DE69709263T2 - Air conditioning condenser for vehicles - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Kondensator für Klimaanlagen für Fahrzeuge.The present invention relates to a condenser for air conditioning systems for vehicles.
Genauer bezieht sich die Erfindung auf einen Kondensator des sogenannten Baukasten-Typs, umfassend mindestens eine Reihe Röhren, die an einer Reihe im Wesentlichen flacher Rippen befestigt sind, und zwar durch mechanische Ausdehnung der Röhren, nachdem sie in fluchtende Löcher in den Rippen eingesetzt worden sind.More particularly, the invention relates to a capacitor of the so-called modular type, comprising at least one row of tubes secured to a row of substantially flat fins by mechanical expansion of the tubes after they have been inserted into aligned holes in the fins.
Kondensatoren für Fahrzeug-Klimaanlagen bilden wegen der harten Betriebsbedingungen, denen sie unterworfen sind, eine ganz besondere Klasse von Wärmetauschern. Die Drücke im Inneren der Röhren können Werte in Höhe von 30 bar erreichen, bevor ein Sicherheitssystem durch Abschalten des Systems eingreift. Die Betriebstemperaturen des Kondensators erreichen Spitzenwerte von 120-143ºC. Diese Betriebsbedingungen unterscheiden im Wesentlichen die strukturellen Charakteristika eines Kondensators von jenen anderer Wärmetauscher-Typen, die in einem Fahrzeug vorhanden sind.Condensers for vehicle air conditioning systems are a very special class of heat exchangers because of the harsh operating conditions they are subjected to. The pressures inside the tubes can reach values of 30 bar before a safety system intervenes by shutting down the system. The operating temperatures of the condenser reach peak values of 120-143ºC. These operating conditions essentially differentiate the structural characteristics of a condenser from those of other types of heat exchangers present in a vehicle.
Kondensatoren, die mittels Schweißlöt-Montagetechniken hergestellt wurden, verwenden Röhren mit einer Mehrzahl an Mikroröhren, die durch Wände oder Rippen getrennt sind, welche es der Röhre ermöglichen, harten Betriebsbedingungen zu widerstehen, ohne eine permanente Verformung oder Schäden mit einem Austreten von Kühlflüssigkeit nach außen zu erleiden. Obwohl Kondensatoren dieses Typs in Hinblick auf das Wärmetauscher- Leistungsvermögen und die optimale Konstruktionsfestigkeit bestmögliche Leistungen erbringen, haben sie den Nachteil sehr hoher Kosten.Condensers manufactured using braze-weld assembly techniques use tubes with a plurality of microtubes separated by walls or fins, which allow the tube to withstand harsh operating conditions without suffering permanent deformation or damage with leakage of coolant to the outside. Although condensers of this type offer the best possible performance in terms of heat exchanger performance and optimum structural strength, they have the disadvantage of being very expensive.
Baukasten-Kondensatoren sind kostengünstiger als schweißgelötete, haben jedoch im Allgemeinen eine geringere Wärmetauscheffizienz. Dies liegt hauptsächlich an der Tatsache, dass das Baukastenprinzip Röhren mit kreisförmigem Querschnitt anwendet, deren stabile Form es ihnen ermöglicht, den im System vorhandenen hohen Druckpegeln zu widerstehen. Die Form der Röhren hemmt jedoch die Wärmetauschleistung des Kondensators in hohem Maß.Modular condensers are less expensive than brazed ones, but generally have lower heat exchange efficiency. This is mainly due to the fact that the modular principle uses tubes with a circular cross-section, whose stable shape allows them to withstand the high pressure levels present in the system. However, the shape of the tubes greatly inhibits the heat exchange performance of the condenser.
Das Dokument EP-A-0 633 435 des Anmelders beschreibt einen Baukasten-Kondensator mit Röhren mit länglichem Querschnitt. Röhren diesen Typs verbessern die Leistungen des Kondensators in Bezug auf die Wärmetauscheffizienz beträchtlich. Röhren mit länglichem Querschnitt verursachen jedoch Schwierigkeiten in Hinblick auf die Konstruktionsfestigkeit. Das zuvor erwähnte Dokument EP-A-0 633 435 löst das Problem der geringeren Konstruktionsfestigkeit von Röhren mit länglichem Querschnitt im Vergleich zu Röhren mit kreisförmigem Querschnitt mittels der Anwendung bestimmter Abmessungen der gesamten Baugruppe von Röhrenrippen.The applicant's document EP-A-0 633 435 describes a modular condenser with tubes of elongated cross-section. Tubes of this type considerably improve the performance of the condenser in terms of heat exchange efficiency. However, tubes of elongated cross-section cause difficulties in terms of structural strength. The aforementioned document EP-A-0 633 435 solves the problem of the lower structural strength of tubes of elongated cross-section compared to tubes of circular cross-section by applying certain dimensions of the entire assembly of tube fins.
Die Konstruktion des in diesem Dokument beschriebenen Wärmetauschers erzielte optimale Versuchsergebnisse und kann den normalen, während der Verwendung in einem Fahrzeug auftretenden thermischen und mechanischen Belastungen widerstehen.The design of the heat exchanger described in this document has achieved optimal test results and can withstand the normal thermal and mechanical stresses encountered during use in a vehicle.
Tests haben jedoch gezeigt, dass es noch kritische Punkte in Hinblick auf die Konstruktionsfestigkeit gibt, insbesondere wenn der Kondensator Labortests unterzogen wird, die härtere Belastungsbedingungen als jene, die normalerweise während der Verwendung des Kondensators in einem Fahrzeug entstehen, hervorrufen.However, testing has shown that there are still critical issues with regard to design strength, particularly when the capacitor is subjected to laboratory tests that impose more severe loading conditions than those normally encountered during use of the capacitor in a vehicle.
Insbesondere haben Labortests das Vorhandensein von Schwachpunkten gezeigt, die insbesondere als Resultat von Stoßdruck-Belastungstests nachgeben könnten. Ein typischer Test dieser Art sieht vor, dass der Kondensator auf eine Temperatur von etwa 100ºC gebracht wird und die Röhren vom Inneren durch einen Druck belastet werden, der wechselweise zwischen 5 und 30 bar bei einer Frequenz in Höhe von 0,5-3 Hz variabel ist.In particular, laboratory tests have shown the presence of weak points that could give way, particularly as a result of shock-pressure stress tests. A typical test of this type involves bringing the capacitor to a temperature of around 100ºC and subjecting the tubes to a pressure that varies from 5 to 30 bar at a frequency of 0.5 to 3 Hz.
Die DE-A-41 22 904 offenbart Ölkühler für Kraftfahrzeuge, die eine Reihe flacher Röhren umfassen. Zickzackförmige wärmeableitende Metalltafeln sind beispielsweise durch Löten zwischen nebeneinanderliegenden Röhren dieser Reihe verbunden. Auf jeder Seite dieser Röhrenreihe ist eine Überbrückungsröhre vorgesehen, welche einen kreisförmigen Querschnitt haben kann. Diese Überbrückungsröhren haben einen Querschnitt, der größer, vorzugsweise in einem beträchtlichen Ausmaß größer ist als der gesamte Querschnitt der ganzen Reihe flacher Röhren und bilden einen alternativen Kreislauf zum Umgehen dieser Röhrenreihe bei tiefen Temperaturen, wenn das Öl so dick wird, dass es kaum durch die flachen Röhren der Reihe fließen kann.DE-A-41 22 904 discloses oil coolers for motor vehicles comprising a series of flat tubes. Zigzag-shaped heat-dissipating metal plates are connected, for example by soldering, between adjacent tubes of this series. On each side of this series of tubes there is provided a bridging tube which may have a circular cross-section. These bridging tubes have a cross-section which is larger, preferably to a considerable extent larger, than the total cross-section of the entire series of flat tubes and form an alternative circuit for bypassing this series of tubes at low temperatures when the oil becomes so thick that it can hardly flow through the flat tubes of the series.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung von Verbesserungen an den Baukasten-Kondensatoren, die Röhren mit länglichem Querschnitt haben, wodurch die Risiken, dass sie nachgeben, selbst bei Stoßdruck-Testbedingungen ausgeschaltet oder reduziert werden.The aim of the present invention is to provide improvements to modular capacitors having tubes with an elongated cross-section, thereby eliminating or reducing the risks of their failure, even under shock pressure test conditions.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieses Ziel durch einen Wärmetauscher mit den den Gegenstand des angeschlossenen Anspruchs bildenden charakteristischen Eigenschaften erreicht.According to the present invention, this object is achieved by a heat exchanger having the characteristic properties forming the subject matter of the appended claim.
Genauer gesagt, es wurde festgestellt, dass bei Stoßdruck-Belastungstests die Röhren an den Enden der Reihe die Punkte mit der größten Wahrscheinlichkeit des Nachgebens bilden.More specifically, it was found that during shock loading tests, the tubes at the ends of the row were the points with the greatest probability of yielding.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden zwecks Überwindung dieses Problems an den Enden der Reihe Röhren mit kreisförmigem Querschnitt und im inneren Teil der Reihe Röhren mit länglichem Querschnitt verwendet.According to the present invention, in order to overcome this problem, tubes with a circular cross-section are used at the ends of the row and tubes with an elongated cross-section are used in the inner part of the row.
Wegen dieser charakteristischen Eigenschaft wird an den Enden der Röhre eine größere Konstruktionsfestigkeit der Baugruppe von Röhrenrippen erzielt, und zwar wegen dem größeren inneren Widerstand gegenüber einer radialen Verformung von Röhren mit kreisförmigem Querschnitt.Due to this characteristic, a greater structural strength of the tube fin assembly is achieved at the ends of the tube due to the greater internal resistance to radial deformation of tubes with a circular cross-section.
Weitere charakteristische Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Laufe der nachfolgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich, welche rein anhand eines nicht einschränkenden Beispiels dargelegt ist, u.zw. unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen, in welchen:Further characteristics and advantages of the present invention will become apparent in the course of the following detailed description, which is given purely by way of non-limiting example, with reference to the accompanying drawings, in which:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kondensators ist,Fig. 1 is a schematic perspective view of a capacitor according to the invention,
Fig. 2 eine schematische perspektivische Ansicht des Kondensators der Fig. 1 ist, undFig. 2 is a schematic perspective view of the capacitor of Fig. 1, and
Fig. 3 ein Grundriss eines Endbereichs des Kondensators ist.Fig. 3 is a plan view of an end portion of the capacitor.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ist ein Kondensator für Fahrzeug-Klimaanlagen mit 10 bezeichnet. Der Kondensator 10 umfasst eine Reihe Röhren 12, von denen jede in eine Aufeinanderfolge fluchtender Löcher 26 (Fig. 3) eingefügt ist, welche durch im Wesentlichen flache Rippen 14 gebildet sind, die zwecks Bildung einer Reihe übereinandergelagert sind. Die Verbindung zwischen den Röhren 12 und den Rippen 14 wird erzielt durch mechanische Ausdehnung der Röhren, nachdem diese mit kleinem Zwischenraum durch die fluchtenden Löcher der Rippen eingeführt worden sind. Die Enden der Röhren, die aus der Rippenreihe 14 ragen, sind an die jeweiligen Verteilröhren 16 und 18 schweißgelötet.Referring to the drawings, a condenser for vehicle air conditioning systems is designated 10. The condenser 10 comprises a series of tubes 12, each of which is inserted into a succession of aligned holes 26 (Fig. 3) formed by substantially flat fins 14 superimposed to form a series. The connection between the tubes 12 and the fins 14 is achieved by mechanical expansion of the tubes after they have been inserted with a small gap through the aligned holes of the fins. The ends of the tubes protruding from the row of fins 14 are brazed to the respective distribution tubes 16 and 18.
Experimentelle Tests der Konstruktionsfestigkeit haben gezeigt, dass die an den Enden der Reihe angeordneten Röhren dem Risiko zu brechen eher ausgesetzt sind, insbesondere bei Vorhandensein eines pulsierenden internen Drucks, welcher eine Ermüdungsbelastung des Systems verursacht.Experimental tests of structural strength have shown that the tubes located at the ends of the array are more at risk of breaking, especially in the presence of pulsating internal pressure causing fatigue loading of the system.
Erfindungsgemäß werden an den Enden der Reihe die Röhren 12a und 12b mit kreisförmigem Querschnitt verwendet, um die Konstruktionsfestigkeit der Baugruppe von Röhrenrippen zu erhöhen. Die im inneren Teil der Reihe gelegenen verbleibenden Röhren 12 haben zwecks Erzielung guter Wärmetauscheigenschaften des Kondensators einen länglichen (beispielsweise ovalen) Querschnitt.According to the invention, tubes 12a and 12b with a circular cross-section are used at the ends of the row in order to increase the structural strength of the tube-fin assembly. The remaining tubes 12 located in the inner part of the row have an elongated (for example oval) cross-section in order to achieve good heat exchange properties of the condenser.
Experimentelle Tests haben gezeigt, dass die Röhren mit kreisförmigem Querschnitt die Unterstützung der umgebenden Rippen nicht benötigen, um dem internen Druck zu widerstehen. Durch die Verwendung von Röhren mit kreisförmigem Querschnitt anstatt von Röhren mit länglichem Querschnitt an den Enden der Reihe werden daher die Festigkeitseigenschaften erreicht, die notwendigen sind, um die anspruchvollsten Tests ohne Bedarf an zusätzlichen seitlichen Rückhaltesystemen zu bestehen. Diese Lösung besitzt auch den Vorteil einer beträchtlichen Stabilität sowie einer guten Konstruktionsfestigkeit.Experimental tests have shown that the circular cross-section tubes do not require the support of the surrounding ribs to resist the internal pressure. By using circular cross-section tubes instead of elongated cross-section tubes at the ends of the row, the strength characteristics necessary to pass the most demanding tests without the need for additional lateral restraint systems are therefore achieved. This solution also has the advantage of considerable stability as well as good structural strength.
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