigned to an overflow opening.
  • the free flow cross-section of at least one deflection opening in a second, lower collector in an area in extension of the tubes, through which the refrigerant flows out of the collector, so that even the air upstream arranged tubes, especially with a plurality of channels, evenly with refrigerant be charged.
  • influx deflection openings are also possible following an overflow tube, which serves as an injection tube with respect to the subsequent part of the heat exchanger.
  • a corresponding configuration may be provided for the reverse flow, i. For example, for outflow deflection and outflow holes.
  • Such heat exchangers are particularly suitable for CO 2 , but any other refrigerant, for example R134a, can also be used.
  • a plate-type heat exchanger in this case an evaporator of a motor vehicle air-conditioning system in which CO 2 is used as the refrigerant in the present case, which is thus exposed to relatively high pressures, has, as in Fig. 7 represented, an inlet pipe E, via which the refrigerant is supplied to the evaporator, a collector 1, formed by a connecting plate 2, a baffle 3 and a bottom plate 4, a plurality of mutually parallel multi-chamber flat tubes F, with their ends in the in Bottom plate 4 provided slots 5 protrude, and a suction pipe S, via which the refrigerant passes from the evaporator on.
  • the upper ends of the flat tubes F are divided centrally by a slot (see detail of Fig. 9 ).
  • the elongated holes 5 are divided centrally by a web which is positioned in the slot of the flat tubes F in the assembled state, so that in each case a flat tube provides two oppositely directed flow paths for the refrigerant formed by a plurality of chambers or channels ,
  • the refrigerant flow is divided into a plurality of partial flows, each flowing from the inflow deflection opening in one half of the flat tube F flowing through the evaporator downstream of the air.
  • the lower collector 1 ' which is also formed by three sheets, in this case by an externally arranged end plate 2', a baffle 3 'and a bottom plate 4', the partial flows in depth by depth deflection 10 'deflected, in this case without exchange between the individual flat tubes F, and flow through the other half of the flat tubes F arranged upstream of the air upstream to the upper collector 1.
  • the connecting plate 2, the baffle 3 and the bottom plate 4 of the upper header 1 as well as the end plate 2 ', the baffle 3' and the bottom plate 4 'of the lower collector 1' are each soldered flat, wherein the soldering in one operation with the Soldering of the entire evaporator takes place.
  • nubs (not shown) are formed on the connecting plate, which protrude upwards on the nub side and in correspondingly formed recesses or bores are received, which are provided in the tubes, so that a positionally accurate and simple (pre-) fixation in the context of assembly is possible
  • inflow holes 7 are also provided, via which the refrigerant from the injection tube E coming into the air downstream part of the upper header 1 can flow.
  • outflow bores 8 which are formed in the connecting plate 2 upstream of the air, the refrigerant passes from the collector 1 into the suction pipe S.
  • the depth deflection openings in the deflection plate 3 ' are presently formed by simple elongated holes, which are each associated with a flat tube F. H-shaped, wider, rectangular shapes, etc., to mix To allow adjacent refrigerant flows are also possible.
  • the inflow deflection openings arranged in alignment therewith in the deflection plate 3 are formed according to the embodiments described in more detail below with DC distribution means.
  • the basic configuration of the heat exchanger corresponds to the above description.
  • the inflow Umfenkö Stamm 10 as shown schematically in FIG Fig. 1 shown, formed substantially rectangular.
  • the longitudinal sides of the rectangle are slightly offset outward with respect to the alignment line of the outer edge of the flat tubes F, in this case by about the flat tube thickness.
  • the edges are rounded, whereby here too the radius of the rounding is larger by about a flat tube thickness than the radius of the narrow sides of the narrow-side round flat tubes F.
  • the or the central channels of the multi-chamber flat tube is covered by the baffle, so that no refrigerant flows through them.
  • the inflow deflection opening 10 is arranged only in front of a part of the channels of the flat tubes F, the outflow deflection in the baffle 3 of the upper header 1 are formed according to the present embodiment according to the inflow deflection openings 10.
  • another, for example, a greater length of the longitudinal sides of the Ausström Umklenkö Maschinenen would be possible, so that correspondingly fewer channels of the flat tubes for the guidance of the refrigerant to the lower collector 1 'as for the return to the upper collector 1 are available, ie the block depths of the heat exchanger differ.
  • the narrow sides of the deflection opening 10 according to the first embodiment are, as in Fig. 1 shown and in contrast to the representation of FIGS. 7 and 9 wedge-shaped pulled inwards, the wedge slightly acute angle, ie the angle is slightly smaller than 90 °, is formed.
  • the wedge tips lie in a line with the central longitudinal axis of the inflow bore 7, wherein the distance between the wedge tips to the central longitudinal axis is equal in each case.
  • the transition from the wedge to the rounded edges is such that the wedge tangentially abuts the circle of curvature.
  • a plurality of radially arranged around the central longitudinal axis of the inflow bore 7 ribs 11 are provided, in this case on the connecting plate 2.
  • ribs can also be provided on the bottom plate ,
  • Gleichverteilmittel according to the first embodiment thus serves the shape of the deflection opening 10 and the ribs 11 on the connection plate. 2
  • the shape of the inflow deflection opening 10 corresponds to that of the first embodiment.
  • ribs 11 are triangular knobs 12, manufactured, for example.
  • the tips of the dimples 12 point in the direction of the central longitudinal axis of the inflow bore 7.
  • Fig. 3 shows another way to distribute the refrigerant flow to the individual channels of the flat tubes F as evenly as possible.
  • a mandrel 13 is provided on the bottom plate 4 in the central longitudinal axis of the inflow bore 7, a mandrel 13, but placed here, but it can also be made by means of forming of the material of the bottom plate.
  • both the shape of the deflection opening 10 and the mandrel 13 serve as Gleichverteilstoff.
  • grooves or channels, winglets, nubs, bulges or the like be provided on the bottom plate and / or connecting plate as Gleichverteilstoff.
  • the deflection opening 10 corresponds to that of the first embodiment, ie the narrow sides are wedge-shaped pulled inwards.
  • the wedge angle ⁇ is about 80 °.
  • the base of the wedge is designated in the drawing by KS.
  • KS base side wedge
  • KS base side wedge
  • Fig. 5 shows an embodiment of the deflection opening 10, according to which the wedge angle ⁇ is reduced to about 45 °, ie the wedges protrude further to the central longitudinal axis of the inflow bore 7 than in the first embodiment.
  • Fig. 6 shows an example according to the prior art in which no wedges are provided, ie the narrow sides of the deflection opening 10 are straight running formed and the wedge angle ⁇ corresponds to 180 °, so that the deflection opening 10 is rounded rectangular.
  • FIG. 5 can of course be supplemented with the measures described in the embodiments 1, 2 and 3 and mentioned in this context.
  • each flat tube substantially the same proportion of liquid refrigerant can be supplied are possible.
  • the cross section i. the hydraulic diameter of the injection tube in the flow direction can be reduced, wherein a cross-sectional reduction in the range of 5 to 90% can be provided. It should be present over the entire length of the injection tube, the same flow shape, preferably a ring flow.
  • the cross section of the injection tube can be arbitrary, in particular round, D-shaped, oval or angular.
  • the cross-sectional area can be reduced by making the tube more compressed in the direction of flow.
  • variable injection pipe flow cross-section and the injection holes can be formed with different diameters or be varied by inserts the cross section.
  • a further improvement of the temperature distribution over the evaporator surface results from measures, ie the provision of direct distribution means, in the lower collector 1 '.
  • Modifications are possible.
  • the cross-sectional reduction can possibly also be done by inserts.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher in Plattenbauweise, insbesondere Verdampfer, mit mindestens einem Sammler, der mindestens zwei aneinander anliegenden, insbesondere miteinander verlöteten Blechen aufweist.
  • Ein Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus DE 102 60 107 A1 bekannt.
  • Besonders geeignet als CO2-Wärmetauscher sind sogenannte Plattenverdampfer, wobei das Kältemittel über ein Einspritzrohr in einen Sammler gelangt, der in der Regel durch drei großflächig miteinander verlöteten, eben ausgebildeten Platten, nämlich einem Anschlussblech, einem Verteiler- oder Umlenkblech und einem Bodenblech, gebildet ist. In dem Sammler wird das Kältemittel mit Hilfe des entsprechend ausgestalteten Umlenkblechs auf die einzelnen in das Bodenblech mit ihren Enden ragenden Flachrohre verteilt und ggf. auch mehrfach in der Breite und/oder Tiefe umgelenkt. Hierbei können ein oder zwei Sammler vorgesehen sein, wobei im Falle eines Sammlers die Flachrohre in der Regel U-förmig gebogen und im Falle zweier Sammler die Flachrohre in der Regel gerade ausgebildet sind, so dass bei normaler Einbaulage in einem Kraftfahrzeug ein Sammler oben und ein Sammler unten angeordnet ist. Das Kältemittel verlässt den Sammler über ein Saugrohr und wird im Kältemittelkreislauf weitergeleitet. Ein derartiger Plattenverdampfer ist beispielsweise in der DE 102 60 107 A1 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt in Bezug auf die Kältemittelführung durch den Verdampfer, insbesondere wie er in den Figuren 3, 6, 8 und 9 dargestellt und unter Bezugnahme auf diese Figuren beschrieben ist, ausdrücklich mit einbezogen wird. Hierbei sind die Öffnungen im Umlenkblech H-förmig oder I-förmig ausgebildet. Ein entsprechender Plattenverdampfer ist auch in der nachveröffentlichten Deutschen Patentanmeldung 10 2005 020 499.6 offenbart, deren Offenbarungsgehalt in Bezug auf die Kältemittelführung ebenfalls ausdrücklich mit einbezogen wird. Ein Beispiel von im Prinzip bekannten H-förmig ausgebildeten Umlenköffnungen im Umlenkblech ist in Fig. 12 dargestellt.
  • Derartige Wärmetauscher lassen jedoch Wünsche in Bezug auf eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung offen.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Wärmetauscher zur Verfügung zu stellen, wobei eine möglichst gute Durchmischung des Kältemittels im Bereich des oder der Umlenkbleche ermöglicht werden soll, damit die Temperaturverteilung der einer Umlenköffnung zugeordneten Rohre und damit auch der gesamten Fläche des Wärmetauschers vergleichmäßigt wird.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Erfindungsgemäß ist ein Wärmetauscher in Plattenbauweise, insbesondere ein Verdampfer, vorgesehen, mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Die Flachrohre sind vorzugsweise paralell nebeneinander angeordnet, d.h. die Breitseiten liegen einander gegenüber. Das An- oder ggf. auch das Abströmen erfolgt hierbei bevorzugt durch eine Einström- oder Ausström-Bohrung in einem Anschlussblech. Insbesondere im Falle der Umlenköffnungen, die zu einer Umlenkung in der Tiefe dienen, können die Flachrohre auch in einer Ebene mit einander gegenüberliegenden Schmalseiten angeordnet sein. Die Flachrohre können auch derart ausgebildet sein, dass ein oder mehrere Kanäle derselben nicht durchströmt werden, so dass im Prinzip zwei Flachrohre vorliegen, die jedoch einstückig miteinander verbunden sind.
  • Als ein Gleichverteilmittel sind die Umlenköffnungen abgerundet rechteckförmig, mit keilförmig gezogenen Seiten ausgebildet. Auch die Längsseiten können leicht nach innen gezogen sein, jedoch nur bis zu der Öffnung der Flachrohre. Der Keilwinkel kann gegebenenfalls auch abgerundet sein, jedoch ist eine scharfkantige Ausgestaltung vorteilhaft. Im Unterschied zu den bekannten H-förmigen Umlenköffnungen ergibt sich eine deutlich bessere und gleichmäßigere Kältemittelverteilung auf die Flachrohre, die einer Umlenköffnung zugeordnet sind, wobei es sich bei den Rohren bevorzugt um Mehrlcammer-Flachrohre mit mehreren Kanälen handelt. Diese gleichmäßigere Verteilung führt auch zu einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung über den gesamten Wärmetauscher. Die Ausgestaltung der Umlenköffnungen kann sowohl einström- als auch ausströmseitig vorgesehen sein.
  • Besonders bevorzugt sind die Seiten des Rechtecks mit keilförmig nach innen gezogenen Seiten die Schmalseiten des Rechtecks. Bei einer Keilform handelt es sich vorzugsweise um einen spitzwinkligen Keil, wobei die Spitze nach innen in Richtung der Mittellängsachse der Einström-Bohrung gerichtet ist, durch welche das Kältemittel in die Umlenköffnung eintritt. Der Keilwinkel liegt besonders bevorzugt im Bereich von 180° - 2 x arctan [0,5 x Flachrohrtiefe / 0,5 x Grundseite Keil] bis 180°, wobei die Länge der Grundseite des Keils dem Abstand der Mittelebenen der Flachrohre entspricht (siehe Darstellung von Fig. 5).
  • Als Gleichverteilmittel kann auch jeweils mindestens ein Vorsprung im Bereich der Umlenköffnungen vorgesehen sein.
  • Bevorzugt sind an mindestens einem Blech, welches benachbart zum Blech mit den Umlenköffnungen angeordnet ist, d.h. insbesondere am Bodenblech oder am Anschlussblech, in die im Umlenkblech ausgebildeten Umlenköffnungen ragende Vorsprünge, Rippen, Noppen, Dorne ausgebildet oder angebracht, welche zusätzlich zur Vergleichmäßigung der Kältemittelverteilung auf die Kanäle der Flachrohre dienen. Hierbei ist bevorzugt mindestens ein Vorsprung je Umlenköffnung vorgesehen. Insbesondere im Falle von Rippen oder Noppen können auch mehrere Vorsprünge je Umlenköffnung vorgesehen sein, die besonders bevorzugt um die Mittellängsachse der Einström-Bohrung herum verteilt angeordnet sind. Die Verteilung ist besonders bevorzugt elliptisch oder ggf. auch kreisförmig. Die Rippen- oder Noppenlängen sind bevorzugt an den Abstand zur Eintrittsöffnung in das Flachrohr angepasst. Die Anordnungsdichte von Vorsprüngen, insbesondere von Rippen, ist bevorzugt im mittleren Bereich, d.h. dem flachrohrnahen Bereich, dichter als im übrigen Bereich. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann auch ein einziger Vorsprung in der Mittellängsachse der Einström-Bohrung an dem gegenüberliegenden Blech ausgebildet oder angebracht vorgesehen sein.
  • Vorzugsweise ist im Anschlussblech jeweils eine Einström-Bohrung mittig bezüglich der zugeordneten Einström-Umlenköffnung angeordnet. Die mittige Anordnung stellt eine gleichmäßige Verteilung sicher.
  • Ein als Gleichverteilmittel dienender Vorsprung oder Dorn kann auch durch einen eingesteckten Stift, vorzugsweise mit einer Spitze, insbesondere bevorzugt mit einer pyramidenförmigen oder konischen Spitze, als Gleichverteilmittel dienen, der in einen nicht oder nur teilweise genutzten Kanal eines Flachrohres angeordnet ist, insbesondere bevorzugt in der Mitte des Flachrohres, gebildet sein. Insbesondere in Verbindung mit einer entsprechend ausgestalteten, gegenüberliegenden Fläche und/oder der Seitenflächen lässt sich so auf einfache Weise eine Vergleichmäßigung der Verteilung des Mediums auf einzelne Kanäle eines Flachrohres erzielen, auch bei I-förmigen Umlenköffnungen oder Umlenköffnungen, an denen drei oder mehr Flachrohre enden.
  • Bein den Rohren handelt es sich vorzugsweise um Flachrohre, insbesondere bevorzugt um Mehrkammer-Flachrohre mit mehreren Kanälen. Sind zwei parallel zueinander angeordnete Flachrohre mit mehreren Kanälen vorgesehen, so ist mindestens einer der innen angeordneten Kanäle, insbesondere bevorzugt der mittlere Kanal, ungenutzt. Er wird bevorzugt vom Bodenblech abgedeckt. Alternativ können auch zwei mal zwei mit ihren Schmalseiten benachbarte, parallel zueinander angeordnete Flachrohre für eine Überströmöffnung vorgesehen sein.
  • Der freie Strömungsquerschnitt der Zuleitung, insbesondere des Einspritzrohres oder ggf auch eines Überströmrohres, verringert sich vorzugsweise in Strömungsrichtung, so dass auf alle Überströmöffnungen und nicht nur auf die einer Überströmöffnung zugeordneten Rohren eine gleichmäßige Kältemittelverteilung erfolgt.
  • Bevorzugt verringert sich der freie Strömungsquerschnitt mindestens einer Umlenköffnung in einem zweiten, unteren Sammler in einem Bereich in Verlängerung der Rohre, durch welche das Kältemittel aus dem Sammler ausströmt, so dass auch die luftanströmseitig angeordneten Rohre, insbesondere bei einer Mehrzahl von Kanälen, gleichmäßig mit Kältemittel beaufschlagt werden.
  • Entsprechende Ausgestaltungen der Einstrüm-Umlenköffnungen sind ferner im Anschluss an ein Überströmrohr, welches in Bezug auf den nachfolgenden Teil des Wärmetauschers als Einspritzrohr dient, möglich. Eine entsprechende Ausgestaltung kann auf für den umgekehrten Strömungsverlauf vorgesehen sein, d.h. beispielsweise für Ausström-Umlenköffnungen und Ausström-Bohrungen.
  • Besonders geeignet sind derartige Wärmetauscher für CO2, jedoch kann auch ein beliebiges anderes Kältemittel, bspw. R134a, verwendet werden.
  • Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Detailansicht einer Umlenköffnung in einem Umlenkblech eines Wärmetauschers in Plattenbauweise gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
    Fig. 2
    eine schematische Detailansicht einer Umlenköffnung in einem Umlenkblech eines Wärmetauschers in Plattenbauweise gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
    Fig. 3
    einen Schnitt quer durch den Sammelkasten eines Wärmetauschers gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel,
    Fig. 4
    eine schematische Detailansicht einer Umlenköffnung in einem Umlenkblech eines Wärmetauschers in Plattenbauweise gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel,
    Fig. 5
    eine schematische Detailansicht einer Umlenköffnung in einem Umlenkblech eines Wärmetauschers in Plattenbauweise gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel,
    Fig. 6
    eine schematische Detailansicht einer Umlenköffnung in einem Umlenkblech eines Wärmetauschers in Plattenbauweise gemäß dem dem Stand der Technik,
    Fig. 7
    eine perspektivische, schematische Ansicht eines Wärmetauschers in Plattenbauweise, in welchem die Umlenkbleche gemäß dem Beispiel von Fig. 6 dargestellt sind, mit Darstellung des Strömungsverlaufs,
    Fig. 8
    einen Schnitt durch ein Flachrohr, wie es im Wärmetauscher von Fig. 7 angeordnet ist,
    Fig. 9
    eine schematische Explosionsdarstellung eines Sammelkastens mit einem Umlenkblech entsprechend Fig. 6,
    Fig. 10
    eine Ansicht des Umlenkblechs mit Flachrohr des unteren Sammlers gemäß einer ersten Ausführungsform,
    Fig. 11
    eine Ansicht des Umlenkblechs mit Flachrohr des unteren Sammlers gemäß einer zweiten Ausführungsform, und
    Fig. 12
    eine Draufsicht auf ein Umlenkblech mit H-förmigen Umlenköffnungen gemäß dem Stand der Technik.
  • Ein Wärmetauscher in Plattenbauweise, vorliegend ein Verdampfer einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage, bei welcher vorliegend CO2 als Kältemittel verwendet wird, der also relativ hohen Drücken ausgesetzt ist, weist, wie in Fig. 7 dargestellt, ein Einlassrohr E, über welches das Kältemittel dem Verdampfer zugeführt wird, einen Sammler 1, gebildet durch ein Anschlussblech 2, ein Umlenkblech 3 und ein Bodenblech 4, eine Mehrzahl parallel zueinander angeordneten Mehrkammer-Flachrohren F, die mit ihren Enden in die im Bodenblech 4 vorgesehenen Langlöcher 5 ragen, und ein Saugrohr S, über welches das Kältemittel aus dem Verdampfer gelangt, auf. Die oberen Enden der Flachrohre F sind mittig durch einen Schlitz unterteilt (siehe Detaildarstellung von Fig. 9). Ferner sind die Langlöcher 5 mittig durch einen Steg unterteilt, welcher im zusammengesetzten Zustand in dem Schlitz der Flachrohre F positioniert ist, so dass jeweils ein Flachrohr zwei entgegengesetzt gerichtete Strömungswege für das Kältemittel, gebildet durch jeweils eine Mehrzahl von Kammern oder Kanälen, zur Verfügung stellt.
  • Der Kältemittelstrom wird auf eine Mehrzahl von Teilströmen aufgeteilt, die jeweils ausgehend von den Einström-Umlenköffnung in einer Hälfte des Flachrohres F strömend, den Verdampfer luftabströmseitig durchströmen. Im unteren Sammler 1', der ebenfalls durch drei Bleche gebildet ist, in diesem Fall durch ein außenseitig angeordnetes Abschlussblech 2', ein Umlenkblech 3' und ein Bodenblech 4', werden die Teilströme in der Tiefe durch Tiefen-Umlenköffnungen 10' umgelenkt, vorliegend ohne Austausch zwischen den einzelnen Flachrohren F, und strömen durch die andere, luftanströmseitig angeordnete Hälfte der Flachrohre F wieder nach oben zum oberen Sammler 1.
  • Das Anschlussblech 2, das Umlenkblech 3 und das Bodenblech 4 des oberen Sammlers 1 wie auch das Abschlussblech 2', das Umlenkblech 3' und das Bodenblech 4' des unteren Sammlers 1' sind jeweils flächig miteinander verlötet, wobei das Verlöten in einem Arbeitsgang mit dem Verlöten des gesamten Verdampfers erfolgt. Um die Rohre (Einlass- und Saugrohr) im Rahmen der Montage vor dem Verlöten des Verdampfers an dem Anschlussblech 2 zu fixieren, sind vorliegend an den Anschlussblech 2 Noppen (nicht dargestellt) ausgebildet, welche auf der Noppenseite nach oben überstehen und in entsprechend ausgebildeten Vertiefungen oder Bohrungen aufgenommen werden, die in den Rohren vorgesehen sind, so dass eine lagegenaue und einfache (Vor-)Fixierung im Rahmen der Montage möglich ist
  • Im Anschlussblech 2 des oberen Sammlers 1 sind ferner mehrere Einström-Bohrungen 7 vorgesehen, über welche das Kältemittel vom Einspritzrohr E kommend in den luftabströmseitigen Teil des oberen Sammlers 1 einströmen kann. Über entsprechende Ausström-Bohrungen 8, die luftanströmseitig im Anschlussblech 2 ausgebildet sind, gelangt das Kältemittel aus dem Sammler 1 in das Saugrohr S. Andere Aufteilungen, insbesondere Unterteilungen in der Breite, so dass bspw. ein oder mehrere Überströmrohre vorgesehen sind, und/oder Asymmetrien sind möglich, so dass der Verdampfer bspw. auch mehrere Blöcke, insbesondere auch mit unterschiedlichen Blockbreiten aufweisen kann.
  • Die Tiefen-Umlenköffnungen im Umlenkblech 3' sind vorliegend durch einfache Langlöcher gebildet, welche jeweils einem Flachrohr F zugeordnet sind. H-förmige, breitere, rechteckförmige Ausgestaltungen usw., um ein Vermischen benachbarter Kältemittelströme zu ermöglichen, sind ebenfalls möglich.
  • Um eine möglichst gleichmäßige Verteilung des Kältemittels auf alle Kanäle der Flachrohre im Anschluss an die Einspritz-Bohrungen 7 zu ermöglichen, sind die hiermit fluchtend angeordneten Einström-Umlenköffnungen im Umlenkblech 3 entsprechend den nachfolgen näher beschriebenen Ausführungsbeispielen mit Gleichverteilmitteln ausgebildet. Soweit nachfolgend nicht explizit erwähnt, entspricht die prinzipielle Ausgestaltung des Wärmetauschers der vorstehenden Beschreibung.
  • Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Einström-Umfenköffnung 10, wie schematisch in Fig. 1 dargestellt, im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet. Hierbei sind die Längsseiten des Rechtecks leicht nach außen bezüglich der Fluchtlinie der Außenkante der Flachrohre F versetzt, vorliegend um etwa die Flachrohrdicke. Die Kanten sind abgerundet, wobei auch hier der Radius der Abrundung um etwa eine Flachrohrdicke größer als der Radius der Schmalseiten der schmalseitig rund ausgebildeten Flachrohre F ist. Um mit einem einzigen Flachrohr eine Umlenkung in der Tiefe zu ermöglichen, ist der oder sind die mittleren Kanäle des Mehrkammer-Flachrohres vom Umlenkblech verdeckt, so dass durch diese kein Kältemittel strömt. Die Einström-Umlenköffnung 10 ist nur vor einem Teil der Kanäle der Flachrohre F angeordnet, Die Ausström-Umlenköffnungen im Umlenkblech 3 des oberen Sammlers 1 sind gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel entsprechend den Einström-Umlenköffnungen 10 ausgebildet. Prinzipiell wäre eine andere, bspw. eine größere Länge der Längsseiten der Ausström-Umklenköffnungen möglich, so dass entsprechend weniger Kanäle der Flachrohre für die Führung des Kältemittels zum unteren Sammler 1' als für die Rückführung zum oberen Sammler 1 zur Verfügung stehen, d.h. die Blocktiefen des Wärmetauschers unterscheiden sich.
  • Die Schmalseiten der Umlenköffnung 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel sind, wie in Fig. 1 dargestellt und im Unterschied zur Darstellung der Figuren 7 und 9, keilförmig nach innen gezogen, wobei der Keil leicht spitzwinklig, d.h. der Winkel etwas kleiner als 90°, ausgebildet ist. Die Keilspitzen liegen in einer Linie mit der Mittellängsachse der Einström-Bohrung 7, wobei der Abstand der Keilspitzen zur Mittellängsachse jeweils gleich groß ist. Der Übergang vom Keil zu den abgerundeten Kanten erfolgt derart, dass der Keil tangential am Krümmungskreis anliegt.
  • Um die Verteilung des Kältemittels weiter zu optimieren, sind eine Mehrzahl von sternförmig um die Mittellängsachse der Einström-Bohrung 7 angeordnete Rippen 11 vorgesehen, vorliegend am Anschlussblech 2. Alternativ oder ggf. auch zusätzlich, bspw. abwechselnd, können Rippen auch am Bodenblech vorgesehen sein.
  • Als Gleichverteilmittel gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel dient somit die Form der Umlenköffnung 10 als auch die Rippen 11 am Anschlussblech 2.
  • Gemäß dem zweiten, in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht die Gestalt der Einström-Umlenköffnung 10 derjenigen des ersten Ausführungsbeispiels. An Stelle von Rippen 11 sind dreieckförmige Noppen 12, hergestellt bspw. mittels Umformens, Auftragsschweißens oder Auflötens, am Anschlussblech 2 gleichmäßig um die Einström-Bohrung 7 herum angeordnet, vorliegend in elliptischer Gestalt. Die Spitzen der Noppen 12 zeigen in Richtung der Mittellängsachse der Einström-Bohrung 7. Als Gleichverteilmittel dienen somit sowohl die Gestalt der Umlenköffnung 10 als auch die Noppen 12.
  • Fig. 3 zeigt eine weitere Möglichkeit, um den Kältemittelstrom auf die einzelnen Kanäle der Flachrohre F möglichst gleichmäßig zu verteilen. Hierbei ist am Bodenblech 4 in der Mittellängsachse der Einström-Bohrung 7 ein Dorn 13 vorgesehen, vorliegend aufgesetzt, jedoch kann er auch mittels Umformens aus dem Material des Bodenblechs hergestellt sein. Als Gleichverteilmittel dienen somit sowohl die Gestalt der Umlenköffnung 10 als auch der Dorn 13.
  • Alternativ können auch Rillen oder Kanäle, Winglets, Noppen, Wölbungen o.ä. am Bodenblech und/oder Anschlussblech als Gleichverteilmittel vorgesehen sein.
  • Gemäß dem vierten, in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind vorliegend keine speziellen Maßnahmen am Anschlussblech 2 oder Bodenblech 4 vorgesehen. Die Umlenköffnung 10 entspricht der des ersten Ausführungsbeispiels, d.h. die Schmalseiten sind keilförmig nach innen gezogen. Der Keilwinkel θ beträgt ca. 80°. Somit dient als Gleichverteilmittel in diesem Fall ausschließlich die Gestalt der Umlenköffnung 10, jedoch können gemäß Varianten auch weitere Gleichverteilmittel vorgesehen sein. Die Grundseite des Keils ist in der Zeichnung mit KS bezeichnet. Im Zusammenhang mit diesem Text kann unter KS (Grundseite Keil) insbesondere auch der Abstand von Flachrohrmitte zur (benachbarten) Flachrohrmitte verstanden werden.
  • Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Umlenköffnung 10, gemäß dem der Keilwinkel θ auf ca. 45° verkleinert ist, d.h. die Keile ragen weiter zur Mittellängsachse der Einström-Bohrung 7 als beim ersten Ausführungsbeispiel.
  • Fig. 6 zeigt ein Beispiel nach dem Stand der Technik bei dem keine Keile vorgesehen sind, d.h. die Schmalseiten der Umlenköffnung 10 sind gerade verlaufend ausgebildet und der Keilwinkel θ entspricht 180°, so dass die Umlenköffnung 10 abgerundet rechteckförmig ist.
  • Das Ausführungsbeispiel der Figur 5 kann natürlich mit den im Rahmen der Ausführungsbeispiele 1, 2 und 3 beschriebenen und in diesem Zusammenhang erwähnten Maßnahmen ergänzt werden.
  • Zusätzliche Maßnahmen zur Vergleichmäßigung der Kältemittelverteilung, d.h. dass jedem Flachrohr im Wesentlichen der gleiche Anteil an flüssigem Kältemittel zugeführt werden kann, sind möglich. Insbesondere kann der Querschnitt, d.h. der hydraulische Durchmesser, des Einspritzrohres in Strömungsrichtung gesehen verringert werden, wobei eine Querschnittsverringerung im Bereich von 5 bis 90% vorgesehen sein kann. Dabei soll über die gesamte Länge des Einspritzrohres die gleiche Strömungsform vorliegen, vorzugsweise eine Ringströmung. Der Querschnitt des Einspritzrohres kann beliebig sein, insbesondere rund, D-förmig, oval oder eckig. Die Querschnittsfläche kann dadurch verringert werden, dass das Rohr in Strömungsrichtung gesehen immer mehr zusammengedrückt ausgebildet ist.
  • Alternativ oder in Verbindung mit einem veränderlichen Einspritzrohr-Strömungsquerschnitt können auch die Einspritz-Bohrungen mit unterschiedlichen Durchmessern ausgebildet sein oder durch Einsätze der Querschnitt variiert werden.
  • Eine weitere Verbesserung der Temperaturverteilung über die Verdampferfläche ergibt sich durch Maßnahmen, d.h. das Vorsehen von Gleichverteilmitteln, im unteren Sammler 1'. Hierfür kann, wie in den Figuren 10 und 11 dargestellt, der freie Strömungsquerschnitt der Umlenköffnung 10' in Strömungsrichtung des Kältemittels gesehen im Bereich des Teils des Flachrohres F, durch welchen das Kältemittel ausströmt, kontinuierlich, wie in Fig. 10 dargestellt, oder stufenförmig, wie mit einer Stufe in Fig. 11 dargestellt, verringert werden. Abwandlungen sind möglich. Die Querschnittsverringerung kann ggf. auch durch Einsätze erfolgen. Ebenfalls ist ein Einsatz, ein Vorsprung am benachbarten Abschlussblech, bspw. hergestellt mittels Umformens, oder ein Materialverbleib in der Umlenköffnung auf der Seite des Abschlussblechs möglich, welcher ebenfalls den freien Strömungsquerschnitt in Strömungsrichtung des Kältemittels verringert.

Claims (13)

  1. Wärmetauscher in Plattenbauweise, insbesondere Verdampfer, mit mindestens einem Sammler (1), der mindestens zwei aneinander anliegenden, insbesondere miteinander verlöteten Blechen (2, 3, 4) aufweist, und einer Mehrzahl von mit dem Sammler (1) verbundener, von einem Medium durchströmbarer Flachrohre (F), wobei in mindestens einem Blech (3) Umlenköffnungen (10) ausgebildet sind, die in Verlängerung jeweils mindestens zweier Rohre (F) angeordnet sind, wobei mindestens ein Gleichverteilmittel für das Medium im Bereich der Umlenköffnungen (10) vorgesehen ist, welches eine Vergleichmäßigung der Verteilung des Medienstroms auf die Flachrohre (F) bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass als Gleichverteilmittel die Umlenköffnungen (10) abgerundet rechteckförmig mit keilförrnig nach innen gezogenen Seiten ausgebildet sind.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Seiten des Rechtecks mit keilförmig nach innen gezogenen Seiten die Schmalseiten sind.
  3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Keilwinkel ein spitzer Winkel ist, und/oder im Bereich zwischen 180° - 2 x arctan [Flachrohrtiefe/Grundseite Keil] und 180° liegt.
  4. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als ein Glelchvertellmittel mindestens ein Vorsprung vorgesehen ist, der Einströmrichtung des Mediums gerichtet ist.
  5. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als ein Gleichverteilmittel an mindestens einem Blech (2, 4), welches benachbart zum Blech (3) mit den Umlenköffnungen (10) angeordnet ist, in die Umlenköffnungen (10) ragende Vorsprünge, Rippen (11), Noppen (12), Dome (13) ausgebildet oder angebracht sind.
  6. Wärmetauscher nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Vorsprüngen vorgesehen ist, die um die Mittellängsachse einer zugeordneten Einström-Bohrung (7) herum verteilt angeordnet sind, und/oder dass ein einziger Vorsprung in der Mittellängsachse der Einström-Bohrung (7) vorgesehen ist.
  7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge strahlenförmig um die Mittellängsachse der zugeordneten Einström-Bohrung (7) herum angeordnet sind.
  8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Enden der Vorsprünge elliptisch um die Mittellängsachse der zugeordneten Einström-Bohrung (7) herum angeordnet sind.
  9. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorsprung in Verlängerung eines mittleren, nicht oder nur teilweise vom Medium durchströmbaren Kanal eines Flachrohres angeordnet ist.
  10. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein der zwei aneinander anliegenden Blechen das Anschlussblech ist und im Anschlussblech (2) jeweils eine Einström-Bohrung (7) mittig bezüglich der zugeordneten Einström-Umlenköffnung (10) angeordnet ist.
  11. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre Flachrohre (F) sind, wobei zwei Mehrkammer-Flachrohre (F) mit einem oder mehreren ungenutzten innen angeordneten Kanälen oder zwei mal zwei mit ihren Schmalseiten benachbarte, parallel zueinander angeordnete Flachrohre für eine Überströmöffnung (10) vorgesehen sind.
  12. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu mindestens einem Gleichverteilmittel der freie Strömungsquerschnitt der Zuleitung sich in Strömungsrichtung verringert.
  13. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als ein Gleichverteilmittel sich der freie Strömungsquerschnitt mindestens einer Umienköffnung (10') in einem zweiten, unteren Sammler (1') sich in einem Bereich in Verlängerung der Rohre, durch welche das Kältemittel aus dem Sammler (1') ausströmt, verringert.
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