[0001] Die Erfindung betrifft ein Koaxialrohr oder eine Rohr-in-Rohr-Anordnung gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1.
[0002] Aus der
EP 1 202 016 A2 ist ein einstückiges Wärmetauscherrohr mit einem Mehrkammer-Profil bekannt, gemäß
dem um einen Zentralkanal mehrere Außenkanäle vorgesehen sind. Die Außenkanäle sind
durch Zwischenwände, die in radialer Richtung verlaufen, unterteilt. An der Wandung
des Zentralkanals sind wellenartige Vorsprünge vorgesehen, die sich geringfügig in
den Zentralkanal hinein erstrecken. Diese Vorsprünge dienen der Verringerung der Querschnittsfläche
und somit der Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit. Die Vorsprünge können auch schraubenförmig
ausgebildet sein, wobei konstante, sich ändernde oder wechselnde Steigungen vorgesehen
sein können. Der Innenkanal wird bei diesem Wärmetauscherrohr als Hochdruckseite,
die Außenkanäle als Niederdruckseite verwendet.
[0003] Ein Beispiel einer Verwendung eines zweiteiligen Koaxialrohrsystems, bestehend aus
einem Außenrohr und einem in das Außenrohr eingeschobenen Innenrohr, für eine Klimaanlage,
insbesondere eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage, ist aus der
DE 199 44 951 A1 bekannt. Hierin sind wendelförmige Stege, weiche die Außenkanäle voneinander trennen,
sowie das Vorsehen von Turbulenzelementen an den Stegen offenbart.
[0004] Aus der
US 6,098,704 B2 ist eine Rohr-in-Rohr-Anordnung bekannt, wobei sowohl das Außenrohr als auch das
Innenrohr eine Vielzahl in äquidistanten Abständen über den Umfang verteilter, in
radialer Richtung ein kurzes Stück nach innen zeigender Rippen aufweist, die eine
keilartige Gestalt halben. Diese Rippen dienen hierbei dem Korrosionsschutz, so dass
die Rohrwand zwischen den beiden Medien geschützt und die Lebensdauer der Rohr-in-Rohr-Anordnung
verlängert wird.
[0005] Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes
Koaxialrohr zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Koaxialrohr
oder eine Rohr-in-Rohr-Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen
sind Gegenstand der Unteransprüche.
[0006] Erfindungsgemäß ist ein Koaxialrohr oder eine Rohr-in-Rohr-Anordnung für die getrennte
Leitung mindestens zweier Medien, wobei es sich vorzugsweise um Kältemittel handelt,
vorgesehen, wobei bei dem Koaxialrohr oder der Rohr-in-Rohr-Anordnung mindestens ein
und in einer Querschnittsfläche vorzugsweise maximal sechzehn, besonders vorzugsweise
maximal zwölf Turbulenzerzeuger vorgesehen sind, der bzw. die im inneren Bereich des
Innenrohres angeordnet sind. Die Turbulenzerzeuger bewirken, dass die Grenzschicht
an der Wandung des Innenrohres gestört und dadurch verringert wird, wodurch der Wärmeaustausch
und dadurch die Leistung des Wärmetauschers verbessert wird. Durch eine verbesserte
Leistungsdichte eines Wärmetauschers lässt sich derselbe bei gleicher Leistung kleiner
bauen, wodurch sich das Gesamtgewicht, der Materialbedarf und somit die Kosten des
Koaxialrohres bzw. der Rohr-in-Rohr-Anordnung verringert. Bevorzugt sind hierbei die
Turbulenzerzeuger im Hochdruckbereich angeordnet, welcher üblicherweise im inneren
Bereich vorgesehen ist. Es ist jedoch auch eine verdrehte Anordnung von Hoch- und
Niederdruckbereich möglich, d.h. der Niederdruckbereich ist innen, der Hochdruckbereich
außen angeordnet.
[0007] Der Begriff "Rohr" ist im Folgenden sehr weit auszulegen und bezieht sich nicht nur
auf runde Querschnitte, sondern insbesondere auch ovale, abgerundet rechteckförmige
oder auch beliebige andere Querschnitte. Beim Rohr kann es sich auch um zwei ineinander
angeordnete Rohre handeln, die keine direkten Verbindungen aufweisen (Rohr-in-Rohr-Anordnung).
Hierbei können jedoch auch positionierende Elemente für das Innenrohr im Außenrohr
vorgesehen sein, wie beispielsweise am Außen- und/oder Innenrohr vorgesehene, radial
nach innen beziehungsweise außen vorstehende Rippen, um gegebenenfalls eine koaxiale
Anordnung sicherzustellen. Die Anordnung des Innenrohres oder des inneren Bereichs
im Außenrohr ist vorzugsweise koaxial, muss es jedoch nicht sein, so dass auch außermittige
Anordnungen möglich sind. Ebenso können auch mehrere Innenrohre vorgesehen sein, die
mittels mehrerer Hülsen angeschlossen werden. Das Innenrohr kann auch mit dem Außenrohr
in den Kontaktbereichen verlötet oder auf andere Weise mit demselben verbunden sein.
[0008] Der Turbulenzerzeuger wird bevorzugt durch eine in Längsrichtung des Koaxialrohres
bzw. der Rohr-in-Rohr-Anordnung verlaufende Wendel gebildet. Bei der Wendel handelt
es sich insbesondere bevorzugt um eine Rundrohrwendel, wobei zwischen Wendel und Innenwand
ein Spalt vorgesehen ist. Die Differenz des Innendurchmessers des Innenrohres und
der Wendelbreite beträgt bevorzugt 0,2 bis 1 mm, so dass die Wendel sich im Falle
eines Biegens des Rohres nicht verklemmt. Die Wendel erstreckt sich bevorzugt nicht
über die gesamte Länge des Rohres, sondern ist insbesondere ca. 20 mm kürzer, jedoch
ist sie vorzugsweise minimal etwa halb so lang wie das Rohr, abzüglich von ca. 20
mm. Die Ganghöhe der Wendel beträgt vorzugsweise 15 bis 40 mm.
[0009] Als Turbulenzerzeuger können alternativ oder bei entsprechender Ausgestaltung auch
in Verbindung mit einer Wendel mindestens eine, insbesondere mindestens vier und maximal
zwölf Innenrippen im Innenrohr vorgesehen sein. Die Innenrippen können sich in radialer
Richtung zur Mittellängsachse hin erstrecken, sie können jedoch auch schräg zur radialen
Richtung verlaufend ausgebildet sein.
[0010] Die Innenrippen weisen vorzugsweise eine Rippendicke von 0,1 bis 0,2 mm auf, sind
also im Vergleich zu den sonstigen Wandstärken des Rohres dünn ausgebildet. Die Rippenhöhe
der Innenrippen beträgt vorzugsweise 0,5 bis 1,5 mm bei einem Innendurchmesser des
Innenrohres von 4 bis 8 mm.
[0011] Die Innenrippen sind vorzugsweise in äquidistanten Abständen verteilt über den Innenumfang
des Innenrohres angeordnet. Es ist jedoch auch eine ungleichmäßige Verteilung, wie
auch eine unterschiedliche Rippenhöhe, möglich.
[0012] Als Turbulenzerzeuger kommt auch mindestens ein, insbesondere zwei oder drei Stege
im Innenrohr in Frage. Denkbar sind selbstverständlich auch insbesondere vier, fünf,
sechs, sieben, acht; neun oder zehn Stege. Der Steg kann hierbei in radialer Richtung
verlaufend, wie auch auf beliebige andere Weise (d.h. als sonstige Sehne) verlaufend
ausgebildet sein. Sind mehrere Stege vorgesehen, so können diese sich vorzugsweise
in der Längsmittelachse des Rohres schneiden und den inneren Bereich in mehrere Teilbereiche
unterteilen, wobei auch Überströmöffnungen in den Stegen vorgesehen sein können.
[0013] Der mindestens eine Steg weist vorzugsweise eine Stegdicke von 0,2 bis 0,6 mm auf,
ist also vorzugsweise dünner als die Außen- und Innenwand des Rohres.
[0014] Der Außendurchmesser des Außenrohres beträgt vorzugsweise 10 bis 20 mm, insbesondere
12 bis 18 mm. Der Innendurchmesser des Innenrohres beträgt vorzugsweise 3 bis 10 mm,
insbesondere 4 bis 8 mm. Die Dicke von Rippen oder Stegen zwischen dem Innen- und
Außenrohr beträgt vorzugsweise 0,3 bis 1,1 mm, insbesondere 0,5 bis 1,0 mm.
[0015] Vorzugsweise sind die Einströmöffnungen der beiden Medien auf unterschiedlichen Seiten
des Koaxialrohres oder der Rohr-in-Rohr-Anordnung angeordnet, so dass das Koaxialrohr
bzw. die Rohr-in-Rohr-Anordnung im Gegenstrombetrieb durchströmt wird.
[0016] Der äußere Bereich, in welchem vorzugsweise das Niederdruckmedium strömt, ist vorzugsweise
in mindestens sechs, insbesondere in mindestens acht Teilkanäle und maximal in zwanzig,
vorzugsweise in maximal sechzehn Teilkanäle unterteilt.
[0017] Die Wandstärke der Außenwand ist vorzugsweise größer als oder gleich groß wie die
Wandstärke der Wand zwischen Außenrohr und Innenrohr. Dabei beträgt die Wandstärke
der Außenwand vorzugsweise 0,6 bis 1,3 mm, insbesondere 0,8 bis 1,1 mm, die der Innenwand
0,6 bis 1,2 mm, vorzugsweise 0,8 bis 1,0 mm.
[0018] Die Dicke der Rippen oder Stege, welche die einzelnen Teilkanäle des Außenrohres
unterteilen, ist vorzugsweise kleiner oder gleich der Wandstärke der Wand des Außenrohres.
Dabei beträgt die Stegbreite vorzugsweise 0,5 bis 1,0 mm, wobei die Wandstärke der
Außenwand 0,6 bis 1,3 mm beträgt.
[0019] Mindestens einer der Turbulenzerzeuger und/oder mindestens eine der Innenrippen und/oder
mindestens einer der Stege, und/oder mindestens eine der Rippen zwischen Innen- und
Außenrohr ist vorzugsweise schräg bezüglich der Rohrlängsachse angeordnet. Dabei kann
sich die Steigung jedoch auch über die Gesamtlänge des Rohres ändern, wie auch die
Drehrichtung.
[0020] Bevorzugt ist mindestens einer der Turbulenzerzeuger und/oder mindestens eine der
Innenrippen und/oder mindestens einer der Stege und/oder mindestens eine der Rippen
zwischen Innen- und Außenrohr derart schräg bezüglich der Rohrlängsachse mit einer
derartigen Steigung ausgebildet, dass eine 360°-Drehung über eine Rohrlänge von 15
bis 35 mm, insbesondere von 20 bis 25 mm, erfolgt.
[0021] Weiterhin kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn die Länge mindestens einer
der Turbulenzerzeuger und/oder mindestens einer der Innenrippen und/oder mindestens
einer der Stege und/oder mindestens einer der Rippen zwischen Innen- und Außenrohr
dem 0,3-fachen bis 0,5-fachen, vorzugsweise dem 0,4-fachen der Rohrlänge entspricht.
Denkbar ist es aber auch, dass die Länge zumindest einer der vorgenannten Einrichtungen
im Wesentlichen der Rohrlänge entspricht.
[0022] Gemäß einer speziellen Ausführungsform ist ein Koaxialrohr oder eine Rohr-in-Rohr-Anordnung
für die getrennte Leitung mindestens zweier Medien vorgesehen, deren Druckniveau sich
unterscheidet, vorgesehen, wobei bei dem Koaxialrohr oder der Rohr-in-Rohr-Anordnung
die Niederdruckseite in radialer Richtung näher der Mittellängsachse als die Hochdruckseite
angeordnet ist. Durch die verdrehte Anordnung kann das Innenrohr mit geringerer Wandstärke
ausgebildet sein, wodurch sich das Gesamtgewicht, der Materialbedarf und somit die
Kosten des Koaxialrohres bzw. der Rohr-in-Rohr-Anordnung verringert. Ferner können
die Abmessungen etwas verringert werden, wodurch auch die Wärmeeinleitung von außen
in das System verringert und somit die Leistung gesteigert werden kann.
[0023] Bevorzugt ist bei der verdrehten Anordnung von Hoch- und Niederdruckseite der freie
Strömungsquerschnitt der Hochdruckseite insgesamt kleiner als der freie Strömungsquerschnitt
der Niederdruckseite. Dabei unterscheiden sich die freien Strömungsquerschnitte derart,
dass der freie Strömungsquerschnitt der Hochdruckseite insgesamt vorzugsweise maximal
halb so groß und vorzugsweise minimal ein Viertel so groß ist, insbesondere bevorzugt
etwa ein Drittel +/- 10% so groß ist, wie der freie Strömungsquerschnitt der Niederdruckseite.
Diese Querschnittsverhältnisse ergeben einen sehr guten Wärmeaustausch zwischen den
beiden Medien.
[0024] Der Außendurchmesser des Außenrohres beträgt - bei verdrehter Anordnung von Hoch-
und Niederdruckseite - vorzugsweise 10 bis 18 mm, insbesondere 12 bis 16 mm. Der Innendurchmesser
des Innenrohres beträgt vorzugsweise 6 bis 12 mm, insbesondere 8 bis 10 mm. Die Breite
der Rippen zwischen dem Innen- und Außenrohr beträgt vorzugsweise 0,3 bis 0,8 mm,
insbesondere bevorzugt 0,4 bis 0,7 mm.
[0025] Das Außenrohr ist - bei der verdrehten Anordnung von Hoch- und Niederdruckseite -
vorzugsweise in mindestens sechs, insbesondere in mindestens zehn, insbesondere bevorzugt
in mindestens zwölf Teilkanäle und maximal in zwanzig, vorzugsweise in maximal sechzehn
Teilkanäle unterteilt. Diese Unterteilung ermöglicht optimale Festigkeitseigenschaften
des Rohres, verbunden mit einer großen Wärmeübertragungsfläche für das im äußeren
Bereich strömende Medium.
[0026] Die Wandstärke der Außenwand ist - bei der verdrehten Anordnung von Hoch- und Niederdruckseite
- vorzugsweise größer als die Wandstärke der Wand zwischen Außenrohr und Innenrohr.
Auf Grund der größeren Druckdifferenz vom Außenrohr zur Umgebung hin als vom Außenrohr
zum inneren Bereich kann die Wandstärke zum Innenrohr geringer ausgelegt werden, so
dass eine Materialeinsparung möglich ist. Ist - wie bei herkömmlichen Koaxialrohren
- der maximale Druck im Innenrohr vorgesehen, so muss das Außenrohr jedoch auch dem
entsprechenden Druck standhalten können, weshalb es eine entsprechende Wandstärke
aufweisen sollte und daher bei herkömmlichen Koaxialrohren entsprechend dem Innenrohr
ausgelegt ist, wodurch das Koaxialrohr schwerer und somit teurer als ein erfindungsgemäßes
Koaxialrohr ist. Im Übrigen kann durch die dünnere Wand auch eine Verbesserung der
Wärmeübertragungsleistung erzielt werden.
[0027] Die Breite der Rippen oder Stege, welche die einzelnen Teilkanäle des Außenrohres
unterteilen, ist vorzugsweise kleiner als sie Wandstärke der Wand des Außenrohres,
wodurch sich auch Material einsparen lässt.
[0028] Bevorzugt ist die Breite der Stege, welche die einzelnen Teilkanäle des Außenrohres
unterteilen, größer oder gleich der Wandstärke der Wand zwischen Außenrohr und Innenrohr.
[0029] Um insbesondere den Druckverlust beim Einströmen in das Innenrohr möglichst gering
zu halten, erfolgt das Einströmen des entsprechenden Mediums vorzugsweise im Wesentlichen
koaxial, wofür das entsprechende Anschlussstück entsprechend ausgebildet ist.
[0030] Ein erfindungsgemäßes Koaxialrohr oder eine erfindungsgemäße Rohr-in-Rohr-Anordnung
kann insbesondere für Wärmetauscher, vorzugsweise für Kraftfahrzeug-Klimaanlagen,
insbesondere bevorzugt für Hochdruck-Klimaanlagen (wie beispielsweise bei R744-Klimaanlagen)
von Kraftfahrzeugen verwendet, jedoch sind auch andere Anwendungen möglich. Besonders
bevorzugt ist die Verwendung als so genannter innerer Wärmetauscher bzw. innerer Wärmeüberfirager.
Insbesondere bei letztgenannter Verwendung und bei der Verwendung von R744 verhält
sich das verwendete Kältemittel üblicherweise, auch wenn es zumindest teilweise in
gasförmigem Zustand befindlich ist, aufgrund der in der Regel sehr hohen Dichte ähnlich
wie ein Fluid. Insbesondere dadurch ist es möglich beispielsweise durch Verwendung
eines Turbulenzerzeugers die Wärmeübertragung zwischen den Kanälen zu erhöhen.
[0031] Insbesondere bei der Verwendung als innerer Wärmetauscher in einem Kältemittelkreislauf
kann sich die vorgeschlagene Beaufschlagung mit Hochdruck auf der Außenseite bzw.
Niederdruck auf der Innenseite als besonders vorteilhaft erweisen. So weist der Hochdruck
üblicherweise eine höhere Temperatur als der Niederdruck auf, so dass besonders gut
zusätzliche Wärmeenergie vom hochdruckseitigen Kältemittel an die Umgebung abgeführt
werden kann.
[0032] Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
mit Varianten, teilweise unter Bezugnahme auf die Zeichnung, näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Schnitt durch ein Koaxialrohr gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
- Fig. 2
- eine schematische Darstellung eines Wärmeaustauschers mit einem anderen Koaxialrohr,
- Fig. 3
- einen Längsschnitt durch einen Endbereich des Koaxialrohrs von Fig. 1 mit Anschlussstück,
- Fig. 4
- einen Schnitt durch ein Koaxialrohr gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
- Fig. 5
- einen Schnitt durch ein Koaxialrohr gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel,
- Fig. 6
- einen Schnitt durch ein Koaxialrohr gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel, und
- Fig. 7
- einen Schnitt durch ein Koaxialrohr gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel.
[0033] Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist ein Wärmetauscher 1, von dem nur ein Querschnitt
in den Figuren 1 und 3 dargestellt ist, der aber im Prinzip ausgebildet sein kann,
wie in Fig. 2 mit einem vergrößert dargestellten, anderen Querschnitt dargestellt
ist, vorgesehen. Dieser Wärmeaustauscher 1 dient dem Wärmeaustausch von einem ersten
Medium und einem zweiten Medium. Hierbei strömt das erste Medium durch den inneren
Bereich 2 eines Innenrohres 3 und das zweite Medium durch den äußeren Bereich 4 welcher
zwischen einem Außenrohr 5 und dem Innenrohr 3 gebildet ist. Hierbei sind Innenrohr
3 und Außenrohr 5 samt dazwischen in radialer Richtung in Längsrichtung durchgehend
verlaufender Rippen 6 einstückig als ein Koaxialrohr 7 aus einer Aluminiumlegierung
extrudiert.
[0034] Der Außendurchmesser des Koaxialrohres 7 beträgt vorliegend 16 mm, die Wandstärke
des Außenrohres 5 0,8 mm, die Wandstärke des Innenrohres 3 0,6 mm, die Rippenbreite
0,7 mm und der Innendurchmesser 7 mm. Es sind zwölf Rippen 6, also auch zwölf voneinander
unterteilt ausgebildete Außenkanäle vorgesehen, welche auf Grund der einander entsprechenden
Breite der einzelnen Rippen 6 in äquidistanten Abständen um das Innenrohr 3 verteilt
sind.
[0035] Um das kühlende und das zu kühlende Medium in das Koaxialrohr 7 einzuleiten, sind
an beiden Enden des Koaxialrohres 7 Anschlussbauteile 8 (siehe Fig. 2) vorgesehen,
über welche die Medien, welche durch den inneren Bereich 2 bzw. den äußeren Bereich
4 vorliegend im Gegenstrombetrieb strömen, getrennt voneinander zu- bzw. abgeleitet
werden.
[0036] Am einstückig extrudierten Koaxialrohr 7 liegt am Außenrohr 5 (Hochdruckseite) ein
höherer Druck p
a an als am Innenrohr 3 (Niederdruckseite), an welchem der Druck p
i anliegt. Der Betriebsdruck auf Niederdruckseite beträgt gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
ca. 130 bar, der entsprechende Berstdruck 264 bar, und der Betriebsdruck auf Hochdruckseite
beträgt ca. 160 bar, der entsprechende Berstdruck 352 bar. Die genannten Druckwerte
beziehen sich insbesondere auf die Verwendung von CO
2 (R744) als Kältemittel.
[0037] Dadurch, dass die Hochdruckseite innen angeordnet ist, lässt sich eine verbesserte,
definierte Anströmung des Hochdruckkältemittels über das entsprechende Anschlussstück
8.realisieren, insbesondere ist, wie vorliegend in Fig. 3 dargestellt, eine umlenkungsfreie
Anströmung des Hochdruckkältemittels in Richtung der Längsachse des Innenrohres vorgesehen,
wodurch der Druckverlust verringert und dadurch die Kälteleistung verbessert werden
kann. Die Anströmung des Niederdruckkältemittels erfolgt in radialer Richtung bezüglich
der Längsachse des Koaxialrohres 1.
[0038] Um jedoch eine gute Vermischung des Hochdruckkältemittels im inneren Bereich 2 zu
ermöglichen, ist gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel im Innenraum des Innenrohres
3 ein Turbulenzerzeuger 11 in Form einer Wendel (Rundrohrwendel) vorgesehen, welche
sich im Koaxialrohr angeordnet auch mit demselben verbiegen lässt. Die Ganghöhe der
Wendel entspricht vorliegend einem Mehrfachen des Innendurchmessers des Innenrohres
3 und ist über die gesamte Koaxialrohrlänge konstant. Die Wendel lenkt das im Innenrohr
strömende Kältemittel um, so dass sich keine laminare Strömung im Wandbereich ausbildet
und dadurch eine verbesserte Vermischung und ein verbesserter Wärmeaustausch ergibt.
[0039] Gemäß möglicher Varianten ändert sich die Ganghöhe der Wendel über die Länge des
Koaxialrohres und/oder ändert sich die Drehrichtung der Wendel, wobei auch mehrfach
Änderungen vorgesehen sein können.
[0040] Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel welches - sofern nicht nachfolgend erwähnt
- dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht, jedoch keine Wendel als Turbulenzerzeuger
11 aufweist. Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel sind vielmehr gleichmäßig über
den Innenumfang des Innenrohres 3 verteilt als Turbulenzerzeuger 11 acht Innenrippen
21 in radialer Richtung nach innen vorstehend vorgesehen. Die Innenrippen haben eine
Rippendicke, die 0,1 mm geringer als die Wandstärke des Außenrohres 5 ist. Die Länge
der Innenrippen 21 beträgt vorliegend 1 mm, so dass sie einen Kreis von 5 mm Durchmesser
in der Mitte des Innenrohres 3 frei fassen.
[0041] Gemäß dem dritten, in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel, welches sofern nicht
nachfolgend erwähnt - dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht, jedoch keine Wendel
als Turbulenzerzeuger 11 aufweist, sieht als Turbulenzerzeuger 11 zwei sich senkrecht
kreuzende Stege 22 im Innenrohr 3 auf, welche den inneren Bereich 2 vierteilen. Die
Stegdicke ist vorliegend um 0,1 mm geringer als die Wandstärke des Außenrohres 5.
[0042] In Fig. 6 ist als viertes Ausführungsbeispiel ein Koaxialrohr 7 mit einer Wendel
als Turbulenzerzeuger 11 dargestellt, welches andere Abmessungen als das Koaxialrohr
7 des ersten Ausführungsbeispiels aufweist.
[0043] Gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel ist ein Wärmetauscher 1, von dem nur ein Querschnitt
in Fig. 6 dargestellt ist, der aber im Prinzip ausgebildet sein kann, wie in Fig.
2 mit einem vergrößert dargestellten, anderen Querschnitt dargestellt ist, vorgesehen.
Dieser Wärmeaustausch 1 dient Wärmeaustausch von einem ersten Medium und einem zweiten
Medium. Hierbei strömt das erste Medium durch den inneren Bereich 2 eines Innenrohres
3 und das zweite Medium durch den äußeren Bereich 4 welcher zwischen einem Außenrohr
5 und dem Innenrohr 3 gebildet ist. Hierbei sind Innenrohr 3 und Außenrohr 5 samt
dazwischen in radialer Richtung in Längsrichtung durchgehend verlaufender Rippen 6
einstückig als ein Koaxialrohr 7 aus einer Aluminiumlegierung extrudiert.
[0044] Der Außendurchmesser des Koaxialrohres 7 beträgt vorliegend 16 mm, die Wandstärke
des Außenrohres 5 0,8 mm, die Wandstärke des Innenrohres 3 0,6 mm, die Rippenbreite
0,7 mm und der Innendurchmesser 11 mm. Es sind vierzehn Rippen 6, also auch vierzehn
voneinander unterteilt ausgebildete Außenkanäle vorgesehen, welche auf Grund der einander
entsprechenden Breite der einzelnen Rippen 6 in äquidistanten Abständen um das Innenrohr
3 verteilt sind. Die freien Querschnittsfläche des Innenrohres 3 beträgt ca. 95 mm
2, die Summe der freien Querschnittsflächen der Außenkanäle beträgt ca. 35 mm
2, ist also etwa 60% kleiner als die des Innenrohres 3.
[0045] Im Innenraum des Innenrohres 3 ist ein Turbulenzerzeuger 11 in Form einer Wendel
(Rundrohrwendel) vorgesehen, welche sich im Koaxialrohr angeordnet auch mit demselben
verbiegen lässt. Die Ganghöhe der Wendel entspricht vorliegend etwa dem doppelten
Innendurchmesser des Innenrohres 3, also etwa 22 mm, und ist über die gesamte Koaxialrohrlänge
konstant. Die Wendel lenkt das im Innenrohr strömende Kältemittel um, so dass sich
keine laminare Strömung im Wandbereich ausbildet und dadurch eine verbesserte Vermischung
und ein verbesserter Wärmeaustausch ergibt.
[0046] Um das kühlende und das zu kühlende Medium in das Koaxialrohr 7 einzuleiten, sind
an beiden Enden des Koaxialrohres 7 Anschlussbauteile 8 (siehe Fig. 2) vorgesehen,
über welche die Medien, welche durch den inneren Bereich 2 bzw. den äußeren Bereich
4 vorliegend im Gegenstrombetrieb strömen, getrennt voneinander zu- bzw. abgeleitet
werden.
[0047] Am einstückig extrudierten Koaxialrohr 7 liegt am Außenrohr 5 (Hochdruckseite) ein
höherer Druck an als am Innenrohr 3 (Niederdruckseite). Der Betriebsdruck auf Niederdruckseite
beträgt gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ca. 130 bar, der entsprechende
Berstdruck 264 bar, und der Betriebsdruck auf Hochdruckseite beträgt ca. 160 bar,
der entsprechende Berstdruck 352 bar. Die genannten Druckwerte beziehen sich insbesondere
auf die Verwendung von CO
2 (R744) als Kältemittel.
[0048] Dadurch, dass die Niederdruckseite innen angeordnet ist, lässt sich eine verbesserte
Anströmung des Niederdruckkäkemittels über das entsprechende Anschlussstück 8 realisieren,
insbesondere ist, wie vorliegend in Fig. 3 dargestellt, eine umlenkungsfreie Anströmung
des Niederdruckkältemittels in Richtung der Längsachse des Innenrohres vorgesehen,
wodurch der Druckverlust verringert und dadurch die Kälteleistung verbessert werden
kann. Die Anströmung des Hochdruckkältemittels erfolgt in radialer Richtung bezüglich
der Längsachse des Koaxialrohres 1.
[0049] Fig. 7 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines Koaxialrohres, wobei im Innenrohr
3 als Turbulenzerzeuger 11 sowohl vier gleichmäßig über den Umfang verteilte Innenrippen
21 mit einer Länge von etwa dem halben Radius und zwei senkrecht zueinander und auf
Lücke zu den Innenrippen 21 angeordnete Stege 22 vorgesehen sind, welche den Innenraum
in vier voneinander getrennte Bereiche unterteilen. Ansonsten entspricht das Koaxialrohr
7 dem des vierten Ausführungsbeispiels, jedoch ist eine entsprechende Ausgestaltung
der Turbulenzerzeuger 11 auch auf die zuvor beschriebene Form möglich. Diese Einbauten
im Innenrohr 3 vergrößern die Wärmeübergangsfläche und verbessern daher den Wärmeaustausch.
[0050] Gemäß einer ersten Variante des fünften Ausführungsbeispiels ist das Koaxialrohr
gedreht extrudiert, d.h. die Rippen, Innenrippen und Stege verlaufen wendelartig,
vorliegend mit konstanter Steigung.
[0051] Gemäß einer zweiten Variante des fünften Ausführungsbeispiels ist das Koaxialrohr
wiederum gedreht extrudiert, jedoch verändert mit sich ändernder Drehgeschwindigkeit,
so dass sich die Steigung der Rippen, Innenrippen und Stege über die Länge des Koaxialrohres
verändert.
[0052] Entsprechend einer weiteren Variante des fünften Ausführungsbeispiels sind an Stelle
von den in radialer Richtung verlaufenden Stegen zwei Sehnen einander gegenüberliegend
im Innenrohr des Koaxialrohres vorgesehen.
[0053] Ein nicht in der Zeichnung dargestelltes sechstes Ausführungsbeispiel sieht eine
Rohr-in-Rohr-Anordnung als Koaxialrohr vor, wobei das Außenrohr Rippen und das Innenrohr
als Turbulenzerzeuger Innenrippen und Stege aufweist, und das Außenrohr am Ende der
Rippen mit dem Innenrohr verlötet ist, wodurch sich eine Ausgestaltung entsprechend
dem zweiten Ausführungsbeispiel ergibt.
[0054] Eine erste Variante des sechsten Ausführungsbeispiels sieht vor, dass die beiden
Rohre in unterschiedliche Richtungen gedreht extrudiert sind, d.h. dass die Strömungsverläufe
der im Inneren strömenden Kältemittel zum Einen im Gegenstrombetrieb und zum Anderen
auch in unterschiedlichen Richtungen gedreht sind, wodurch der Wärmeaustausch verbessert
wird.
[0055] Gemäß einer zweiten Variante weisen die Verdrehungen der beiden Rohre gegeneinander
sich über die Länge ändernde Steigungen auf, so dass bspw. im Einströmbereich eine
kleinere Steigung und im Ausströmbereich eine größere Steigung vorgesehen werden kann.
1. Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung für die getrennte Leitung mindestens zweier
Medien, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Koaxialrohr (7) oder der Rohr-in-Rohr-Anordnung mindestens ein und in einer
Querschnittsfläche vorzugsweise maximal sechzehn Turbulenzerzeuger (11) vorgesehen
sind, der bzw. die im inneren Bereich (2) des Innenrohres (3) angeordnet sind.
2. Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Querschnittsfläche maximal zwölf Turbulenzerzeuger (11) vorgesehen sind.
3. Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbulenzerzeuger (11) durch eine in Längsrichtung des Koaxialrohres (1) bzw.
der Rohr-in-Rohr-Anordnung verlaufende Wendel gebildet ist.
4. Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Turbulenzerzeuger (11) mindestens eine, insbesondere mindestens vier und maximal
zwölf Innenrippen (21) im Innen rohr (3) vorgesehen sind.
5. Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenrippen (21) eine Rippendicke von 0,1 bis 0,2 mm aufweisen.
6. Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenrippen (21) eine Rippenhöhe von 0,5 bis 1,5 mm bei einem Innendurchmesser
des Innenrohres (3) von 4 bis 8 mm aufweisen.
7. Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenrippen (21) sich in radialer Richtung erstreckend ausgebildet sind.
8. Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenrippen (21) in äquidistanten Abständen verteilt über den Innenumfang des
Innenrohres (3) angeordnet sind.
9. Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Turbulenzerzeuger (11) mindestens ein, insbesondere zwei oder drei Stege (22)
im Innenrohr (3) vorgesehen sind.
10. Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Steg (22) sich in radialer Richtung erstreckend ausgebildet ist.
11. Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Steg (22) eine Stegdicke von 0,2 bis 0,6 mm aufweist.
12. Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Turbulenzerzeuger (11) und/oder mindestens eine der Rippen (7)
zwischen Innen- und Außenrohr (3 und 5) schräg bezüglich der Rohrlängsachse angeordnet
ist.
13. Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Turbulenzerzeuger (11) und/oder mindestens eine der Rippen (7)
zwischen Innen- und Außenrohr (3 und 5) derart schräg bezüglich der Rohrlängsachse
mit einer derartigen Steigung ausgebildet ist, dass eine 360°-Drehung über eine Rohrlänge
von 15 bis 40 mm, insbesondere von 20 bis 30 mm, erfolgt.
14. Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge mindestens einer der Turbulenzerzeuger (11) und/oder mindestens eine der
Innenrippen (21) und/oder mindestens einer der Stege (22) und/oder mindestens eine
der Rippen (7) zwischen Innen- und Außenrohr (3 und 5) dem 0,3-fachen bis 0,5-fachen,
vorzugsweise dem 0,4-fachen der Rohrlänge entspricht.
15. Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Niederdruckseite in radialer Richtung näher der Mittellängsachse als die Hochdruckseite
angeordnet ist.
16. Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Strömungsquerschnitt der Hochdruckseite insgesamt kleiner ist als der freie
Strömungsquerschnitt der Niederdruckseite.
17. Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Strömungsquerschnitt der Hochdruckseite insgesamt maximal halb so groß
und minimal ein Viertel so groß ist, insbesondere ein Drittel +/- 10% so groß ist,
wie der freie Strömungsquerschnitt der Niederdruckseite.
18. Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser des Außenrohres 10 bis 20 mm, insbesondere 12 bis 18 mm, beträgt.
19. Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser des Innenrohres 3 bis 10 mm, insbesondere 4 bis 8 mm, beträgt.
20. Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite von Rippen (7) oder Stegen zwischen dem Innen- und Außenrohr (3 und 5)
0,3 bis 1,1 mm, insbesondere 0,5 bis 1,0 mm, beträgt.
21. Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmöffnungen der beiden Medien auf unterschiedlichen Seiten des Koaxialrohres
oder der Rohr-in-Rohr-Anordnung angeordnet sind.
22. Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenrohr in mindestens sechs, insbesondere in mindestens acht zwölf Teilkanäle
und maximal in zwanzig, vorzugsweise in maximal sechzehn Teilkanäle unterteilt ist.
23. Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke der Außenwand größer als oder gleich groß wie die Wandstärke der Wand
zwischen Außenrohr und Innenrohr ist.
24. Koaxialrohr oder Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Rippen oder Stege, welche die einzelnen Teilkanäle des Außenrohres
unterteilen, kleiner oder gleich der Wandstärke der Wand des Außenrohres ist.
25. Wärmetauscher in Koaxialrohrbauweise, gekennzeichnet durch mindestens ein Koaxialrohr oder eine Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der Ansprüche
1 bis 24.
26. Wärmetauscher nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Anschlussstück (8) zur Einleitung mindestens eines Mediums vorgesehen
ist, welches eine Einleitung des Mediums in koaxialer Richtung zum Koaxialrohr (1)
bzw. zur Rohr-in-Rohr-Anordnung vorsieht.
27. Klimaanlage, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch mindestens ein Koaxialrohr oder eine Rohr-in-Rohr-Anordnung gemäß einem der Ansprüche
1 bis 24.
28. Verwendung eines Koaxialrohrs oder einer Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der Ansprüche
1 bis 24, eines Wärmetauschers nach Anspruch 25 oder 26 bzw. einer Klimaanlage nach
Anspruch 27, wobei zumindest eins der Medien ein Kältemittel ist, insbesondere R744
und/oder R134a.
29. Verwendung eines Koaxialrohrs oder einer Rohr-in-Rohr-Anordnung nach einem der Ansprüche
1 bis 24 oder 28 bzw. eines Wärmetauschers nach Anspruch 25 oder 26 in einem Kältemittelkreislauf,
insbesondere als innerer Wärmetauscher.