Die Erfindung bezieht sich auf eine Verdampferanordnung für Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung. Eine derartige Verdampferanordnung ist beispielsweise aus der US-A-3209820 bekannt. Ausserdem ist in der US-PS 1,883,057 ein Verdampfer für eine stationäre Kälteanlage beschrieben, bei dem in einem der beiden Anschlusskästen ein sich in Längsrichtung des Anschlusskastens erstreckendes Zuleitungsrohr befindet, das die Aufgabe hat, unterschiedliche Strömungsweglängen der einzelnen Rohrstränge auszugleichen. Sofern die Strömungsweglängen im Verdampfer zwischen der Zufuhröffnung und Absaugöffnung gleich sind, kann das Zuführungsrohr im Anschlusskasten entfallen.
Bei Verdampfern, die unter beengten Raumverhältnissen eingebaut werden sollen, wie dies beispielsweise bei Kraftfahrzeug-Klimaanlagen der Fall ist, besteht das Problem, dass das Expansionsventil nicht unmittelbar vor dem Verteilrohr angeordnet werden kann. Die Verbindungsleitung zwischen dem Expansionsventil und Verteilrohr ist wegen der beengten Raumverhältnisse teilweise gebogen, wobei häufig kleine Krümmungsradien auftreten.
Aufgrund des Abstandes zwischen Expansionsventil und Verteilrohr und insbesondere wegen der durch die Krümmung des Zuleitungsrohres bedingten Richtungsänderung des Kältemittels entsteht eine Entmischung des Kältemittels in eine flüssige und eine gasförmige Phase. Dies hat zur Folge, dass bei der Aufteilung des Gesamtvolumens auf die verschiedenen Rohrstränge eine mengenungleiche Teilung erfolgt und somit die Rohrstränge unterschiedlich beaufschlagt werden. Dies führt zu einer Überhitzung einiger Verdampferstränge gegenüber anderen, was das Regelverhalten der Anlage und auch die Verdampferleistung negativ beeinflusst.
Zur Erzielung einer gleichmässigen Kältemittelströmung vor der Aufteilung in die einzelnen Rohrstränge des Verdampfers wurde daher bereits in der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 3327179.8 vorgeschlagen, unmittelbar vor dem Verteilrohr im Kältemittelstrom ein Verwirbelungselement anzuordnen, damit ein Zerplatzen der aus Kältemitteldampf und Kältemittelflüssigkeit bestehenden Zwei-Phasen-Strömung und einer Verwirbelung der beiden Phasen erreicht wird. Die Anordnung einer derartigen Wirbelzelle hat zu sehr guten Ergebnissen hinsichtlich einer gleichmässigen Beaufschlagung der Verdampferrohre und somit auch zu einer guten Verdampferleistung geführt. Eine Wirbelzelle benötigt jedoch trotz der relativ geringen Abmessungen einen gewissen Bauraum direkt vor dem Verteilrohr, der nicht überall zur Verfügung steht, und ausserdem entstehen zusätzliche Kosten für die Fertigung und Montage einer solchen Wirbelzelle.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verdampferanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung derart weiterzubilden, dass mit einfachen Mitteln und ohne zusätzlichen Bauraum eine Anordnung zur Erzeugung einer gleichmässigen Aufteilung des Kältemittels auf die Verdampferrohre erreicht wird. Darüber hinaus soll die Anordnung keine zusätzlichen Herstellungskosten verursachen und die Zahl der Rohrverbindungen auf ein Minimum begrenzen.
Diese Aufgabe wird bei einer Verdampferanordnung der bezeichneten Art erfindungsgemäss durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Massenstrom eines Kältemittels, das infolge von Radialbeschleunigungen und Massenträgheit eine zumindest teilweise Trennung der Phasen erfährt, durch eine Beruhigungsstrecke in eine für die gleichmässige Verteilung geeignete Strömungsform, insbesondere hinsichtlich der gleichmässigen Beaufschlagung des Strömungsquerschnitts, gebracht wird.
Um einen möglichst einfachen und kostengünstigen Aufbau zu erreichen, ist es zweckmässig, die Beruhigungsstrecke durch einen zentrisch im Verteilrohr angeordneten Rohrkörper zu bilden.
Bevorzugterweise sind die Kanäle gewendelt ausgeführt, was insbesondere wegen der allmählich verlaufenden Richtungsänderung und aus fertigungstechnischen Gründen besonders günstig ist.
Gemäss einer anderen Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes umfasst der Verteilraum mehrere getrennte Kanäle, die zunächst parallel zur Längsachse des Verteilrohres und dann mit Ausnahme eines Kanals in Umfangsrichtung des Verteilrohres verlaufen, so dass die Enden aller Kanäle auf einer Achsparallelen des Verteilrohres angeordnet sind.
Für solche Anordnungen, bei denen der Verteilraum aus mehreren einzelnen Kanälen gebildet ist, ist es von Vorteil, am Ende der Beruhigungsstrecke einen Strömungsmittelverteiler anzuordnen, von dem die einzelnen Kanäle ausgehen. Ein solcher Strömungsverteiler ist vorzugsweise nach Art einer Venturidüse ausgebildet, wie sie bei Verdampfern bereits seit längerem Verwendung finden. Der Venturiverteiler ist in einem solchen Fall vor den Umlenkmitteln für das Kältemittel angeordnet.
Eine besonders einfache und kostengünstige Ausbildung des Mittels zur Umlenkung des Kältemittelstromes besteht darin, dass das Ende des Verteilrohres sphärisch gestaltet ist. Eine hinsichtlich des einfachen Aufbaues und leichter Montage bevorzugte Ausführung der Beruhigungsstrecke und der Verteilkanäle besteht darin, dass die Kanäle zwischen radialen Rippen, die einstückig mit dem Rohrkörper ausgeführt sind und an der Wandung des Verteilrohres anliegen, gebildet sind.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Anordnung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigt:
In Figur 1 ist mit 1 ein Verdampfer bezeichnet, der im wesentlichen aus einem mehrere Rohre 2 und quer dazu angeordnete Rippen 3 umfassenden Verdampferblock besteht. Die Rohre 2 einer Reihe sind jeweils mittels Umlenkbögen 4 mit den Rohren 2 einer nächsten Reihe verbunden, so dass die jeweils miteinander verbundenen Rohre von der ersten bis zur letzten Rohrreihe einen Rohrstrang bilden. Über den Rohrenden der ersten Rohrreihe ist ein Verteilrohr 5 angeordnet, an das die Rohre 2 der ersten Rohrreihe angeschlossen sind. Das Verteilrohr 5 ist an einem Ende verschlossen und das andere Ende steht über ein Zuleitungsrohr 6 mit einem Expansionsventil 7 in Verbindung. Die Enden der Rohre 2 der letzten Rohrreihe münden in ein Sammelrohr 8, aus dem das Kältemittel von einem in der Zeichnung nicht dargestellten Kompressor abgesaugt wird. Wie aus Figur 1 ersichtlich ist, kann aus Platzgründen das Expansionsventil 7 nicht direkt vor dem Verteilrohr 5 angeordnet werden, so dass das Expansionsventil 7 an einer anderen Stelle, beispielsweise über dem Verdampferblock, vorgesehen ist. Zur Verbindung des Expansionsventils 7 mit dem Verteilrohr 5 ist daher ein Zuleitungsrohr 6 notwendig, das einen engen Krümmungsradius aufweist.
In Figur 2 ist ein Schnitt durch ein Verteilrohr 5 gezeigt, in dem ein Rohrkörper 19 angeordnet ist, der an seiner Mantelfläche 5 radiale Rippen 20 aufweist, die entlang der Mantelfläche des Rohrkörpers 19 gewendelt verlaufen. Die Rippen 20 ragen bis an die Wandung des Verteilrohres 5 und bilden somit zwischen dem Rohrkörper 19 und dem Verteilrohr 5 eine der Zahl der Rippen 20 entsprechende Anzahl von gewendelt verlaufenden Kanälen 21, von denen jeweils einer zu einem der Anschlüsse der Rohre 2 führt. An dem dem Zuleitungsrohr 6 entfernt liegenden Ende der Beruhigungsstrecke 15, die innerhalb des Rohrkörpers 19 gebildet ist, befindet sich ein nach Art einer Venturidüse ausgebildeter Strömungsmittelverteiler 22, der aus zwei Teilen 23 und 25 besteht. Mit 23 ist eine in den Rohrkörper 19 eingepresste Hülse bezeichnet, die in Strömungsrichtung gesehen zunächst eine Verjüngung und dann eine konische Erweiterung aufweist. In diese konische Erweiterung ragt ein mit 25 bezeichneter Kegel, der Bestandteil einer das Verteilrohr 5 verschliessenden Scheibe 24 ist. Neben dem Kegel 25 sind in der Scheibe Umlenkkanäle 26 vorgesehen, die das Ende des Rohrkörpers 19 übergreifen und somit das Kältemittel vom Strömungsmittelverteiler 22 in die Kanäle 21 umlenken.
Figur 3 zeigt einen Schnitt nach der Linie V-V in Figur 2. Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, dass innerhalb des Verteilrohres 5 der Rohrkörper 19 mit fünf radialen Rippen 20 angeordnet ist, wobei die einstückig mit dem Rohrkörper 19 ausgeführten Rippen 20 an der Wandung des Verteilrohres 5 anliegen. Zwischen jeweils zwei Rippen 20 ist ein Kanal 21 gebildet.
In Figur 4 ist eine Ausführungsvariante zu Figur 2 gezeigt, in der das Verteilrohr 5 ebenfalls durch eine Scheibe 24 mit einem zentrischen Kegel 25 und Umlenkkanälen 26 verschlossen ist. In dem Verteilrohr 5 befindet sich ein zylindrischer Körper 27, der vorzugsweise aus Kunststoff besteht und der nahe der Scheibe 24 endet. Die Umlenkkanäle 26 übergreifen das Ende des Körpers 27, der am Ende der Beruhigungsstrecke 15 einen den Strömungsquerschnitt verjüngenden Konus und anschliessend einen erweiternden Konus aufweist. In den erweiternden Konus ragt der bereits erwähnte Kegel 25 der Scheibe 24 und bildet somit den Strömungsmittelverteiler 22. An der Mantelfläche des zylindrischen Körpers 27 sind mehrere in axialer Richtung verlaufende Kanäle 28 angeordnet, die zu den Anschlüssen der Verdampferrohre 2 führen.
In Figur 5 ist ein Schnitt nach der Linie VII-VII in Figur 4 dargestellt. In dem Verteilrohr 5 ist die das Verteilrohr verschliessende Scheibe 24 eingesetzt, in deren Mitte die Spitze des Kegels 25 vorhanden ist. Die Scheibe 24 besitzt fünf sternförmig angeordnete Umlenkkanäle 26.
In Figur 6 ist ein Schnitt nach der Linie VIII-VIII in Figur 4 gezeigt. Aus dieser Darstellung ist ersichtlich, dass in dem Verteilrohr 5 ein zylindrischer Körper 27 angeordnet ist, in dessen Mitte eine zentrale Bohrung die Beruhigungsstrecke 15 bildet. An der Mantelfläche des zylindrischen Körpers 27 sind gleichmässig über den Umfang verteilt fünf Kanäle 28 angeordnet, die durch das Verteilrohr 5 abgedeckt sind.
Figur 7 zeigt das dem Zuleitungsrohr 6 entfernt liegende Ende des Verteilrohres 5, in dem ein zylindrischer Körper 29 mit einer zentrischen Bohrung als Beruhigungsstrecke 15 eingesetzt ist. An der Mantelfläche weist der Körper 29 mehrere gewendelt verlaufende Kanäle 30 auf, die zwischen Rippen 31 des Körpers 29 gebildet und durch das Verteilrohr 5 abgedeckt werden. Die Kanäle 30 führen jeweils in den Bereich eines Anschlusses der Verdampferrohre 2. Das Verteilrohr 5 weist ein sphärisch ausgebildetes Rohrende 32 auf. Das Ende des Körpers 29 befindet sich in einem Abstand zu diesem sphärischen Ende 32, so dass ein ungehinderter Durchtritt des Kältemittels von der Beruhigungsstrecke in die Verteilkanäle 30 möglich ist.
Figur 8 zeigt den gesamten Längsschnitt durch ein Verteilrohr 5 mit einem darin befindlichen Körper 33, der eine sich über die gesamte Länge des Körpers 33 erstreckende zentrale Bohrung 34 aufweist, die als Beruhigungsstrecke 15 für das Kältemittel dient. An dem in Figur 10 links dargestellten Ende des Körpers 33 mündet das Zuleitungsrohr 6 in die Bohrung 34. An dem Verteilrohr sind in gleichmässigem Abstand sechs Rohrstutzen 35 angeordnet, an die die sich quer durch Rippen 3 erstreckenden Verdampferrohre 2 angeschlossen sind. Das dem Zuleitungsrohr 6 entfernt liegende Ende des Verteilrohres 5 ist durch eine Scheibe 36 verschlossen, die an ihrer äusseren Umfangsfläche mit einem Dichtungsring 37 versehen ist. In dem Körper 33 sind auf einem Kreisumfang verteilt, aber in radialem Abstand zur Bohrung 34 und zur Mantelfläche 38 des Körpers 33, sechs in Längsrichtung des Körpers verlaufende Kanäle 39 angeordnet. Jeweils in Höhe eines Anschlussstutzens 35 befindet sich eine radiale Öffnung 40 zur Verbindung der Kanäle 39 mit der Mantelfläche 38, an der jeweils in Umfangsrichtung verlaufende Kanäle 41 vorgesehen sind, die jeweils im Bereich der Anschlussstutzen 35 münden. Durch diese Anordnung der Kanäle 39, 40, 41 wird erreicht, dass jeder der aus den Abschnitten 39, 40, 41 gebildeten Kanäle an einem der auf einer Achsparallelen des Verteilrohres 5 angeordneten Anschlussstutzen 35 mündet. An der dem Körper 33 zugewandten Seite der Scheibe 36 ist ein Kegel 42 angeordnet, der ein wenig in die zentrale Bohrung 34 hineinragt und dessen Mantelfläche in Umlenkkanäle 43 übergeht, deren äussere Enden mit den Kanälen 39 im Körper 33 deckungsgleich sind.
Bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen wird also das Kältemittel vom Expansionsventil durch das Zuleitungsrohr 6 in die Beruhigungsstrecke 15 geführt. Aufgrund der engen Krümmungsradien des Zuleitungsrohres 6 tritt eine Entmischung des Nassdampfgemisches auf, so dass das Kältemittel zumindest teilweise in zwei Phasen vorliegt. In der Beruhigungsstrecke 15 wird dann eine gleichmässige Verteilung des Massenstromes auf den Querschnitt der Beruhigungsstrecke 15 erreicht, so dass die Aufteilung des Kältemittels zu den einzelnen Rohrsträngen des Verdampfers ebenfalls in Einzelströme mit gleicher Masse erfolgt.