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Die Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeugklimaanlage mit einem Kompressor, einem nachgeschalteten Kühler, einem inneren Wärmetauscher mit einem Wärmetauscherrohr zur getrennten Führung eines niederdruckseitig verlaufenden, kühlenden Kältemittelstroms und eines hochdruckseitig verlaufenden, zu kühlenden Kältemittelstroms, die über an den Enden des Wärmetauscherrohrs angeordnete Anschlussbauteile zu- bzw. abgeführt werden, und mit einem einem Verdampfer vorgeschalteten Expansionsventil.
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Innere Wärmetauscher werden als Kraftstoffkühler, als Kühlorgan für Öldruckleitungen und als Wärmetauscher für stationäre Kühlanlagen benutzt. Sie werden generell zur Kühlung von Kältemittel- oder gastransportierenden Medien angewandt. Eine Hauptanwendung der inneren Wärmetauscher ist in Kraftfahrzeugklimaanlagen.
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Zur Effizienzsteigerung von Klimaanlagen, die in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen, ist der Einsatz eines inneren Wärmetauschers bekannt. Dieser weist als Hauptbauteil ein Wärmetauscherrohr auf, in dem niederdruckseitiger Rücklauf und hochdruckseitiger Vorlauf des Kältemittels in voneinander getrennten, aber benachbarten Kanälen realisiert sind. Durch dieses benachbarte, im Gegen- oder Gleichstrom betriebene getrennte Führen der beiden Kältemittelströme wird das Kältemittel im hochdruckseitigen Kanal zusätzlich heruntergekühlt, ohne dass dafür zusätzliche Energie verbraucht wird.
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Aus der
EP 1 202 016 A2 ist ein Wärmetauscher mit einem Wärmetauscherrohr mit einem Mehrkammerprofil bekannt, das einen Zentralkanal aufweist, um den mehrere Außenkanäle angeordnet sind. Der Zentralkanal wird als Hochdruckseite, die Außenkanäle werden als Niederdruckseite verwendet. Der Wärmeaustausch in diesem inneren Wärmetauscher tritt zwischen dem entspannten Kältemittelstrom in den Außenkanälen und dem verdichteten Kältemittelstrom im Zentralkanal auf.
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An jedem Rohrende ist jeweils ein Anschlussbauteil angeordnet, dass jeweils zwei Kältemittelanschlüsse aufweist, um den niederdruckseitigen Kältemittelstrom und den hochdruckseitigen Kältemittelstrom zu- bzw. abzuführen. Dabei ist das Anschlussbauteil, das an dem entgegen der Fließrichtung zum Kompressor und Kühler weisenden Rohrende angebracht ist, mit einem Hochdruckeingang und einem Niederdruckausgang versehen. Das Anschlussbauteil des anderen Rohrendes, das in Fließrichtung zum Verdampfer mit Expansionsventil gerichtet ist, weist einen Hochdruckausgang und einen Niederdruckeingang auf.
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Durch diese Anschlussbauteile werden niederdruckseitiger Kältemittelstrom und hochdruckseitiger Kältemittelstrom, welche durch den inneren Wärmetauscher vorwiegend im Gegenstrombetrieb strömen, getrennt voneinander zu- bzw. abgeleitet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen inneren Wärmetauscher der eingangs beschriebenen Art derart auszugestalten, dass die Bauweise verkleinert und der Montageaufwand verringert wird.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Expansionsventil in das Anschlussbauteil, das am in Fließrichtung zum Verdampfer gerichteten Ende des Wärmetauscherrohrs angebracht ist, integriert ist.
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Durch die Erfindung wird eine kleinbauende kompakte Einheit von innerem Wärmetauscher und Expansionsventil geschaffen. Eine Verbindungsleitung in der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufes wird eingespart, wodurch zwei Trennstellen in dem Leitungsverlauf wegfallen, was zu einer noch geringeren Leckagerate führt.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Raum vor dem Drosselspalt des Expansionsventils über eine Verbindungsbohrung im Gehäuse des Anschlussbauteils mit dem hochdruckseitigen Kältemittelstrom verbunden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist das Expansionsventil eine federbelastete Drosselkugel auf, die entgegen der Federbelastung von einem Ventilstößel eines Druckmembranzylinders axial verschiebbar ist.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Expansionsventil elektrisch betätigbar.
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Durch die Erfindung wird ein leistungsstarker innerer Wärmetauscher in kompakter Bauweise geschaffen, der sich besonders für Anwendungen in Kraftfahrzeugklimaanlagen eignet.
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Anhand der Zeichnung wird nachstehend ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt
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1 einen inneren Wärmetauscher mit einem Wärmetauscherrohr und einem Expansionsventil in explosionsartiger, perspektivischer, schematischer Darstellung;
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2 den inneren Wärmetauscher im Längsschnitt gemäß Linie II-II in 4;
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3 den inneren Wärmetauscher im um 90° versetzten Längsschnitt gemäß Linie III-III in 2;
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4 den inneren Wärmetauscher gemäß 1 in Stirnansicht;
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5 eine Schnittansicht des das Expansionsventil integrierenden Anschlussbauteils gemäß Linie V-V in 2;
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6 eine Detaildarstellung der Anordnung des Expansionsventils im Bauteil des einen Anschlussbauteils in vergrößertem Maßstab;
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7 eine Detaildarstellung des Druckmembranzylinders zur Betätigung des Expansionsventils in Abhängigkeit von der Temperatur in der niederdruckseitigen Saugleitung in vergrößertem Maßstab gemäß Ausschnittskreis VII-VII;
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8 einen Schnitt durch das das Expansionsventil integrierende Anschlussbauteil gemäß Linie VIII-VIII in 5;
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9 einen schematischen Einbauplan einer Kraftfahrzeugklimaanlage nach dem Stand der Technik.
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In 9 ist eine Klimaanlage für Kraftfahrzeuge nach dem bekannten Stand der Technik in einem schematischen Einbauplan dargestellt. Zur Realisierung des Kältemittelkreislaufs weist die Klimaanlage einen Kompressor 71 auf. Der Kompressor 71 weist einen Eingang 72 und einen Ausgang 73 auf. Am Eingang 72 wird ein gasförmiges Kältemittel angesaugt, das in dem Kompressor 71 verdichtet und über den Ausgang 73 wieder abgegeben wird. Von dem Ausgang 73 führt eine Druckleitung 74 zu einem Kühler 76, in dem das verdichtete Kältemittel abkühlt. Das abgekühlte und unter hohem Druck stehende Kältemittel wird über einen Ausgang 77 des Kühlers 76 an eine weitere Druckleitung 78 abgegeben, die zu einem Hochdruckeingang 79 eines Anschlussbauteils 75 eines inneren Wärmetauschers 10 führt. Der innere Wärmetauscher 10 weist einen Hochdruckausgang 81 auf, an den über eine Druckleitung 82 ein Expansionsventil 83 angeschlossen ist. Dieses bewirkt eine Entspannung des Kältemittels, das in einen Verdampfer 84 eingeleitet wird. Hier verdampft es unter Aufnahme von Umgebungswärme, beispielsweise zur Abkühlung eines über den Verdampfer hinweg geführten Luftstromes aus dem Innenraum eines Kraftfahrzeuges. Aus dem Verdampfer 84 wird der entstehende kalte Dampf des Kältemittels über eine Niederdruckleitung 85 zu einem Niederdruckeingang 86 eines Anschlussbauteils 80 des Wärmetauschers 10 geführt. Es durchströmt diesen im Gegenstrom zu dem über den Hochdruckeingang 79 zugeführten Kältemittelstrom. Dabei tritt es in Wärmeaustausch mit diesem und wird an einem Niederdruckausgang 87 erwärmt abgegeben. Von diesem wird es über eine Niederdruckleitung 88 wieder dem Eingang 72 des Kompressors 71 zugeführt.
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Der in 1 gezeigte innere Wärmetauscher 10 weist ein Wärmetauscherrohr 11 auf, dass im Wesentlichen aus einem Außenrohr 12 und einen in das Außenrohr 12 passend eingesetzten, zylinderförmig ausgebildeten Durchflusskörper 13 besteht. In diesem Durchflusskörper 13 sind auf einem Kreisumfang liegend zehn Einzelrohre 14 achsparallel angeordnet. In den Einzelrohren 14 läuft ein zu kühlender Kältemittelstrom (nachfolgend „heißer” Kältemittelstrom A genannt) in Richtung der Pfeile A. Der kühlende Kältemittelstrom (nachfolgend „kalter” Kältemittelstrom B genannt) wird von dem Durchflusskörper 13 geführt und durchströmt den Wärmetauscher 10 in Gegenrichtung (Pfeile B).
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Um den kalten und den heißen Kältemittelstrom in den zylinderförmigen Durchflusskörper 13 ein- bzw. abzuleiten, ist an jedem Ende des Durchflusskörpers 13 jeweils ein Anschlussbauteil 15 bzw. 16 angeordnet, über welche die beiden Kältemittelströme A und B vorwiegend im Gegenstrombetrieb getrennt voneinander zu- bzw. abgeleitet werden.
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Das eine Anschlussbauteil 15 ist unter Zwischenschaltung eines Sammlerflansches 17 an einem Rohrende befestigt. Der Sammlerflansch 17 weist zehn durchgehende Anschlussöffnungen 18 auf, die nach der Montage des inneren Wärmetauschers 10 die Enden der zehn sich über die Länge des Wärmetauscherrohres 11 erstreckenden Einzelrohre 14 dicht aufnehmen. Die Anschlussöffnungen 18 enden in einem Sammelkanal 19 des Anschlussbauteils 15, der über eine außerhalb der Mittelachse liegende Anschlussbohrung 21 (2) im Anschlussbauteil 15 mit einer hochdruckseitigen Kältemittelleitung 22 verbunden ist. Das Anschlussbauteil 15 weist eine durchgehende, mittige Zentralöffnung 23 auf, die abgedichtet mit dem Durchflusskörper 13 fluchtet und das den Durchflusskörper 13 durchströmende kalte Kältemittel B über eine eingesteckte niederdruckseitige Rohrleitung 24 mit dem entsprechenden, hier nicht dargestellten Kältemittelkreislauf verbindet.
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Das andere Anschlussbauteil 16 weist ein quaderförmiges Bauteil 25 auf, das unter Zwischenschaltung eines Sammlerflansches 26 am anderen Rohrende befestigt ist. Es weist eine Zentralöffnung 27 (2) auf, die abgedichtet mit dem Durchflusskörper 13 fluchtet und das den Durchflusskörper 13 durchströmende kalte Kältemittel B über eine rechtwinklig angeordnete Verbindungsbohrung 28 (3) mit dem entsprechenden, hier nicht dargestellten Kältemittelkreislauf über eine angeflanschte, niederdruckseitige, zuführende Rohrleitung 29 verbindet. Der Sammlerflansch 26 weist zehn durchgehende Anschlussöffnungen 31 auf, die nach der Montage des inneren Wärmetauschers 10 die anderen Enden der zehn Einzelrohre 14 dicht aufnehmen. Die Anschlussöffnungen 31 enden in einem Sammelkanal 32 (2) des Bauteils 25, der über eine schräge Stichbohrung 35 und ein drosselartiges Expansionsventil 36 mit einer außerhalb der Mittelachse liegenden, rechtwinklig verlaufenden Anschlussbohrung 33 im Bauteil 25 mit einer Kältemittelleitung 34 verbunden ist.
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Der über die Rohrleitung 29 eingeleitete kalte Kältemittelstrom B trifft auf eine Prallfläche 42 zwischen den Enden der Einzelrohre 14. Die Prallfläche 42 weist eine zentrale, spitzenförmige Vorwölbung 44 (2) auf. Dadurch wird der kalte Kältemittelstrom B radial zu die Einzelrohre 14 aufnehmenden Längsbohrungen 43 des Durchflusskörpers 13 umgelenkt. Der kalte Kältemittelstrom B fließt durch die kreisringförmigen Spalte 45, die sich zwischen dem Außenumfang der Einzelrohre 14 und der jeweiligen Längsbohrung 43 des Durchflusskörpers 13 darstellen (2).
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Jedes Einzelrohr 14 wird in der zugeordneten, einen Rohrlängskanal darstellenden Längsbohrung 43 von einem Teilstrom des kalten Kältemittelstroms B umspült. Es ergibt sich eine definierte Kühlung bei verbessertem Wärmeaustausch.
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Wie aus den 2, 5 und 6 ersichtlich, ist in dem quaderförmigen Bauteil 25 das Expansionsventil 36 integriert, durch das der verdichtete heiße Kältemittelstrom A geleitet wird. Dabei wird das Kältemittel auf den Verdampferdruck entspannt.
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Das Expansionsventil 36 ist im unteren Bereich des Gehäuses 25 angeordnet. Es besteht aus einem Ventilsitz 37 und einer gegen den Ventilsitz 37 federbelasteten Drosselkugel 38. Die Federkraft kann variabel eingestellt werden. Die Drosselkugel 38 verschließt bzw. öffnet einen kreisförmigen Durchströmungskanal 39, der axial von einem Ventilstößel 40 durchdrungen ist (8) und den Ventilsitz 37 bildet. Die axiale Lage der Drosselkugel 38 regelt die Kältemittelmenge, die dem Verdampfer zugeführt wird. Sie passt den Kältemittelfluss an den Bedarf der Klimaanlage an. Wenn die Verdampfertemperatur als zu hoch sensiert wird, muss der Kältemittelfluss erhöht werden, was durch weiteres Öffnen des Expansionsventils 36 bewirkt wird.
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Die Betätigung der Drosselkugel 38 des Expansionsventils 36 erfolgt durch den das Gehäuse 25 durchdringenden Ventilstößel 40, der mit einem Membransystem 41 in Wirkverbindung steht (2, 5 und 7).
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Das in 7 in vergrößerter Detaildarstellung gezeigte Membransystem 41 weist ein pilzartiges Gehäuse 47 auf, dessen Innenraum durch eine eingespannte Druckmembran 49 in zwei Kammern 51 und 52 unterteilt ist. Die obere Kammer 51 dient als Thermosensorraum und ist mit einer Kältemittelflüssigkeit gefüllt, die bei Temperaturschwankungen ihr Volumen ändert. Die obere Kammer 51 stellt ein abgeschlossenes Volumen dar. Die Kammer 52 unterhalb der Druckmembran 49 ist eine Ausgleichskammer, um die Abwärtsbewegung einer flachen runden Trägerplatte 53 zu ermöglichen, auf dem die Druckmembran 49 flach aufliegt. Die Trägerplatte 53 ist in axialer Richtung verschiebbar. An der Unterseite der Trägerplatte 53 ist der Ventilstößel 40 fest angebracht.
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Am Einlass 28 wird das vom Verdampfer kommende Kältemittel durch das Ventilgehäuse zum Auslass 27 geführt. Ist die Temperatur des durchströmenden Kältemittels der Niederdruckseite zu hoch, erhöht sich über Wärmeleitung der Gehäuseteile der Druck in der Druckkammer 51 aufgrund der Ausdehnung des eingeschlossenen Kältemittelvolumens. Das Membransystem 41 wird angesprochen. Die Bewegung der Druckmembran 49 wird auf den Ventilstößel 40 übertragen. Der Ventilstößel 40 drückt die federbelastete Drosselkugel 38 axial weg, so dass der Ventilsitz 37 geöffnet wird. Dadurch wird eine definierte Einspritzmenge des Kältemittels ins Klimasystem befördert.
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Vor dem Ventilsitz 37 steht die hochdruckseitige Kältemittelflüssigkeit A in einem Gehäuseinnenraum 46 an (6), die über einen Schrägkanal 35 aus dem Sammelflansch 26 dorthin geführt wird. Das hochdruckseitige Kältemittel durchströmt das Expansionsventil 36 mit dem sehr stark verengten Querschnitt. Durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit in dem engen Drosselspalt des Expansionsventils 36 wird ein starker Druckabfall verursacht. Nach Durchtreten des Drosselspaltes gelangt das entspannte Kältemittel über eine querliegende Sackbohrung 48 zu der Kältemittelleitung 34, die in den Verdampfer führt.
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Das Expansionsventil 36 kann entweder als mechanisches Expansionsorgan oder als elektronisches Expansionsorgan ausgeführt sein. Wird das Expansionsmittel elektronisch ausgeführt, wird das Expansionsventil von einem elektrischen Stellmotor betätigt, der von einer Steuereinheit beaufschlagt wird, der die Temperatur des Verdampfers als elektrisches Signal zugeführt wird und die dieses Signal entsprechend auswertet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Innerer Wärmetauscher
- 11
- Wärmetauscherrohr
- 12
- Außenrohr
- 13
- Durchflusskörper
- 14
- Einzelrohre
- 15
- Anschlussbauteil
- 16
- Anschlussbauteil
- 17
- Sammlerflansch
- 18
- Anschlussöffnungen
- 19
- Sammelkanal, Verteilerraum
- 21
- Anschlussbohrung
- 22
- Kältemittelleitung, hochdruckseitig
- 23
- Zentralöffung
- 24
- Rohrleitung, niederdruckseitig
- 25
- Bauteil
- 26
- Sammlerflansch
- 27
- Zentralöffnung
- 28
- Verbindungsbohrung
- 29
- Rohrleitung
- 31
- Anschlussöffnungen
- 32
- Sammelkanal
- 33
- Anschlussbohrung
- 34
- Kältemittelleitung
- 35
- Stichbohrung
- 36
- Expansionsventil
- 37
- Ventilsitz
- 38
- Drosselkugel
- 39
- Durchströmungskanal
- 40
- Ventilstößel
- 41
- Membransystem
- 42
- Prallfläche
- 43
- Längsbohrungen
- 44
- Zentrale Vorwölbung
- 45
- Kreisringförmige Spalte
- 46
- Gehäuseinnenraum
- 47
- Gehäuse
- 48
- Sackbohrung
- 49
- Druckmembran
- 51
- Druckkammer
- 52
- Ausgleichskammer
- 53
- Trägerplatte
- 71
- Kompressor
- 72
- Eingang Saugseite
- 73
- Ausgang Druckseite
- 74
- Druckleitung
- 75
- Anschlussbauteil
- 76
- Kühler
- 77
- Ausgang
- 78
- Druckleitung
- 79
- Hochdruckeingang
- 81
- Hochdruckausgang
- 82
- Druckleitung
- 83
- Expansionsventil
- 84
- Verdampfer
- 85
- Niederdruckleitung
- 86
- Niederdruckeingang
- 87
- Niederdruckausgang
- 88
- Niederdruckleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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