DE102007004659B4

DE102007004659B4 - Wärmetauscher mit einer Expansionsstufe

Info

Publication number: DE102007004659B4
Application number: DE102007004659.8A
Authority: DE
Inventors: Dr. Heyl Peter; Prof. Kuhn Peter; Frank Obrist
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2006-01-25
Filing date: 2007-01-25
Publication date: 2020-12-03
Anticipated expiration: 2027-01-26
Also published as: DE102007004659A1

Abstract

Wärmetauscher-Einheit zur Konditionierung eines ersten Fluids, insbesondere eines Kältemittels einer Klimaanlage, mit einem Fluid-Luft-Wärmetauscher umfassend- einen Einlass-Anschlussverteiler (8) zur Zuführung des ersten Fluids an eine erste Rohrelement-Einheit (3a), welche insbesondere quer zu einer Strömungsrichtung des ersten Fluids von Luft oder einem zweiten Fluid umströmbar oder durchströmbar ausgeführt ist,- einen Zwischenauslass (10) zum Transfer des ersten Fluids vom Fluid-Luft-Wärmetauscher (3) an eine Verdichterstufe (14),- einen Zwischeneinlass (11) zum Transfer des ersten Fluids von der Verdichterstufe (14) zum Fluid-Luft-Wärmetauscher (3), wobei- stromabwärts des Zwischeneinlasses (11) eine zweite Rohrelement-Einheit (3b) angeordnet ist, die von Luft oder einem zweiten Fluid umströmbar oder durchströmbar ausgeführt ist, wobei- ein Auslass-Anschlussverteiler (13) zur Abführung des ersten Fluids aus der zweiten Rohrelement-Einheit vorgesehen ist, über den das erste Fluid an eine Expansionsstufe (15) transferierbar ist, wobei die Verdichterstufe (14) und die Expansionsstufe (15) eine gemeinsame Welle (17) aufweisen, wobei ein Verdichterrad (14a) oder ein Expansionsstufenrad (15a) verschiebbar auf der gemeinsamen Welle (17) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmetauscher-Einheit zur Konditionierung eines ersten Fluids, insbesondere eines Kältemittels einer Klimaanlage, mit einem Fluid-Luft-Wärmetauscher, der einen Einlass-Anschlussverteiler zur Zuführung des ersten Fluids an eine erste Rohrelement-Einheit umfasst, welche insbesondere quer zu einer Strömungsrichtung des ersten Fluids von Luft oder einem zweiten Fluid umströmbar oder durchströmbar ausgeführt ist.
Aus der JP 2000 - 234 814 A ist eine dampfkomprimierte Kälteanlage bekannt.
In der DE 26 35 971 A1 wird ein Wärmepumpenaggregat, bestehend aus einem Kompressor zur Verdichtung und einer Expansionsmaschine zur Rückexpandierung eines in einem Heiz- bzw. Kühlkreislauf umlaufenden Mediums, beschreiben.
In der JP H11-94 379 A wird eine Kühlklimaanlage beschrieben.
In der US 2004 / 0 003 622 A1 wird ein Kältekreislaufsystem mit Kohlendioxid als Kältemittel beschrieben.
In der WO 2004 / 038 307 A1 wird ein Kühlsystem, vorzugsweise zur Anwendung in einem Kältekreislauf mit einem CO₂-Kältemittel beschrieben.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wärmetauscher-Einheit der eingangs genannten Art bereit zu stellen, bei der auf möglichst einfach und Platz sparende Weise eine Entspannung sowie ein Wärmetransfer in Bezug auf das erste Fluid darstellbar sind. Als weitere Aufgabe der Erfindung ist vorgesehen, eine Wärmetauscher-Einheit der eingangs genannten Art bereitzustellen, die einen Kältemittelkreislauf mit hohem Wirkungsgrad ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Wärmetauscher-Einheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1, bei der ein Zwischenauslass zum Transfer des ersten Fluids vom Fluid-Luft-Wärmetauscher an eine Verdichterstufe sowie ein Zwischeneinlass zum Transfer des ersten Fluids von der Verdichterstufe zum Fluid-Luft-Wärmetauscher vorgesehen sind, wobei stromabwärts des Zwischeneinlasses eine zweite Rohrelement-Einheit angeordnet ist, wobei ein Auslass-Anschlussverteiler zur Abführung des ersten Fluids aus der zweiten Rohrelement-Einheit vorgesehen ist, den das erste Fluid an eine Expansionsstufe transferierbar ist. Dabei findet in bevorzugter Weise in der ersten Rohrelement-Einheit ein erster Kühlvorgang statt, in dem das erste Fluid Wärme an die Luft abgibt. Anschließend lässt sich das erste Fluid in der Verdichterstufe komprimieren. Auf einem entsprechend erhöhten Druckniveau ist innerhalb der zweiten Rohrelement-Einheit ein zweiter Kühlvorgang realisierbar, in dem das erste Fluid weiter abgekühlt wird. Entsprechend sind der ersten Rohrelement-Einheit und der zweiten Rohrelement-Einheit bevorzugt unterschiedliche Temperaturbereiche zugeordnet, wobei die genannten Temperaturbereiche durch die Zufuhrtemperaturen der Luft einstellbar sind. Nach einer Durchströmung der zweiten Rohrelement-Einheit lässt sich das erste Fluid in der Expansionsstufe derart entspannen, dass technische Arbeit von der Expansionsstufe an die Verdichterstufe übertragen wird, so dass eine innere Energierückgewinnung ermöglicht ist.
In Ausgestaltung der Erfindung sind Verdichterstufe und Expansionsstufe benachbart zueinander angeordnet und insbesondere drehmomentübertragend koppelbar ausgeführt. Dabei ermöglicht eine benachbarte Anordnung von Verdichterstufe und Expansionsstufe eine besonders platzsparende Anordnung aller wesentlichen Komponenten. Besonders bevorzugt lassen sind die beiden Stufen zu einer baulichen Einheit zusammenfassen. Weiterhin bevorzugt lassen sie sich zumindest in bestimmten Betriebszuständen drehmomentfest miteinander koppeln.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist insbesondere die erste Rohrelement-Einheit bezogen auf eine vertikale Einbausituation unterhalb der zweiten Rohrelement-Einheit angeordnet. Dadurch wird eine platzsparende Anordnung aller erfindungsgemäß zusammenwirkender Komponenten, insbesondere auch eine platzsparende Anordnung von Verdichterstufe und Expansionsstufe ermöglicht und zwischen den beiden Rohrelement-Einheiten ein geodätisches Gefälle realisiert. Alternativ ließe sich die erste Rohrelement-Einheit in horizontaler Richtung unmittelbar neben der zweiten Rohrelement-Einheit anordnen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung bilden die erste Rohrelement-Einheit und die zweite Rohrelement-Einheit eine gemeinsame Baueinheit in einem bevorzugt quaderförmigen Hüllvolumen. Die gemeinsame Baueinheit weist in bevorzugter Weise eine Anströmfläche auf, über die das zweite Fluid der ersten und der zweiten Rohrelement-Einheit zuführbar ist und die groß ist im Verhältnis zu seitlichen Stirnflächen des Hüllvolumens.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die erste Rohrelement-Einheit entlang zumindest abschnittsweise horizontal angeordneter Rohrelemente und in vertikaler Richtung von unten nach oben für das erste Fluid durchströmbar ausgeführt. Bei einer derartigen Anordnung ist das erste Fluid in bevorzugter Weise in der ersten Rohrelement-Einheit in einem gasförmigen Zustand gehalten. Der ersten Rohrelement-Einheit ist somit ein Zwischenauslass zuzuordnen, der in vertikaler Richtung oberhalb eines Zulaufs des Einlass-Anschlussverteilers beziehungsweise oberhalb des gesamten Einlass-Anschlussverteilers angeordnet ist. Ein Abstand zwischen dem Zwischenauslass und einem Zwischeneinlass zur zweiten Rohrelement-Einheit lässt sich somit besonders klein dimensionieren.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die zweite Rohrelement-Einheit entlang zumindest abschnittweise horizontal angeordneter Rohrelemente und in vertikaler Richtung von oben nach unten für das erste Fluid durchströmbar ausgeführt, wobei insbesondere der Zwischeneinlass an einem oberen Abschnitt der zweiten Rohrelement-Einheit angeordnet ist. Durch eine derartige Anordnung ist es ermöglicht, das erste Fluid in zumindest teilweise flüssigem Zustand durch die zweite Rohrelement-Einheit zu führen, wobei die Durchströmung der zweiten Rohrelement-Einheit mit Hilfe von Schwerkrafteinflüssen begünstigt wird. Entsprechend ist es ermöglicht, das erste Fluid auf besonders tiefe Temperaturen abzukühlen. Schließlich ist der Auslass-Anschlussverteiler mit einem zugehörigen Ablauf bevorzugt an einer tiefsten Stelle der zweiten Rohrelement-Einheit angeordnet.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist stromab der Expansionsstufe ein zweiter Wärmetauscher zur Verdampfung des ersten Fluids vorgesehen. Stromab des zweiten Wärmetauschers lässt sich schließlich ein an sich bekannter Kältemittel-Kompressor anordnen, welcher auslassseitig wiederum mit der erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Einheit direkt oder indirekt gekoppelt ist, so dass sich ein geschlossener Kältemittelkreislauf mit besonders einfachem Aufbau sowie einem hohem energetischem Wirkungsgrad ergibt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen Verdichterstufe und Zwischeneinlass eine außerhalb des Fluid-Luft-Wärmetauschers angeordnete Überführungsrohrleitung vorgesehen. Der Überführungsrohrleitung können eine günstige Wandstärke sowie ein günstiger Strömungsquerschnitt zugeordnet sein, wobei mit Hilfe der Überführungsrohrleitung ein Abstand zwischen der Verdichterstufe und dem Zwischeneinlass überbrückbar ist. Die Überführungsrohrleitung ermöglicht somit eine unmittelbar benachbarte Anordnung von Verdichterstufe und Expansionsstufe auf kleinstem Raum, insbesondere in einem gemeinsamen Gehäuse.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Expansionsstufe einstückig oder stoffschlüssig verbunden mit dem Auslass-Anschlussverteiler ausgeführt. In weiterer bevorzugter Weise ist auch die Verdichterstufe einstückig oder stoffschlüssig verbunden mit dem Auslass-Anschlussverteiler ausgeführt. Expansionsstufe und ggf. auch Verdichterstufe bilden somit ein zusammenhängendes System mit der zweiten Rohrelement-Einheit. Insbesondere lassen sich Expansionsstufe und Verdichterstufe in das quaderförmige Hüllvolumen integrieren.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Verdichterstufe und die Expansionsstufe in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, wobei das Gehäuse eine isolierende Trennwand zwischen einem Verdichterrad und einem Expansionsstufenrad aufweist, die berührend an dem Verdichterrad und am Expansionsstufenrad anliegt. In bevorzugter Weise begrenzt die isolierende Trennwand einerseits ein Verdichtervolumen der Verdichterstufe und andererseits ein Expansionsvolumen der Expansionsstufe. Zugleich begrenzt die isolierende Trennwand einen Wärmetransfer zwischen Verdichterstufe und Expansionsstufe. In bevorzugter Weise ist die isolierende Trennwand somit aus einem Keramik- oder Kunstoffmaterial ausgeführt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Verdichterstufe und die Expansionsstufe eine gemeinsame Welle auf, wobei ein Verdichterrad oder ein Expansionsstufenrad verschiebbar auf der gemeinsamen Welle angeordnet ist. In bevorzugter Weise ist dabei das jeweils andere Rad fest mit der gemeinsamen Welle verbunden beziehungsweise axial nicht verschiebbar auf der gemeinsamen Welle gelagert. In weiter bevorzugter Weise ist in einem gemeinsamen Gehäuse von Verdichterstufe und Expansionsstufe ein Federelement vorgesehen, welches direkt oder indirekt das verschiebbar auf der gemeinsamen Welle angeordnete Rad in Richtung des auf der gemeinsamen Welle fixierten Rades mit einer Federkraft belastet. Insbesondere ist es in diesem Zusammenhang bevorzugt, die isolierende Trennwand im Gehäuse verschiebbar zu lagern, so dass die Trennwand gemeinsam mit einem verschiebbar angeordneten Rad in Richtung auf das auf der Welle fixierte Rad gedrückt werden kann.
In weiterer Ausgestaltung die Erfindung weist die Expansionsstufe ein variables Expansionsvolumen auf, in dem eine innere Expansion des ersten Fluids durchführbar ist. Des Weiteren weist die Verdichterstufe ein variables Verdichtervolumen auf, in dem eine innere Verdichtung des ersten Fluids durchführbar ist. Innere Expansion zur Entnahme von Arbeit aus dem Kälteprozess und innere Verdichtung zur Zuführung von Arbeit an den Kälteprozess ermöglichen eine besonders günstige Rückgewinnung von potentieller Energie, indem technische Arbeit von der Expansionsstufe direkt auf die Verdichterstufe übertragbar ist. Entsprechend ergibt sich ein erhöhter Wirkungsgrad des zugehörigen Kälteprozesses. Zur Realisierung einer inneren Expansion bzw. zur Realisierung einer inneren Verdichtung werden bevorzugt bewegte Kolben in einem Arbeitsraum angeordnet, durch die ein variables Expansionsvolumen durch Vergrößern bzw. ein variables Verdichtervolumen durch Verkleinern veränderbar und somit zum Transfer von potentieller Energie verwendbar sind.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Expansionsstufe und die Verdichterstufe jeweils ein auf einer zentralen Welle gelagertes Innenrad sowie ein an einem Gehäuse gelagertes, das Innenrad umgreifendes Außenrad aufweisen, wobei dem Innenrad eine Außenverzahnung und dem Außenrad eine korrespondierende, in die Außenverzahnung eingreifende Innenverzahnung zugeordnet sind, wobei Innenrad und Außenrad jeweils um zwei voneinander beabstandete Rotationsachsen drehbar gelagert sind. Innenrad und Außenrad wirken dabei jeweils zusammen als erstes und zweites Verdichterrad bzw. als erstes und zweites Expansionsstufenrad. Beide Stufen weisen somit eine innenachsige Bauweise mit zwei Verdichterrädern bzw. Expansionsstufenrädern auf, die besonders kompakt und kostengünstig ausführbar ist. In bevorzugter Weise ist eine gemeinsame Welle vorgesehen, auf der beide Innenräder gelagert sind. Zur Abstützung des jeweiligen Außenrades ist bevorzugt ein separater Gleitschuh vorgesehen, der einerseits am Gehäuse anliegt und andererseits mit einem flächigen Gleitkontakt kleiner Abmessung am Außenrad anliegt. Der Gleitschuh ist jeweils im Bereich der im Betrieb resultierenden Kraft auf das Außenrad angeordnet.
Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen, die anhand der Zeichnungen exemplarisch dargestellt sind. Hierzu zeigen

1 in einem Längsschnitt eine erfindungsgemäße Wärmetauscher-Einheit mit einem Fluid-Luft-Wärmetauscher und einer Expansionsstufe/Verdichter-Einheit,
2 in einer perspektivischen Darstellung die Wärmetauscher-Einheit nach 1,
3 in einer vergrößerten Darstellung einen Längsschnitt durch die Expansionsstufe/Verdichter-Einheit gemäß 1,
4 einen Querschnitt durch die Expansionsstufe/Verdichter-Einheit gemäß 3 entlang der Linie IV-IV und
5 in einer schematischen Darstellung einen Kältemittelkreislauf einer Kfz-Klimaanlage mit einer erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Einheit.

Eine Wärmetauscher-Einheit 1 einer Kfz-Klimaanlage umfasst entsprechend 1, 2 und 5 insbesondere einen Fluid-Luft-Wärmetauscher 3 sowie eine Expansionsstufe/Verdichter-Einheit 2, die in einem gemeinsamen, quaderförmigen Hüllvolumen 4 angeordnet sind. Die Wärmetauscher-Einheit dient insbesondere zum Wärmeaustausch zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid in Form von Umgebungsluft, wobei als erstes Fluid insbesondere ein Kältemittel eines in 5 dargestellten Kältemittelkreislaufes der Klimaanlage gewählt ist. Ein solcher Kältemittelkreislauf umfasst insbesondere einen Kältemittel-Kompressor K, in dem gasförmiges Kältemittel komprimiert und gefördert wird und welcher auslassseitig mit der erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Einheit 1 gekoppelt ist. Als erstes Fluid können insbesondere die folgenden Substanzen dienen: R134a, CO₂, H₂O, NH₃, R404a, R410a, R22, SF₆ oder dergleichen. Dabei ist stromab der erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Einheit 1 ein zweiter Wärmetauscher W2 angeordnet, in dem im Rahmen eines Kälteprozesses flüssiges Kältemittel verdampft wird. An den zweiten Wärmetauscher kann sich eine Sammler-Einheit anschließen, in der gasförmiges von flüssigem Kältemittel abgeschieden werden kann und aus der gasförmiges Kältemittel abgezogen und dem Kältemittel-Kompressor erneut zugeführt werden kann. Es ergibt sich somit ein geschlossener Kältemittelkreislauf mit besonders einfachem Aufbau. Es versteht sich von selbst, dass der Kältemittelkreislauf in beide Richtungen betreibbar ist.
In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist eine erfindungsgemäße Wärmetauscher-Einheit in einen Kältemittelkreislauf einer mobilen oder stationären Kälteanlage und/oder einer Wärmepumpe vorgesehen. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel ist anstelle von Luft für die Wärmetauscher-Einheit ein anderes gasförmiges und/oder flüssiges zweites Fluid vorgesehen. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel ist der Fluid-Luft-Wärmetauscher von wenigstens drei physikalisch und/oder chemisch unterschiedlichen Fluiden durchströmbar ausgeführt.
Das gemeinsame Hüllvolumen 4 weist eine im Vergleich große, erste Stirnfläche 4a auf, die parallel zu einer (näherungsweise vertikalen) Hochachse H und parallel zu einer Querachse Q der Wärmetauscher-Einheit orientiert ist und durch die dem Fluid-Luft-Wärmetauscher 3 einer oder mehrere Luftströme (und ggf. ein drittes Fluid) in Richtung einer Durchströmungsachse D zuführbar sind. Entsprechend ist der Fluid-Luft-Wärmetauscher 3 in Richtung der Durchströmungsachse D für den jeweiligen Luftstrom durchlässig gestaltet. Auf einer der ersten Stirnfläche 4a gegenüberliegenden zweiten Stirnfläche 4b können die Luftströme aus dem Fluid-Luft-Wärmetauscher 3 abgeführt werden.
Der Fluid-Luft-Wärmetauscher 3 weist erfindungsgemäß eine erste Rohrelement-Einheit 3a sowie eine zweite Rohrelement-Einheit 3b auf, die jeweils eine Mehrzahl von in Richtung der Querachse Q ausgerichteten Rohrelementen 5 umfassen. Die Rohrelemente 5 sind zur gezielten Führung des ersten Fluids primär in Richtung der Querachse Q vorgesehen, wobei ein Rohrelement 5 insbesondere als Flachrohrprofil mit einem oder mehreren vom ersten Fluid durchströmbaren Hohlräumen ausgestaltet ist. Zwischen einzelnen Rohrelementen 5 sind in bevorzugter Weise Wärmeleitende Wärmeübertragungselemente 6, beispielsweise so genannte Finnen angeordnet, die in Wärmeleitender Verbindung an den Rohrelementen 5 fixiert sind. In den 1 und 2 ist der besseren Übersichtlichkeit wegen lediglich ein Teil der zwischen den Rohrelementen vorgesehenen Wärmeübertragungselemente dargestellt. Insbesondere in Durchströmungsrichtung D sind die Rohrelemente 5 vom zweiten und/oder vom dritten Fluid umströmbar ausgeführt.
Die erste Rohrelement-Einheit 3a ist innerhalb eines quaderförmigen Rohrelement-Hüllvolumens 7, welches die Rohrelement-Einheiten umgibt, direkt unterhalb der zweiten Rohrelement-Einheit 3b angeordnet. In bevorzugter Weise sind der ersten Rohrelement-Einheit 3a eine erste Luftströmung und der zweiten Rohrelement-Einheit 3b eine zweite Luftströmung zugeordnet, wobei die erste Luftströmung eine höhere Temperatur als die zweite Luftströmung aufweisen kann. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist über die Luftströmungen hinweg ein kontinuierliches Temperaturgefälle vorgesehen, dessen niedrigstes Temperaturniveau insbesondere in einem vertikal oberen Bereich 7a des Rohrelement-Hüllvolumens 7 angeordnet ist.
Der Fluid-Luft-Wärmetauscher 3 weist in einem unteren Bereich 4c des gemeinsamen Hüllvolumens 4 ferner einen Einlass-Anschlussverteiler 8 auf, dem über einen Zulauf 8a das erste Fluid zuführbar ist. Über den Einlass-Anschlussverteiler 8 lässt sich das erste Fluid an die erste Rohrelement-Einheit 3a transferieren, wobei das erste Fluid im Bereich des Einlass-Anschlussverteilers 8 auf eine Mehrzahl von Rohrelementen 5 verteilt werden kann. Vorliegend sind die Rohrelemente 5 der ersten Rohrelement-Einheit 3a bevorzugt derart verschaltet, dass die Strömung des ersten Fluids innerhalb der ersten Rohrelement-Einheit im Bereich eines ersten Umlenkverteilers 9 wenigstens einmal um 180° umgelenkt und über einen Zwischenauslass 10 aus der ersten Rohrelement-Einheit herausgeführt werden kann. Über die erste Rohrelement-Einheit 3a ist das erste Fluid in Richtung der Hochachse H nach oben zum Zwischenauslass 10 transferierbar, wobei der Zwischenauslass 10 näherungsweise oberhalb des Einlass-Anschlussverteilers 8 angeordnet ist. Eine derartige Anordnung ist bevorzugt dann realisierbar, wenn innerhalb der ersten Rohrelement-Einheit das erste Fluid in allen Betriebszuständen in gasförmigem Zustand vorliegt und dieses somit durch die erste Rohrelement-Einheit in vertikaler Richtung nach oben transportierbar ist.
Der Fluid-Luft-Wärmetauscher 3 weist ferner in einem vertikal oberen Bereich 4d des gemeinsamen Hüllvolumens 4 einen Zwischeneinlass 11 auf, über den das erste Fluid der zweiten Rohrelement-Einheit 3b zuführbar ist. Vorliegend sind die Rohrelemente 5 der zweiten Rohrelement-Einheit 3b bevorzugt derart verschaltet, dass die Strömung des ersten Fluids innerhalb der zweiten Rohrelement-Einheit im Bereich mehrerer zweiter Umlenkverteiler 12 mehrmals um 180° umgelenkt werden kann. Schließlich wird das erste Fluid über einen Auslass-Anschlussverteiler 13 aus der zweiten Rohrelement-Einheit 3b und somit aus dem Fluid-Luft-Wärmetauscher 3 herausgeführt. Dabei ist der Auslass-Anschlussverteiler 13 bezogen auf die Hochachse H bevorzugt auf einem Niveau unterhalb des Zwischeneinlasses 11 angeordnet, so dass das erste Fluid bei einer Durchströmung der zweiten Rohrelement-Einheit 3b ein gewisses geodätisches Gefälle passiert. Insbesondere ist der Auslass-Anschlussverteiler 13 in einem unteren Abschnitt der zweiten Rohrelement-Einheit 3b und oberhalb der ersten Rohrelement-Einheit 3a angeordnet. Über eine derartige Anordnung ergibt sich eine Toleranz des Fluid-Luft-Wärmetauschers gegenüber einer Kondensation des ersten Fluids beim Durchströmen der zweiten Rohrelement-Einheit.
Wie bereits erwähnt ist dem Fluid-Luft-Wärmetauscher 3 eine Expansionsstufe/Verdichter-Einheit 2 zugeordnet, der über den Zwischenauslass 10 das erste Fluid von der ersten Rohrelement-Einheit 3a zuführbar ist, wobei die zweite Rohrelement-Einheit 3b der Expansionsstufe/Verdichter-Einheit 2 nachgeschaltet ist.
Die Expansionsstufe/Verdichter-Einheit 2 umfasst insbesondere eine Verdichterstufe 14 sowie eine Expansionsstufe 15, die in einem gemeinsamen, topfförmigen Gehäuse 16 angeordnet sind (vgl. 3). Das topfförmige Gehäuse 16 weist in bevorzugter Weise in Richtung der Durchströmungsachse D dieselbe Breite auf wie der Fluid-Luft-Wärmetauscher 3. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel sind die Expansionsstufe und die Verdichter-Einheit in separaten Gehäusen untergebracht, jedoch benachbart zueinander angeordnet. In einem weiteren modifizierten Ausführungsbeispiel sind die Expansionsstufe und die Verdichter-Einheit über eine Getriebe- und/oder eine Kupplungseinheit drehmomentfest miteinander gekoppelt bzw. miteinander koppelbar ausgeführt. Insbesondere ist eine in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Wärmetauscher-Einheit bzw. der Kfz-Klimaanlage veränderbare Koppelung von Expansionsstufe und Verdichter-Einheit vorgesehen. Hierzu ist eine Regelungs-/Steuerungsvorrichtung vorgesehen, die über wenigstens einen Sensor Informationen über den Betriebszustand der Kfz-Klimaanlage und/oder die Wärmetauscher-Einheit erhält.
In dem Gehäuse 16 sind mehrere Kanäle zum Transfer des ersten Fluids angeordnet, die nachfolgend anhand 3 und 4 näher beschrieben werden. Innerhalb des Gehäuses 16 ist ein im wesentlichen zylindrischer Hohlraum 16b mit einer Mittelachse 16a gebildet, in dem eine gemeinsame Welle 17 um eine Rotationsachse 17a exzentrisch drehbar gelagert ist, wobei Mittelachse 16a und Rotationsachse 17a einen konstanten Abstand aufweisen. Auf der gemeinsamen Welle 17 ist zum einen ein inneres Expansionsstufenrad 15a mit hoher Genauigkeit festgelegt; zum anderen ist ein inneres Verdichterrad 14a axial verschiebbar auf der gemeinsamen Welle 17 gelagert, wobei ein Verdrehen mit Hilfe einer Feder-Nut-Verbindung 17b verhindert wird. Dem inneren Expansionsstufenrad 15a sowie dem inneren Verdichterrad 14a ist jeweils ein Außenrad zugeordnet, nämlich ein äußeres Expansionsstufenrad 15b und ein äußeres Verdichterstufenrad 14b. An dem äußeren Expansionsstufenrad 15b ist eine Innenverzahnung vorgesehen, die mit einer korrespondierenden Außenverzahnung seitens des inneren Expansionsstufenrades 15a im Eingriff steht. An dem äußeren Verdichterrad 14b ist eine Innenverzahnung vorgesehen, die mit einer korrespondierenden Außenverzahnung seitens des inneren Verdichterrades 14a im Eingriff steht. Die Außenräder 14b, 15b sind jeweils zentrisch im gemeinsamen Gehäuse 16 drehbar gelagert, wobei im Bereich der resultierenden Kraft am jeweiligen Außenrad ein Gleitschuh 18 vorgesehen ist, an dem sich das betreffende Außenrad abstützt. Ein Gleitschuh 18 ist jeweils als separates Bauelement ausgeführt und weist eine vergleichsweise kleine Berührfläche auf, an der das abgestützte Außenrad berührend gleitet. In den übrigen Bereichen sind zwischen den Außenrädern 14b, 15b und dem Gehäuse 16 ringförmige Schmierspalte 16c vorgesehen.
Im Bereich einer Stirnfläche ist zwischen den Elementen der Expansionsstufe 15 und dem Gehäuse 16 ein erstes, bevorzugt metallisches oder keramisches Abstützelement 19 vorgesehen, welches wenigstens einen umlaufenden Dichtring 20 trägt und welches das innere Expansionsstufenrad 15a sowie das äußere Expansionsstufenrad 15b stirnseitig abstützt. Zwischen Expansionsstufe 15 und Verdichterstufe 14 ist eine im Gehäuse 16 verschiebbar angeordnete, isolierende Trennwand 21 vorgesehen, die berührend an den Verdichterrädern 14a, 14b sowie berührend an den Expansionsstufenrädern 15a, 15b anliegt. Die isolierende Trennwand 21 ist bevorzugt aus einem schlecht wärmeleitenden Material hergestellt, insbesondere aus einem Kunststoff oder einem Keramikwerkstoff. Der isolierenden Trennwand 21 ist in einer Umfangsnut wenigstens ein umlaufender Dichtring 22 zugeordnet.
Im Bereich einer zweiten Stirnseite des Gehäuses 16 ist ein einschraubbarer Gehäusedeckel 16d vorgesehen, mit dem das Gehäuse 16 verschließbar gestaltet ist. Zwischen Gehäusedeckel 16d und Verdichterstufe 14 ist ein zweites Abstützelement 23 vorgesehen, welches stirnseitig in berührendem Kontakt steht mit den Verdichterrädern 14a, 14b und bevorzugt über eine zwischen Abstützelement 23 und Gehäusedeckel 16d vorgespannt eingesetzte Schraubenfeder 25 gegen die Verdichterräder 14a, 14b gedrückt wird. In mehreren umlaufenden Nuten sind dem zweiten Abstützelement 23 wenigstens zwei Ringdichtungen 24 zugeordnet. Zwischen den Ringdichtungen 24 ist eine weitere umlaufende Ringnut 26 angeordnet, die in Verbindung steht mit einem ersten Abströmkanal 27 der Verdichterstufe 14 und die vom ersten Fluid durchströmbar gestaltet ist.
Der Abströmkanal 27 ist im wesentlichen im zweiten Abstützelement 23 angeordnet und kommuniziert über die Ringnut 26 mit einem zweiten Abströmkanal 28 der Verdichterstufe, wobei der zweite Abströmkanal 28 wiederum als Bohrung im Gehäuse 16 ausgeführt ist.
Dem Abströmkanal 27 in etwa diametral gegenüberliegend ist ein erster Zuströmkanal 29 der Verdichterstufe 14 im zweiten Abstützelement 23 angeordnet. Dieser erste Zuströmkanal 29 kommuniziert über den Raum der Feder 25 mit einem zweiten Zuströmkanal 30 der Verdichterstufe, wobei der zweite Zuströmkanal 30 bevorzugt unmittelbar an den Zwischenauslass 10 des Fluid-Luft-Wärmetauschers angeschlossen oder einstückig mit diesem ausgeführt ist. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist zwischen Zwischenauslass 10 und zweitem Zuströmkanal 30 eine Transferrohrleitung zwischengeschaltet. Mit Hilfe der erläuterten Verrohrung lässt sich das erste Fluid aus dem Fluid-Luft-Wärmetauscher kommend stromab des Zwischenauslasses 10 über die Zuströmkanäle 29, 30 in die Verdichterstufe 14 einspeisen, in der das erste Fluid mit Hilfe der ineinander greifenden Verdichterräder 14a, 14b komprimiert wird. Anschließend lässt sich das erste Fluid über die Abströmkanäle 27, 28 an eine Überführungsrohrleitung 31 transferieren (vgl. 1), über die das erste Fluid zum Zwischeneinlass 11 transportierbar ist.
Nach einem Durchströmen der zweiten Rohrelement-Einheit 3b gelangt das erste Fluid über den Auslass-Anschlussverteiler 13 an einen im Gehäuse angeordneten dritten Zuströmkanal 32 sowie einen im ersten Abstützelement 19 angeordneten vierten Zuströmkanal 33. Über den dritten und vierten Zuströmkanal lässt sich das erste Fluid der Expansionsstufe 15 zuführen, in der es unter Abgabe von potentieller Energie an die Expansionsstufenräder 15a, 15b kontinuierlich entspannt werden kann. Auf einer den Zuströmkanälen 32, 33 diametral gegenüberliegenden Seite sind ein im Gehäuse angeordneter dritter Abströmkanal 34 sowie ein im ersten Abstützelement 19 angeordneter vierter Abströmkanal 35 vorgesehen, die mit der Niederdruckseite der Expansionsstufe 15 kommunizieren und einen Transfer des entspannten ersten Fluids an einen Ablauf 36 ermöglichen. Über den Ablauf 36 verlässt das erste Fluid nicht nur die Expansionsstufe/Verdichter-Einheit 2, sondern die gesamte Wärmetauscher-Einheit 1.
Die in der Expansionsstufe 15 rückgewonnene technische Arbeit wird erfindungsgemäß über die gemeinsame Welle 17 von Expansionsstufe 15 und Verdichterstufe 14 unmittelbar an die Verdichterstufe weitergegeben. Dabei wird in der Verdichterstufe 14 bevorzugt ein Teil der Verdichtungsarbeit des Kälteprozesses durchgeführt und so die rückgewonnene technische Arbeit intern genutzt. In einem modifizierten Ausführungsbeispiel sind einem erfindungsgemäßen Fluid-Luft-Wärmetauscher mehrere Expansionsstufe/Verdichter-Einheiten zugeordnet, über die eine mehrstufige Expansion sowie eine mehrstufige Verdichtung realisierbar sind. In weiterer Modifikation sind zwischen einzelnen oder mehreren Expansionsstufen sowie jeweils zugeordneten Verdichter-Einheiten ggf. ansteuerbare Getriebe-/Kupplungseinheiten vorgesehen.
In bevorzugter Weise ist eine Expansionsstufe/Verdichter-Einheit 2 näherungsweise kreiszylindrisch ausgeführt und weist einen Durchmesser auf, der in etwa der Dicke des Fluid-Luft-Wärmetauschers 3 in Richtung dessen Durchströmungsachse D entspricht. Eine axiale Länge der Expansionsstufe/Verdichter-Einheit 2 ist dabei kleiner als die Höhe des Fluid-Luft-Wärmetauschers 3 in Richtung der Hochachse H. Somit fügt sich die Expansionsstufe/Verdichter-Einheit in vorteilhafter Weise in ein minimales gemeinsames Hüllvolumen 4 ein.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Einheit lassen sich mit besonders einfachen Mitteln und auf kleinem Raum die folgenden Verfahrensschritte eines mit dem ersten Fluid durchgeführten Kälteprozesses realisieren: Abkühlung, Zwischenverdichtung mit innerer Kompression, weitere Abkühlung und/oder (Teil-)Kondensation, Expansion mit innerer Entspannung. Durch die erfindungsgemäße Rückgewinnung und interne Nutzung der bei der Expansion freiwerdenden potentiellen Energie lässt sich ein besonders wirkungsgradgünstiger Prozess betreiben. Die vorgeschlagene Anordnung vereint eine Vielzahl von Komponenten einer Kältemaschine in einer gemeinsamen Baueinheit, die als Block mit einem besonders kleinen quaderförmigen Hüllvolumen mit Vorteil im Automobilbau oder für sonstige mobile Anwendungen einsetzbar ist.

Claims

Wärmetauscher-Einheit zur Konditionierung eines ersten Fluids, insbesondere eines Kältemittels einer Klimaanlage, mit einem Fluid-Luft-Wärmetauscher umfassend - einen Einlass-Anschlussverteiler (8) zur Zuführung des ersten Fluids an eine erste Rohrelement-Einheit (3a), welche insbesondere quer zu einer Strömungsrichtung des ersten Fluids von Luft oder einem zweiten Fluid umströmbar oder durchströmbar ausgeführt ist, - einen Zwischenauslass (10) zum Transfer des ersten Fluids vom Fluid-Luft-Wärmetauscher (3) an eine Verdichterstufe (14), - einen Zwischeneinlass (11) zum Transfer des ersten Fluids von der Verdichterstufe (14) zum Fluid-Luft-Wärmetauscher (3), wobei - stromabwärts des Zwischeneinlasses (11) eine zweite Rohrelement-Einheit (3b) angeordnet ist, die von Luft oder einem zweiten Fluid umströmbar oder durchströmbar ausgeführt ist, wobei - ein Auslass-Anschlussverteiler (13) zur Abführung des ersten Fluids aus der zweiten Rohrelement-Einheit vorgesehen ist, über den das erste Fluid an eine Expansionsstufe (15) transferierbar ist, wobei die Verdichterstufe (14) und die Expansionsstufe (15) eine gemeinsame Welle (17) aufweisen, wobei ein Verdichterrad (14a) oder ein Expansionsstufenrad (15a) verschiebbar auf der gemeinsamen Welle (17) angeordnet ist.
Wärmetauscher-Einheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterstufe (14) und die Expansionsstufe (15) benachbart zueinander angeordnet und insbesondere drehmomentübertragend miteinander koppelbar sind.
Wärmetauscher-Einheit nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Rohrelement-Einheit (3a) bezogen auf eine vertikale Einbausituation unterhalb der zweiten Rohrelement-Einheit (3b) angeordnet ist
Wärmetauscher-Einheit nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, die erste Rohrelement-Einheit (3a) und die zweite Rohrelement-Einheit (3b) eine gemeinsame Baueinheit in einem bevorzugt quaderförmigen Hüllvolumen (7) bilden.
Wärmetauscher-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Rohrelement-Einheit (3a) entlang zumindest abschnittsweise horizontal angeordneter Rohrelemente (5) und in vertikaler Richtung (H) von unten nach oben für das erste Fluid durchströmbar ausgeführt ist.
Wärmetauscher-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Rohrelement-Einheit (3b) entlang zumindest abschnittsweise horizontal angeordneter Rohrelemente (5) und in vertikaler Richtung (H) von oben nach unten für das erste Fluid durchströmbar ausgeführt ist, wobei insbesondere der Zwischeneinlass (11) an einem oberen Abschnitt der zweiten Rohrelement-Einheit (3b) angeordnet ist.
Wärmetauscher-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass stromab der Expansionsstufe (15) ein zweiter Wärmetauscher zur Verdampfung des ersten Fluids vorgesehen ist.
Wärmetauscher-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Verdichterstufe (14) und Zwischeneinlass (11) eine außerhalb des Fluid-Luft-Wärmetauschers (3) angeordnete Überführungsrohrleitung (31) vorgesehen ist.
Wärmetauscher-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsstufe (15) einstückig oder stoffschlüssig verbunden mit dem Auslass-Anschlussverteiler (13) ausgeführt ist.
Wärmetauscher-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichterstufe (14) und die Expansionsstufe (15) in einem gemeinsamen Gehäuse (16) angeordnet sind, wobei das Gehäuse (16) eine im Gehäuse verschiebbar angeordnete, isolierende Trennwand (21) zwischen einem Verdichterrad (14a, 14b) und einem Expansionsstufenrad (15a, 15b) aufweist, die berührend an dem Verdichterrad und am Expansionsstufenrad anliegt.
Wärmetauscher-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass - die Expansionsstufe (15) ein variables Expansionsvolumen aufweist, in dem eine innere Expansion des ersten Fluids durchführbar ist, und dass - die Verdichterstufe (14) ein variables Verdichtervolumen aufweist, in dem eine innere Verdichtung des ersten Fluids durchführbar ist.
Wärmetauscher-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsstufe (15) und die Verdichterstufe (14) jeweils ein auf einer zentralen Welle (17) gelagertes Innenrad (14a, 15a) sowie ein an einem Gehäuse gelagertes, das Innenrad umgreifendes Außenrad (14b, 15b) aufweisen, wobei - dem Innenrad (14a, 15a) eine Außenverzahnung und - dem Außenrad (14b, 15b) eine korrespondierende, in die Außenverzahnung eingreifende Innenverzahnung zugeordnet sind, wobei - Innenrad und Außenrad jeweils um zwei voneinander beabstandete Rotationsachsen (17a, 16a) drehbar gelagert sind.