DE69219107T2

DE69219107T2 - Verdampfer

Info

Publication number: DE69219107T2
Application number: DE69219107T
Authority: DE
Inventors: Gregory Gerald Hughes
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 1992-03-31
Filing date: 1992-06-25
Publication date: 1997-08-07
Anticipated expiration: 2012-06-26
Also published as: BR9202784A; ATE151861T1; CA2072218A1; JP3585506B2; AU1931092A; MX9204455A; KR930020135A; AU651535B2; KR100227881B1; EP0563471B1; DE69219107D1; US5205347A; TW218035B; JPH05296606A; EP0563471A1; AR247018A1; ES2099795T3; US5295532A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf Wärmetauscher und, genauer gesagt, auf Verteilerköpfe, die in Wärmetauschern verwendet werden. Sie bezieht sich ferner auf eine Wärmetauscherkonstruktion, die besonders in einem Verdampfer von Nutzen ist.
Viele konventionelle Wärmetauscher, in denen die Umgebungsluft als eines der Wärmetauscherfluids verwendet wird, besitzen einander gegenüberliegende Verteilerköpfe, die durch Rohre miteinander verbunden sind. Im Normalfall sind Rippen zwischen den Rohre angeordnet. Luft wird im allgemeinen in Querrichtung durch die Rohre und die Rippen geleitet.
Ein Maßstab für das Vermögen solcher Wärmetauscher, eine gegebene Wärmemenge innerhalb einer bestimmten Zeitspanne auszutauschen, ist die wirksame Vorderfläche eines Wärmetauschers Diese Fläche ist gleich der lotrecht dem Luftstrom ausgesetzen Gesamtfläche des Wärmetauschers abzüglich des Teiles dieser Fläche, der üblicherweise von den Verteilerköpfen und/oder Sammelbehältern eingenömmen wird. Typischerweise besteht diese Fläche aus dem sogenannten "Kern", der im Wesentlichen aus einer Anordnung von Rohren und Rippen des Wärmetauschers besteht.
In einigen Anwendungsfällen spielen Maßbeschränkungen keine Rolle, so dass man den Kern in ausreichender Größe herstellen kann, um die gewünschte Vorderfläche zu erhalten, ohne auf das zusätzlich für die Sammelbehälter und/oder Verteilerköpfe benötigte Volumen Rücksicht nehmen zu müssen. In anderen Anwendungsfällen steht jedoch nur eine bestimmte Fläche zur Aufnahme des gesamten Wärmetauschers zur Verfügung. In diesen Fällen müssen die Ausmaße des Kerns so groß wie möglich gewählt werden, um die größtmögliche Wärmeaustauschleistung zu erzielen. Wegen der räumlichen Begrenzung wird gleichzeitig das Volumen der Sammelbehälter und/oder Verteilerköpfe die Größe des Kerns und dadurch die Wärmeaustauschleistung begrenzen.
Ein typischer Anwendungsfall, in dem räumliche Begrenzungen zu berücksichtigen sind, ist der Einbau in Fahrzeuge. Wegen den im letzten Jahrzehnt gestiegenen Bestrebungen, Fahrzeuge mit verbesserten aerodynamischen Eigenschaften mit einem niedrigeren Luftwiderstandsbeiwert zu produzieren, verringerte sich die an der Frontseite der Fahrzeuge für Wärmetauscher wie Heizkörper, Kühler, Verdampfer, Ölkühler usw. zur Verfügung stehende Fläche. Zusätzlich waren die Fahrzeughersteller bestrebt, das Gewicht der verschiedenen in Fahrzeugen verwendeten Komponenten zu verringern, um die Kraftstoffausnutzung zu verbessern und hiervon wurden auch die Wärmetauscher nicht ausgenommen.
In jüngster Zeit wurden auch Bestrebungen verstärkt, das Problem des Entweichens von Fluorchlorkohlenwasserstoffen, auch FCKW genannt, und anderer potentiell gefährliche Gase in die Atmosphäre zu lösen. Eine mögliche Ursache einer Luftverschmutzung durch FCKW ist der Austritt von Kühlmittel aus Klimaanlagen. Es ist einsichtig, dass man durch Verringerung des Kühlmittelfüllvolumens einer Dampfkompressions- oder Klimaanlage die Folgen eines Lecks in einem solchen System und ein dadurch verursachtes Entweichen von FCKW in die Atmosphäre verringern kann, weil ein solches System weniger FCKW enthält.
Ein anderer Aspekt, der bei Klima- oder Kühlanlagen berücksichtigt werden muss, ist der Wirkungsgrad des Verdampfers wie er typischerweise in Dampfkompressions- Kühlanlagen eingesetzt wird. Nur zu oft weichen die lokalen Temperaturen des Fluidstroms, der quer zur Hinterfläche des Verdampfers fließt, erheblich voneinander ab. Dies zeigt einen geringen Wirkungsgrad der Wärmeübertragung an, von der man doch eine möglichst gleichmäßige Temperatur des zwischen den einzelnen Aggregaten des Verdampfers entweichenden Luftstroms erwartet. Eine solche Gleichmäßigkeit ist gleichbedeutend mit gleichmäßigen Temperaturunterschieden und einer guten Wärmeübertragungsleistung.
Es wurde schon lange darauf hingewiesen, dass diese Temperaturunterschiede durch eine ungenügende Verteilung des Kühlmittels innerhalb des Verdampfers verursacht werden. Teile des Verdampfers, die mehr Kühlmittel erhalten, kühlen mehr ab als solche, die weniger erhalten. Im Bestreben, bessere Verteilungssysteme zu entwickeln, hat man viele Versuche unternommen, um eine gleichmäßige Kältemittelverteilung über die vielen Verdampferdurchgänge zu erzielen. Während solche Verteiler in einer Anzahl von Fällen gut arbeiten, erfordern sie eine aufwendige Konstruktion, die potentielle Anwender abschreckt.
EP-A-0414433 beschreibt einen Doppelwärmetauscher mit zwei Wärmetauschereinheiten&sub1; die eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Rohren enthalten. Die entgegengesetzten Enden jeder Rohre sind an ein Paar Verteilerköpfe angeschlossen, die damit in Fluidverbindung stehen. Die Einlass- und Auslassverbindungselemente sind jeweils am Ende des jeweiligen Verteilerkopfs befestigt und ein Überleitrohr verbindet die anderen Enden dieser Verteilerköpfe.
Hauptaufgabe der Erfindung ist es, einen neuen und verbesserten Verdampfer für ein Kühlmittel zu realisieren. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Verdampfer zu schaffen, der das Kühlmittel innerhalb des Verdampfers einwandfrei verteilt und damit eine hohe Wärmeaustauschleistung eines Verdampfungsverfahrens ermöglicht, und welcher einfach herzustellen ist, um einen kostengünstigen Verdampfer zu erhalten.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Verdampfer für ein Kältemittel vorgesehen, mit mindestens zwei langgestreckten Reihen von Kühlmitteldurchgängen mit einander gegenüberliegenden Enden, von denen die erste Reihe die Vorderseite des Verdampfers und die letzte Reihe die Rückseite des Verdampfers bildet, mit Mitteln, die mindestens vier langgestreckte Verteilerkopfdurchgänge bilden, und zwar zwei für jede Reihe, vor denen eine an jedem Ende jeder Reihe und in Fluidverbindung mit den Kühlmitteldurchgängen der zugeordneten Reihe ist, wobei die Verteilerkopfdurchgänge an den betreffenden Enden der Reihen einander benachbart und die Kopfdurchgange in derselben Reihe im Wesentlichen dieselbe Länge besitzen, mit einem Einlass an einem der Verteilerkopfdurchgänge in der letzten Reihe und an dessen Mitte, mit einem Auslass an einem anderen der Verteilerkopfdurchgänge in der ersten Reihe und an einer Mitte, und mit mindestens einem Fluiddurchgang zwischen Paaren jeder der verbleibenden Verteilerkopfdurchgänge und im Wesentlichen an dessen Mitte, wobei jedes Paar aus zwei einander unmittelbar benachbarten Verteilerkopfdurchgängen besteht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Einlass einen Durchgang für die Aufnahme des Kühlmittels, der sich im allgemeinen lotrecht zur Aufprallfläche erstreckt und der für die Aufnahme eines zu verdampfenden Kühlmittels geeignet ist. Ein Paar im Abstand von 180º angebrachter Auslassöffnungen am Schnittpunkt der Aufprallfläche und des Aufnahmedurchgangs erstreckt sich im allgemeinen in Querrichtung zum Aufnahmedurchgang. Die Entnahmeöf fnungen sind nach unten auf die gegenüberliegenden Enden eines der Verteilerkopfdurchgänge ausgerichtet.
Bei einer Ausführungsform sind die Verteilerkopfdurchgänge durch Rohre begrenzt. Alternativ können die Verteilerkopfdurchgänge durch eine geschichtete Anordnung ausgebildet sein.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform besitzt jeder der Fluiddurchgänge einen Auslass von einem Verteilerkopf eines Paars und einen Einlass von dem Verteilerkopf eines anderen Paars. Jeder dieser Einlässe besitzt zwei diametral entgegengesetzt angeordete Entnahmeöf fnungen zwischen den Enden des zugehörigen Verteilerkopfdurchgangs und ist nach unten auf die entgegengesetzten Seiten des letzteren ausgerichtet.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform befindet sich der Einlass am Mittelpunkt eines Verteilerkopfdurchgangs.
Es ist ferner besonders bevorzugt, die Fluiddurchgänge als Paar zwischen den Mittelpunkten der Verteilerkopfdurchgänge vorzusehen.
Die Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Kühlen eines Fluidstrom vor, das die folgenden Schritte aufweist:
(a) Fließen lassen des zu kühlenden Fluidstromes längs eines bestimmten Weges und in einer bestimmten Richtung,
(b) Anordnen wenigstens zweier langgestreckter Reihen von Kühlmitteldurchgängen quer zu diesem Weg,
(c) Einbringen von Kühlmittel in die Kühlmitteldurchgänge einer Reihe, die hinsichtlich der besonderen Richtung stromabwärts von der Mitte der stromabwärtigen Reihe aus zu wenigstens ihrem einen Ende hin liegt,
(d) Sammeln des Kühlmittels so wie es aus den Kühlmitteldurchgängen der stromabwärtigen Reihe an der Mitte der stromabwärtigen Reihe austritt und dessen Einführen in die Kühlmitteldurchgange in die unmittelbare stromaufwärtige Reihe an der Mitte und zu wenigstens ihrem einen Ende hin,
(e) Aufeinanderfolgendes Wiederholen der Schritte (c) und (d), bis das Kühlmittel alle Reihen durchströmt hat, und
(f) Sammeln des Kühlmittels, wenn es aus der am weitesten stromaufwärtigen Reihe an deren Mitte austritt.
Weitere Ziele und Vorteile gehen aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen hervor. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben, worin:
Figur 1 eine Prinzipskizze der Konstruktion eines erfindungsgemäßen Hochleistungsverdampfers mit einem bevorzugten Durchflussweg ist;
Figur 2 eine auseinandergezogene Darstellung des Hochleistungsverdampfers mit einer geschichteten Verteilerkopfkonstruktion ist;
Figur 3 eine Draufsicht einer modifizierten Ausführungsform einer Sammel- und Verteilerplatte ist, die in der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform verwendet werden kann;
Figur 4 ein Seitenaufriss einer modifizierten Ausführungsform des Hochleistungsverdampfers ist, in dem Rohre als Verteilerköpfe eingesetzt sind;
Figur 5 ein Seitenaufriss eines Einlassflanschs ist, der in einer der Ausführungsformen der Erfindung verwendbar ist;
Figur 6 ein Seitenaufriss des Einlassflanschs von seiner Unterseite aus ist; und
Figur 7 ein Ansicht ähnlich Figur 2, jedoch einer modifizierten Ausführungsform der Erfindung ist.
In Figur 1 ist ein Mehrdurchgangs-Hochleistungsverdampfer dargestellt. Während dieser als Zweidurchgangs-Verdampfer beschrieben wird, sollte davon ausgegangen werden, dass die zusätzlichen Durchgänge bei Bedarf hinzugefügt werden können. Der Aufbau des ersten Durchganges ist allgemein mit der Zahl 10 bezeichnet, während der Aufbau des zweiten Durchganges mit der Zahl 12 bezeichnet ist. Das zu kühlende Fluid, nomalerweise Luft, durchströmt den Verdampfer in der Richtung des Pfeils 14. Die Seite 16 des zweiten Durchganges 12 begrenzt also die Vorderseite des Vedampfers, während die Seite 18 des Durchganges 10 die Hinterseite des Verdampfers begrenzt.
Allgemein gesagt besteht jeder der Durchgänge 10 und 12 aus einer Vielzahl langgestreckter Rohre 20, die nebeneinander und parallel zu Kühlschlangen 22 auf der Luftseite zwischen nebeneinander liegenden Rohren 20 angeordnet sind. Typischerweise, aber nicht immer, sind die Kühlschlangen 22 mit Kühlschlitzen versehen, besonders in Fällen, in denen das zu kühlende Fluid sich in einer Gasphase und nicht in der Flüssigphase befindet.
Der Durchgang 10 besitzt einen oberen Verteilerkopf, der schematisch bei 24 dargestellt ist, und einen unteren Verteilerkopf, der schematisch bei 26 dargestellt ist. Der zweite Durchgang 12 besitzt einen oberen Verteilerkopf 28 sowie einen unteren Verteilerkopf 30.
Am Mittelpunkt des oberen Verteilerkopfs 24 des ersten Durchgangs 10, der natürlich der stromabwärtige Durchgang ist, befindet sich ein bei 32 gezeigten Kühlmitteleinlass. Der obere Verteilerkopf 28 des zweiten Durchgangs 12 besitzt einen Auslass 34. Ein Kühlmitteldurchgang, schematisch bei 36 gezeigt, stellt die Fluidverbindung zwischen dem unteren Verteilerkopf 26 des ersten Durchgangs 10 und dem unteren Verteilerkopf 30 des zweiten Durchgangs 12 her. Es ist besonders zu beachten, dass der Einlass 32, der Auslass 34 und der Durchgang 36 zwischen Punkten nahe der Enden der entsprechenden Verteilerköpfe 24, 26, 28 und 30 liegen, vorzugsweise an den Mittelpunkten der entsprechenden Verteilerköpfe.
Der Einlass 32 besitzt einen einfachen Verteiler, der schematisch bei 38 gezeigt ist und die Aufgabe hat, das eingebrachte Kühlmittel in die diametral gegenüberliegende Richtung zu den entgegengesetzten Enden des Verteilerkopfs 24 fließen zu lassen, wie dies durch die Pfeile 44 gezeigt ist. Dieses Kühlmittel fließt abwärts durch die Rohre 20, wie dies durch die Pfeile 44 angedeutet ist. Obwohl die Pfeile 44 dicht bei den Enden des ersten Durchgangs 10 dargestellt sind, wird sich dieser Strömungsverlauf über den gesamten Durchgang 10 von einem Ende zum anderen ergeben.
Beim Erreichen des unteren Verteilerkopfs 26 des ersten Durchgangs 10 fließt das Kühlmittel innerhalb des Verteilerkopfs 26 in Richtung der Pfeile 46 und 48 zur Mitte des Verteilerkopfs 26 und des Fluiddurchgangs 36.
Bei Erreichen des Fluiddurchgangs 36 fließt das Kühlmittel dann von dem unteren Verteilerkopf 26 zum unteren Verteilerkopf 30. In einigen, aber nicht in allen Fällen endet der Durchgang 36 innerhalb des Verteilerkopfs 30 in einem Verteiler 50. Der Verteiler 50, wenn vorhanden, funktioniert in gleicher Weise wie der Verteiler 38 und leitet das Kühlmittel in diametral gegenüberliegnde Richtungen zu entgegengesetzten Enden des Verteilerkopfs 30, wie dies durch die Pfeile 52 und 54 gezeigt ist. Das Kühlmittel fließt dann aufwärts durch die Rohre 20 über die gesamte Weite des Durchgangs 12 zum oberen Verteilerkopf 28. Dieser Strömungsverlauf ist durch die Pfeile 56 dargestellt und erneut ist besonders zu beachten, dass sich dieser Strömungsverlauf über den gesamten Durchgang 12 erstreckt und nicht nur durch die endnahen Rohre 20.
Beim Erreichen des oberen Verteilerkopfs 28 für den Durchgang 12 fließt das Kühlmittel in Richtung auf dessen Mitte, wie durch die Pfeile 58 und 60 angedeutet, um aus dem Auslass 34 wieder auszutreten.
Man hat festgestellt, dass ein Mehrdurchgangsverdampfer mit einem Durchflussverlauf wie oben beschrieben einen ausgezeichneten Wirkungsgrad ermöglicht. Die erzielbare Gleichmäßigkeit der Temperaturen von einem Punkt der Vorderseite 18 zu einem anderen ist hervorragend, was den ausgezeichneten Wirkungsgrad unterstreicht. Praktische Versuche mit einer Ausführungsform der Erfindung haben deren bedeutende Überlegenheit gegenüber anderen Konstruktionen nach dem Stand der Technik sowie gegenüber nicht dem Stand der Technik entsprechenden experimentellen Konstruktionen nachgewiesen.
Auch ein Niedrigprof ilverdampfer kann wie in Figur 2 dargestellt konstruiert werden. Genauer gesagt werden die oberen Verteilerköpfe 24 und 28 aus einer einfachen Struktur bestehen wie die oberen Verteilerköpfe 26 und 30. Weiterhin wird jeder Verteilerkopf aus mehreren schichtförmig angeordneten miteinander verlöteten Platten typischerweise aus Aluminium bestehen. Die oberen Verteilerköpfe 24 und 28 können daher aus drei, optional aus vier Platten bestehen, einschließlich einer Abdeckplatte 70, einer Verteilerkopfplatte 72 und einer Rohrplatte 74. Bei einer optionalen Ausführung kann man eine Halteplatte 76 verwenden. Die Abdeckplatte 70 und die Rohrplatte 74 liegen auf der Verteilerkopfplatte 72 sowie, falls vorhanden, auf der Halteplatte 76 auf.
Die unteren Verteilerköpfe 26 und 30 sind durch drei, wahlweise durch vier Platten begrenzt, einschließlich einer Abdeckplatte 80, einer Verteilerkopfplatte 82 und einer Rohrplatte 84, die mit der Rohrplatte 74 identisch sein kann. Wahlweise eingeschlossen ist eine Halteplatte 86, die mit der Halteplatte 76 identisch sein kann. Bei der bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich die Rohre 20 zwischen den Rohrplatten 74 und 84 in zwei oder mehr Reihen und sie besitzen Kühlschlangen 22, die zwischen benachbarten Rohren 20 in der gleichen Reihe und/oder gleichen Endstücken 88, die wie bekannt, die Enden des Kerns begrenzen, angebracht sind. Die Enden der Rohre 20 sind satt anliegend innerhalb der ineinanderpassenden Öffnungen 90 der Rohrplatten 74 und 84 eingepasst und darin verlötet Die Rohre 20 sind somit typischerweise ebenfalls aus Aluminium gefertigt.
Die Halteplatten 76 und 86 besitzen eine Vielzahl von Öffnungen 92, welche innerhalb des Gesamtaufbaus auf die Öffnung 90 in den Rohrplatten 74 und 84 ausgerichtet sind. Die Halteplatten 76 und 86 befinden sich in den dazugehörigen Verteilerköpfen, seitlich von diesen in einem Abstand zu den Rohren 20 und die Öffnungen 92 sind typischerweise von gleicher Form und Größe wie der Querschnitt der Innenseite der Rohre 20. Mit anderen Worten, die Öffnungen 92 werden um die Außenmaße der Rohre 20 kleiner sein, und zwar um die Wandstärke der Rohre 20. Die Halteplatten 76 und 86 haben, wie noch dargelegt werden wird, lediglich die Funktion, die Rohre in der richtigen Lage zu halten. Zur Materialeinsparung können daher die Halteplatten 76 und 86 viel dünner ausgeführt sein als zum Beispiel die Rohrplatten 74 und 84.
Wenn die Halteplatten 76 und 86 ordnungsgemäß angebracht sind, wird man davon ausgehen können, dass zwar die Enden der Rohre 20 in die Rohrplatten 74 und 84 hineinreichen, die Rohrplatten 74 und 84 jedoch nicht passieren können, weil sie von den Halteplatten 76 und 86 aufgrund der reduzierten Größe der darin befindlichen Öffnungen 92 blockiert werden. In vielen Fällen ist jedoch die Verwendung der Halteplatten 76 und 86 nicht erforderlich und man kann daher auf diese verzichten.
Zurückkommend auf die Abdeckplatte 70, enthält diese eine Einlassöffnung 96 und eine Auslassöf fnung 98. Ein kombinierter Einlassflansch/Verteiler 100, der wie der Verteiler 38, der in Zusammenhang mit der Figur 1 beschrieben worden ist, sowie als Verbindungspunkt für Rohre, die einen Teil des Kühlsystems bilden, funktioniert, ist in der Öffnung 96 angeordnet und darin verlötet Ein Auslassflansch 102 befindet sich in der Öffnung 98.
Die Verteilerkopfplatte 72 enthält zwei langgestreckte Ausschnitte 104 und 106, die mit den Öffnungen 90 fluchten, die ihrerseits in einer Vielzahl von Reihen liegen, die in gleicher Anzahl wie die und fluchtend mit den Reihen der Rohre 20 liegen. Die durch die Pfeile 40 und 42 angedeutete Strömung gemäß Figur 1 verläuft also im Ausschnitt 104, während der durch die Pfeile 58 und 60 dargestellte Strömungsverlauf im Ausschnitt 106 stattfindet. Die Ausschnitte 104 und 106 dienen daher jeweils der Herstellung der Fluidübertragung zwischen Einlass 96 und Auslass 98 und den offenen Enden der Rohre 20 in zwei benachbarten Reihen.
Die Verteilerkopfplatte 82 enthält ein Paar langgestreckter Ausschnitte 108 und 110, die jeweils auf die zwei Reihen von Öffnungen 90 ausgerichtet sind und zwei verschiedene Durchgänge bilden. Eine mittlere Trennwand 112 trennt die Ausschnitte 108 und 110 voneinander und besitzt eine Mittelöffnung 114, welche als Durchgang 36 dient, wie dies in Figur 1 dargestellt ist. Der vorher beschriebene und durch die Pfeile 46 und 48 gezeigte Strömungsverlauf findet im Ausschnitt 108 statt, während die Strömung vom ersten Durchlauf zum zweiten Durchlauf durch die mittige Öffnung 114 fließt, wie dies durch den Pfeil 116 dargestellt ist. Die durch die Pfeile 52 und 54 angedeutete Strömung findet im Ausschnitt 110 statt. Die Abdeckplatte 80 dient natürlich der Abdichtung der Seite der Verteilerkopfplatte 82 auf der Gegenseite der Rohrplatte 84.
In manchen Fällen kann es wünschenswert sein, das aus dem Durchgang 114 austretende Kühlmittel in entgegengesetze Enden des unteren Verteilerkopfes 30 des zweiten Durchgangs zu leiten. In einem solchen Fall kann man die in Figur 3 dargestellte Verteilerkopfplatte 120 durch die Verteilerkopfplatte 82 ersetzen. Diese Verteilerkopfplatte besitzt langgestreckte Kanäle 122 und 124, die in etwa den Ausschnitten 108 und 110 der Verteilerkopfplatte 82 entsprechen. Sie sind jedoch etwas schmaler und, um einen freien Austritt aus oder Eintritt in darauf ausgerichtete Rohrenden zu ermöglichen, sind an den Stellen, an denen die Ausrichtung auf die Rohre erfolgt, Kerben 126 vorgesehen. In einigen Fällen können die Kerben 126 in Größe und Form mit dem Inneren der Rohre 20 identisch sein. Die so entstehenden Öffnungen sind also klein genug, dass die Rohrenden die Kanäle 122 und 124 nicht passieren können, und es es daher möglich, auf die Halteplatte 86 zu verzichten.
Um den Fluiddurchgang 114 zu ermöglichen, ist die Platte 120 mit einem zentralen Durchgang 128 versehen, welcher die Kanäle 122 und 124 miteinander verbindet. Die Platte 120 besitzt einander gegenüberliegende Vorsprünge 130 und 132 auf entgegengesetzten Seiten des Durchgangs 128, und zwar an ihrem Schnittpunkt mit dem Kanal 122. Ähnliche Vorsprünge 134 und 136 befinden sich am Schnittpunkt des Fluiddurchgangs 128 im Kanal 124, welche zusammen entgegengesetzte Auslassöffnungen 138 und 140 bilden, die sich in Richtung auf einander entgegengesetzte Enden des Kanals 124 öffnen und die Struktur des Verteilers 50 bilden (Figur 1). Bei Anwendung der Platte 120 ergibt sich daher eine Zwischendurchgangs- Verteilerkonstruktion.
Figur 4 stellt eine alternative Ausführungsform dar, in welcher die verschiedenen Verteilerköpfe aus zylindrischen Rohren bestehen. Die Vorderseite des Verdampfers ist bei 150 und die Rückseite bei 152 dargestellt. Die Luft strömt in Richtung des Pfeils 154. Ein Einlassverteilerkopf 156 besitzt einen Einlassflansch 100. Eine Vielzahl parallel angeordneter Rohre 158 erstreckt sich von dem Einlassverteilerkopf 156 bis zu einem Verteilerkopf 160, welcher dem Verteilerkopf 26 in Figur 1 entspricht. Dem Verteilerkopf 160 ist ein anderer Rohrverteilerkopf 162 benachbart, welcher dem Verteilerkopf 30 in Figur 1 entspricht, und ein mittig angeordnetes Zwischenrohr 164 verbindet die Verteilerköpfe 160 und 162 an ihren Mittelpunkten und bildet so den Durchgang 36 (Figur 1).
Flachrohre 166 erstrecken sich von dem Verteilerkopf 162 bis zu einem rohrförmigen Auslassverteilerkopf 168, der mit einem Auslassflansch 102 versehen ist. Kühlschlangen sind, wie in der Technik bekannt, zwischen den Rohren 158 und 166 angeordnet und die Anordnung ähnelt normalerweise der Konstruktion, welche allgemein im U.S.- Patent 4,829,780 beschrieben ist, das am 16. Mai 1989 an Hughes et al. erteilt wurde, dessen Details hiermit als Quelle einbezogen werden. Eine bevorzugte Form des Einlassflanschs 100 ist in Figuren 5 und 6 dargestellt. Wie man sieht, enthält dieser einen im allgemeinen axialen Durchgang 170, der sich von dem mit einem Gewinde versehenen Ende 172 des Flanschs 100 zu einem radialen Durchgang 174 erstreckt, nahe benachbart einem Ende 176 des Flanschs 100 gegenüber dessen mit einem Gewinde versehenen Endes. Wie aus den Figuren 5 und 6 ersichtlich, hat der radiale Durchgang 174 die Form eines flachen Ovals und bjldet so eine Aufprallfläche 178 für den axialen Durchgang 170. Es ist auch, besonders aus Figur 5, zu erkennen, dass der radiale Durchgang 174 größer ist als der axiale Durchgang 170 und in einander entgegengesetzten Öffnungen 180 mündet, die sich diametral gegenüberstehen.
Wenn der Flansch 100 an dem Rohr 156 oder der Abdeckplatte 70 montiert wird, treten die Öffnungen 180 und 182 in den Ausschnitt 104 oder das Innere des rohrförmigen Verteilerkopfes 156 ein, und zwar mit dem radialen Durchgang 174 parallel zur Längsachse desselben. Die Öffnungen 180 und 182 werden daher auf die entgegengesetzten Enden der Verteilerkopfanordnungen ausgerichtet, in die sie eintreten, und erlauben so den Durchfluss von Kühlmittel und dessen Verteilung wie durch die Pfeile 40 und 42 angedeutet (Figuren 1 und 2).
Mit Bezug auf die Figur 7 wird nun eine modifizierte Ausführungsform des Verdampfers beschrieben. Allgemein gesagt stellen Verdampfer, die das in Zusammenhang mit Figur 1 beschriebene Durchflußschema verwenden, bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar. Bei Anwendung des in Figur 7 dargestellten Durchflußschemas können jedoch ebenfalls bessere Ergebnisse erzielt werden als dies mit konventionellen Verdampf ern möglich ist.
Der Kürze halber sind in der folgenden Beschreibung der Figur 7 die vorbeschriebenen Komponenten mit den gleichen Bezugszahlen versehen und sie werden nur in dem Maße erneut beschrieben, wie es erforderlich ist, um die Funktionsweise der in Figur 7 gezeigten Ausführungsform ausreichend darzulegen.
Der in Figur 7 dargestellte Verdampfer kann einen Kern besitzen, einschließlich von Rohrplatten 74 und 84 mit Flachrohren 20 und Kühlschlangen 22, die sich dazwischen in der vorbeschriebenen Weise erstrecken. Es sind also zwei Reihen der Rohre 20 vorhanden.
Ein oberer Verteilerkopf für den Verdampfer besitzt die Rohrplatte 74, eine Verteilerkopfplatte 190 und eine Abdeckplatte 192. Ein unterer Verteilerkopf wird durch die Rohrplatte 84, eine Verteilerkopfplatte 194 und eine Abdeckplatte 80, die mit der im Zusammenhang mit Figur 2 beschriebenen identisch ist&sub1; begrenzt. Halteplatten (nicht dargestellt) können falls gewünscht verwendet werden. Die dem oberen Verteilerkopf zugeordnete Abdeckplatte 192 besitzt eine Einlassöffnung 194 und eine Auslassöffnung 196. Im Unterschied zu den Öffnungen 96 und 98 in der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform mit zwei verschiedenen zugeordneten Reihen von Rohren 20 sind die beiden in der in Figur 7 gezeigten Ausführungsform dargestellten Öffnungen 194 und 196 auf die hinterste Reihe der Rohre 20 ausgerichtet. Die Einlass- und Auslassflansche 198 und 200 können in jeder gewünschten Konstruktion jeweils innerhalb der Öffnungen 194 und 196 an die Abdeckplatte 192 angelötet werden.
Die Verteilerkopfplatte 190 besitzt vier Ausschnitte 202, 204, 206 und 208. Die Ausschnitte 202, 204, 206 und 208 sind von langgestreckter Form, aber sie erstrecken sich nur über die Hälfte der Länge des Verteilerkopfes 190. Weiterhin sind die Vertiefungen 202 und 204 durch eine Rippe 210 voneinander getrennt und so angeordnet, dass sie über den Rohröffnungen 92 liegen, welche die hintersten Reihen der Rohre 20 in der Richtung der Luftströmung aufnehmen.
Die Ausschnitte 202 und 206 liegen nebeneinander, sind jedoch durch eine Rippe 212 voneinander getrennt. In gleicher Weise trennt eine Rippe 214 die Ausschnitte 204 und 208. Die Ausschnitte 206 und 208 fluchten und überlagern die Rohröffnungen 92 in der Rohrplatte 74, die ihrerseits auf die vorderste oder stromaufwärtige Reihe der Rohre 20 ausgerichtet ist, gesehen in Richtung des durch den Pfeil 14 angedeuteten Lufstromes. Eine unterbrochene Rippe 216 trennt die Ausschnitte 206 und 208 und die unterbrochene Rippe 216 funktioniert praktisch in fast der gleichen Weise wie die einander gegenüberliegenden Vorsprünge 134 und 136, die in Zusammenhang mit der Verteilerkopfplatte 120 beschrieben worden sind. Sie erlauben eine gerichtete Strömung vom Ausschnitt 206 zum Ausschnitt 208.
Die Verteilerkopfplatte 194 besitzt zwei U-förmige Ausschnitte 220 und 222. Der Ausschnitt 220 hat einen Arm 224, der unter den Rohröffnungen 92 für die stromabwartige Reihe der Rohre 20 liegt, deren entgegengesetzte Enden in die Vertiefung 202 münden. Der andere Arm 226 des Ausschnitts 220 ist auf die Rohröffnungen 92 in der stromaufwärtigen Reihe der Rohre 20 ausgerichtet, deren einander entgegengesetzte Enden in den Ausschnitt 206 münden.
Die Bucht 228 des Ausschnitts 220 ermöglicht natürlich eine Fluidverbindung zwischen den Armen 224 und 226.
Ein Arm 230 des U-förmigen Ausschnitts 222 ist auf die Rohre 20 in der stromabwärtigen Reihe ausgerichtet, welche auch in den Ausschnitt 204 münden, während der andere Arm 232 in die Rohre 20 in der stromaufwärtigen Reihe mündet, die ebenfalls im Ausschnitt 208 münden. Die Bucht 234, welche die Arme 230 und 232 verbindet, ermöglicht die Fluidverbindung zwischen den beiden.
Aus dem vorhergehenden ist zu entnehmen, dass, wie aus Figur 7 ersichtlich, das Kühlmittel von der Hinterseite zur linken Vorderseite des Verdampfers fließt und von der rechten Vorderseite zurück zur rechten Seite des Verdampfers. Genauer gesagt tritt das schematisch mit dem Pfeil 240 bezeichnete Kühlmittel in den oberen Verteilerkopf, begrenzt durch die Platten 74, 190 und 192, an der Öffnung 194 ein, die sich in der Nähe von dessen Mitte befindet, und wird in Richtung des Pfeils 242 zu dessen Ende geführt. Das Kühlmittel fließt abwärts durch die linke Hälfte der stromabwartigen Reihe der Rohre 20 wie durch den Pfeil 244 angedeutet zum Arm 224 des Ausschnitts 220. Innerhalb des Arms 224 fließt das Kühlmittel im allgemeinen in der Richtung des Pfeils 246 und über die Bucht wie durch den Pfeil 248 angedeutet, und dann innerhalb des Arms 226 in der durch den Pfeil 250 angedeuteten Richtung. Hierdurch wird das Kühlmittel verteilt und fließt durch die Rohre 20 in deren stromaufwärtiger Richtung zur linken Hälfte des Verdampfers, wie das durch den Pfeil 252 angedeutet ist. Das so fließende Kühlmittel wird im Ausschnitt 206 gesammelt und fließt dann im allgemeinen in der Richtung des Pfeils 254 durch die unterbrochene Rippe 216 wie durch den Pfeil 256 angedeutet, von wo der Strom veranlasst wird, in den Ausschnitt 208 einzutreten, um im allgemeinen in Richtung des Pfeil 258 zu fließen.
Das Kühlmittel tritt dann in die stromaufwärtigen Reihen der rechten Rohre 20 ein und fließt dann nach unten durch solche Rohre in Richtung des Pfeils 260, um in den Arm 232 der Vertiefung 222 einzutreten. Im Arm 232 strömt es in Richtung des Pfeils 262 zur Bucht 234. Innerhalb der Bucht 234 fließt es in Richtung des Pfeils 264 zum Arm 230, wo es dann in der Richtung des Pfeils 266 weiterfließt Hierbei wird es natürlich in die rechte Hälfte der stromabwärtigen Reihe der Rohre 20 eintreten und dann innerhalb dieser Rohre in Richtung des Pfeils 268 nach oben fließen, um in den Ausschnitt 204 einzutreten, im weiteren Verlauf wird es in Richtung des Pfeils 270 zur Auslassöf fnung 196 und zum Auslassflansch 200 fließen, und aus diesem in Richtung des Pfeils 272 austreten.
Vorzugsweise sollten sich die Rohre zwischen den Verteilerköpfen der verschiedenen Ausführungsformen in eine Vielzahl von Durchgängen mit relativ kleinem hydraulischem Durchmesser verzweigen. Typischerweise werden geeignete Rohre hydraulische Durchmesser in einem Bereich zwischen 0,015 bis 0,070 inches aufweisen, obwohl präzise Maße in gewissem Umfang von anderen Parametern abhängen, einschließlich, aber nicht beschränkt von der Wahl des Kühlmittels Solche Rohre können nach der in der U.S.-Patentschrift 4,688,311 beanspruchten und am 25.8.1987 an Saperstein et al. erteilten "Method Of Making A Heat Exchanger" ("Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers") hergestellt werden, dessen Details hiermit als als Quelle einbezogen werden. Alternativ kann es nützlich sein, Rohre mit flachem Querschnitt und einzelnen Durchgängen mit einem relativ kleinen hydraulischen Durchmesser nach dem Strangpressverfahren herzustellen.
Versuche haben gezeigt, dass sich ein erfindungsgemäßer Verdampfer mit zwei Durchgängen durch hervorragende Wärmeaustauschwerte auszeichnet, die die von gegenwärtig in Klimaanlagen für Automobile eingesetzten sogenannten Kühlschlangenverdampfern erzielten Werte erreichen oder übertreffen. Typische Kühischlagenverdampfer haben eine Einbautiefe, die 50 % größer ist als ein erfindungsgemäßer Verdampfer und der luftseitige Druckabfall ist in diesen Verdampfern rund 30 % höher als in einem erfindungsgemäßen Verdampfer. Es ist davon auszugehen, dass gleiches auch für andere Arten von Verdampfern gilt wie stranggepressten oder Rundrippenverdampfern aus Blech. Aus diesem Grund benötigt ein erfindungsgemäßer Verdampfer wegen seiner geringeren Tiefe weniger Platz und er wird im allgemeinen wegen seiner geringeren Größe leichter sein als Verdampfer bekannter Technik. Es ist weithin anerkannt, dass ein leichteres Gewicht einen bedeutenden Beitrag zur Kraftstoffeinsparung leistet.
Hinzu kommt, dass man im Fall eines verminderten luftseitigen Druckabfalls in einer in einem Kraftfahrzeug eingebauten Klimaanlage einen kleineren Motor für den Ventilator einsetzen kann, der den Luftstrom durch den Verdampfer erzeugt. Durch Verwendung eines kleineren Motors lassen sich Kosten und, was noch wichtiger ist, Energie und damit Kraftstoff einsparen. Andere ähnliche Vorteile, die sich durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verdampfers ergeben, sind in der Fachwelt bekannt.

Claims

1. Verdampfer für ein Kältemittel, mit mindestens zwei langgestreckten Reihen von Kühlmitteldurchgängen mit einander gegenüberliegenden Enden, von denen die erste Reihe die Vorderseite des Verdampfers und die letzte Reihe die Rückseite des Verdampfers bildet, mit Mitteln, die mindestens vier langgestreckte Verteilerkopfdurchgänge bilden, und zwar zwei für jede Reihe, vor denen eine an jedem Ende jeder Reihe und in Fluidverbindung mit den Kühlmitteldurchgängen der zugeordneten Reihe ist, wobei die Verteilerkopfdurchgänge an den betreffenden Enden der Reihen einander benachbart und die Kopfdurchgänge in derselben Reihe im Wesentlichen dieselbe Länge besitzen, mit einem Einlass an einem der Verteilerkopfdurchgange in der letzten Reihe und an dessen Mitte, mit einem Auslass an einem anderen der Verteilerkopfdurchgange in der ersten Reihe und an einer Mitte, und mit mindestens einem Fluiddurchgang zwischen Paaren jeder der verbleibenden Verteilerkopfdurchgänge und im Wesentlichen an dessen Mitte, wobei jedes Paar aus zwei einander unmittelbar benachbarten Verteilerkopfdurchgängen besteht.

2. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass einen Aufnahmedurchgang, der sich im Wesentlichen lotrecht zu einer Aufprallfläche erstreckt und ein zu verdampfendes Kühlmittel aufnimmt, und ein Paar Entnahmeöf fnungen aufweist, die um 180 º voneinander entfernt und am Schnittpunkt der Aufprallfläche und des Aufnahmedurchganges angeordnet sind und sich im Wesentlichen quer zum Aufnahmedurchgang erstrecken, wobei die Entnahmeöffnungen nach unten zu gegenüberliegenden Seiten des einen Verteilerkopfdurchganges verlaufen.

3. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerkopfdurchgänge durch Rohre gebildet sind.

4. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerkopfdurchgänge durch Lamellierungen gebildet sind.

5. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Fluiddurchgang einen Auslass von einem Verteilerkopfdurchgang eines Paares und einen Einlass zum anderen Verteilerkopfdurchgang eines Paares aufweist und dass jeder Einlass zwei diametral gegenüberliegende Entnahmeöffnungen zwischen den Enden des zugeordneten Verteilerkopfdurchganges besitzt und zu dessen gegenüberliegenden Seiten nach unten weist.

6. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass am Mittelpunkt des einen Verteilerkopfdurchganges ist.

7. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluiddurchgänge sich zwischen den Mittelpunkten der Verteilerkopfdurchgänge paarweise ertrecken.

8. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass durch einen Flansch gebildet ist, der eine axialen Durchgang, der in einer ebenen Fläche endet, und einen radialen Durchgang besitzt, der in gegenüberliegenden Entnahmeöffnungen endet, wobei die ebene Fläche Teil der Wand der radialen Durchgänge ist.

9. Verdampfer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Durchgang einen abgeflachten Querschnitt besitzt.

10. Verdampfer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des radialen Durchganges größer ist als die Breite des axialen Durchganges.

11. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühimitteldurchgänge durch Rohre gebildet sind und dass die Rohre einer Reihe getrennt von den Rohren der anderen Reihe sind.

12. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Verteilerkopfdurchgang in einem geschichteten Verteilerkopf gebildet ist, der eine Verteilerkopfplatte mit einem Verteilerkopfdurchgang, eine Abdeckplatte, die an der Verteilerkopfplatte an deren einen Seite anliegt und mit dieser dichtend verbunden ist, und eine Rohrplatte an der anderen Seite der Verteilerkopfplatte, die damit dicht verbunden ist, aufweist, wobei die Rohrplatte eine Vielzahl von Rohraufnahmeöffnungen besitzt, die mit dem Verteilerdurchgang fluchten und mit diesem in Fluidverbindung sind, dass eine Vielzahl Rohre offene Enden besitzen, wobei die Enden der Rohre in den Öffnungen dichtend aufgenommen sind, und dass Haltemittel an der Zwischenfläche von Rohrplatte und Verteilerkopfplatte Haltef lächen aufweisen, die mit den Rohren in jeder Öffnung verbindbar sind, um zu verhindern, dass das zugeordnete Rohr sich nicht durch seine zugeordnete Öffnung in der Rohrplatte in den Verteilerkopfdurchgang hinein erstrecken kann.

13. Verdampfer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass jede Haltefläche von einer Schulter gebildet ist, die sich mindestens teilweise über eine Kerbe oder Öffnung erstreckt, wobei die Kerbe oder Öffnung die Form und Größe der Aussenabmessung des entsprechenden Rohres abzüglich der Wanddicke des betreffenden Rohres besitzt.

14. Verdampfer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteflächen durch eine Halteplatte gebildet sind, die zwischen der Verteilerkopfplatte und der Rohrplatte angeordnet ist.

15. Verdampfer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteflächen durch Teile der Fläche der Verteilerkopfplatte, die der Rohrplatte zugewandt ist, gebildet sind.

16. Verfahren zum Kühlen eines Fluidstromes, enthaltend folgende Schritte:

(a) Fließen lassen des zu kühlenden Fluidstromes längs eines bestimmten Weges und in einer bestimmten Richtung,

(b) Anordnen wenigstens zweier langgestreckter Reihen von Kühlmitteldurchgängen quer zu diesem Weg,

(c) Einbringen von Kühlmittel in die Kühlmitteldurchgänge einer Reihe, die hinsichtlich der besonderen Richtung stromabwärts von der Mitte der stromabwärtigen Reihe aus zu wenigstens ihrem einen Ende hin liegt,

(d) Sammeln des Kühlmittels so wie es aus den Kühlmitteldurchgängen der stromabwartigen Reihe an der Mitte der stromabwärtigen Reihe austritt und dessen Einführen in die Kühlmitteldurchgänge in die unmittelbare stromaufwärtige Reihe an der Mitte und zu wenigstens ihrem einen Ende hin,

(e) Aufeinanderfolgendes Wiederholen der Schritte (c) und (d), bis das Kühlmittel alle Reihen durchströmt hat, und

(f) Sammeln des Kühlmittels, wenn es aus der am weitesten stromaufwärtigen Reihe an deren Mitte austritt.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte (c), (d) und (f) in der Weise durchgeführt werden, dass Verteilerköpfe in Fluidverbindung mit den Kühlmitteldurchgängen in diesen Reihen verwendet werden.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (c) das Einführen von Kühlmittel in diametral gegenüberliegende Richtungen enthält.

19. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (d) das Einführen des Kühlmittels in diametral gegenüberliegende Richtungen enthält.

20. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt (f) das Rückführen des Kühlmittels in die stromabwärtige Reihe in einem Strom, der vom aus den Schritten (c), (d) und (e) resultierenden Kühlmittelstrom isoliert ist, enthält.

21. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte (c) und (d) das Einführen des Kühlmittels in diametral gegenüberliegende Richtungen enthält.