DE102010050894A1

DE102010050894A1 - Plattenwärmetauscher und Klimakreislauf für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102010050894A1
Application number: DE102010050894A
Authority: DE
Inventors: Roland Haussmann; Jens Meiser; Reinhard Urban
Original assignee: Valeo Klimasysteme GmbH
Current assignee: Valeo Klimasysteme GmbH
Priority date: 2010-11-10
Filing date: 2010-11-10
Publication date: 2012-05-10
Also published as: CN103429981B; EP2638349B1; JP2014500469A; MX2013005245A; MX339352B; US20130292090A1; WO2012072386A1; EP2638349A1; CN103429981A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher (30) für ein Fahrzeug zur Kühlung einer Kühlflüssigkeit durch ein Kältemittel, mit mehreren übereinandergestapelten Wärmetauscherplatten (40). Zwischen benachbarten Wärmetauscherplatten (40) sind Kältemittelkammern (44) und Kühlflüssigkeitskammern (46) ausgebildet, welche jeweils einen Zufluss (48, 52) und einen Abfluss (50, 54) für das Kältemittel bzw. die Kühlflüssigkeit aufweisen, und wobei die Kältemittel- und/oder Kühlflüssigkeitskammern (44, 46) insgesamt als U-förmige Strömungskanäle (64, 68) ausgebildet sind, wobei der zugeordnete Zufluss (48, 52) am Ende des ersten Schenkels und der zugeordnete Abfluss (50, 54) am Ende des zweiten Schenkels des U-förmigen Strömungskanals (64, 68) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner einen Klimakreislauf (10) für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Fahrzeug mit Elektromotor, mit einem Primärkreislauf (12) für ein Kältemittel und einem Sekundärkreislauf (14) für eine Kühlflüssigkeit, wobei Primärkreislauf (12) und Sekundärkreislauf (14) über einen Plattenwärmetauscher (30) gekoppelt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher für ein Fahrzeug, zur Kühlung einer Kühlflüssigkeit durch ein Kältemittel, mit mehreren übereinandergestapelten Wärmetauscherplatten, sowie einen Klimakreislauf für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Fahrzeug mit Elektromotor.
Es sind Plattenwärmetauscher der eingangs genannten Art bekannt, bei denen die Zwischenräume zwischen benachbarten Platten von der Kühlflüssigkeit bzw. dem Kältemittel durchströmt werden, wobei die Kühlflüssigkeit von einer ersten Seite des Plattenwärmetauschers zur gegenüberliegenden zweiten Seite des Plattenwärmetauschers strömt, während das Kältemittel in entgegengesetzter Richtung vom zweiten Ende zum ersten Ende des Plattenwärmetauschers strömt. Die Länge der Strömungskanäle im Plattenwärmetauscher entspricht dabei im Wesentlichen der Länge des Plattenwärmetauschers vom ersten Ende zum zweiten Ende. Die äußeren Abmessungen des Plattenwärmetauschers und die Lage der Anschlüsse des Plattenwärmetauschers sind somit abhängig von der gewünschten Länge der Strömungskanäle im Plattenwärmetauscher.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Plattenwärmetauscher mit einer kompakten Bauweise zu schaffen sowie einen Klimakreislauf für ein Fahrzeug, welcher kompakt und bauraumoptimiert ausgebildet werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Plattenwärmetauscher für ein Fahrzeug zur Kühlung einer Kühlflüssigkeit durch ein Kältemittel, mit mehreren übereinandergestapelten Wärmetauscherplatten gelöst, wobei zwischen benachbarten Wärmetauscherplatten Kältemittelkammern und Kühlflüssigkeitskammern ausgebildet sind, welche jeweils einen Zufluss und einen Abfluss für das Kältemittel bzw. die Kühlflüssigkeit aufweisen. Die Kältemittel- und/oder Kühlflüssigkeitskammern sind insgesamt als U-förmige Strömungskanäle ausgebildet, wobei der zugeordnete Zufluss am Ende des ersten Schenkels und der zugeordnete Abfluss am Ende des zweiten Schenkels des U-förmigen Strömungskanals angeordnet sind. Durch die U-förmigen Strömungskanäle ist es möglich, die Länge des Strömungskanals der Kältemittel- und/oder Kühlflüssigkeitskammern zu verdoppeln, ohne die Länge des Plattenwärmetauschers zu vergrößern, sowie die Anschlüsse für Zufluss und Abfluss des Kältemittels bzw. der Kühlflüssigkeit flexibel zu positionieren.
Vorzugsweise haben die Wärmetauscherplatten in ihrer Plattenebene sowohl eine Haupterstreckungsrichtung als auch eine senkrecht dazu verlaufende Nebenerstreckungsrichtung und sind in einer Stapelrichtung, die senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung und zur Nebenerstreckungsrichtung verläuft, nebeneinander angeordnet (im folgenden „Richtungsdefinition”).
Bei dieser vorgegebenen Richtungsdefinition ist es vorteilhaft, dass Zufluss und Abfluss für das Kältemittel in der Haupterstreckungsrichtung am gleichen Ende der Wärmetauscherplatten vorgesehen sind. Auf diese Weise können Zufluss und Abfluss für das Kältemittel nahe zueinander positioniert werden, ohne die Länge des Strömungskanals für das Kältemittel verkürzen zu müssen.
Die Wärmetauscherplatten können im Wesentlichen rechteckig sein und die Haupterstreckungsrichtung kann dann in Längsrichtung der Platten verlaufen.
Ein gemeinsamer Zuflussanschluss und Abflussanschluss für alle Kältemittelkammern ist mit einem Anschlussbauteil vorgesehen, welches eine direkte Befestigung eines Expansionsventils für das Kältemittel am Plattenwärmetauscher ermöglicht. Auf diese Weise kann ein Leitungssystem zwischen Expansionsventil und Plattenwärmetauscher eingespart werden.
Um eine gleichmäßige Kühlleistung in allen Kältemittelkammern zu erreichen, kann das Anschlussbauteil einen Kältemittelverteiler aufweisen, welcher eine Verteilung des Kältemittelphasengemisches auf die verschiedenen Kältemittelkammern des Plattenwärmetauschers vergleichmäßigt.
Bei der vorgenannten Richtungsdefinition können Zufluss und Abfluss für die Kühlflüssigkeit in der Haupterstreckungsrichtung am gleichen oder an entgegengesetzten Enden der Wärmetauscherplatten vorgesehen sein. Dies ermöglicht eine variable Anordnung der Anschlüsse für die Kühlflüssigkeit.
Für eine flexible Anordnung der Anschlüsse des Plattenwärmetauschers an einen Primär- und Sekundärkreislauf können jeweils ein gemeinsamer Zuflussanschluss und ein gemeinsamer Abflussanschluss für alle Kältemittelkammern und jeweils ein gemeinsamer Zuflussanschluss und ein gemeinsamer Abflussanschluss für alle Kühlflüssigkeitskammern vorgesehen sein, wobei der gemeinsame Zuflussanschluss und Abflussanschluss für das Kältemittel in Stapelrichtung an der gleichen Seitenfläche oder an entgegengesetzten Seitenflächen des Plattenwärmetauschers angeordnet sind wie Zuflussanschluss und Abflussanschluss für die Kühlflüssigkeit.
An einem gemeinsamen Zuflussanschluss und/oder Abflussanschluss für alle Kühlflüssigkeitskammern kann eine Endplatte vorgesehen sein, welche in Stapelrichtung vor oder hinter den Wärmetauscherplatten angeordnet ist und welche wenigstens einen Strömungskanal für die Kühlflüssigkeit bildet, welcher den gemeinsamen Zuflussanschluss bzw. Abflussanschluss der Wärmetauscherplatten mit einem Anschluss für ein Kühlflüssigkeitssystem verbindet. Auf diese Weise bildet die Endplatte des Plattenwärmetauschers eine Art Adapter, der einen kompakten und vorteilhaft angeordneten Anschluss an das Kühlflüssigkeitssystem ermöglicht.
Eine weitere Ausführungsform sieht bei der vorgenannten Richtungsdefinition vor, Zufluss und Abfluss für das Kältemittel in der Haupterstreckungsrichtung an entgegengesetzten Enden der Wärmetauscherplatten anzuordnen wie Zufluss und Abfluss für die Kühlflüssigkeit. Bei entsprechender Ausrichtung des Plattenwärmetauschers ermöglicht diese Anordnung der Anschlüsse einen Anschluss für Kühlflüssigkeit am oberen Ende der Wärmetauscherplatten und einen Anschluss für Kältemittel am unteren Ende der Wärmetauscherplatten. Somit wird auf einfache Weise einerseits eine Entgasung der Kühlflüssigkeitskammern und andererseits ein Rückfluss von Öl in den Kältemittelkammern ermöglicht.
Die Strömungsrichtung in aneinander angrenzenden Kältemittelkammern und Kühlflüssigkeitskammern kann gleich oder entgegengesetzt sein. Durch die Wahl der Flussrichtung von Kältemittel und Kühlflüssigkeit kann die Wärmeübertragung zwischen Kältemittel und Kühlflüssigkeit entlang des Strömungskanals optimiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Wärmetauscherplatten einen Strömungskanal in den Kühlflüssigkeitskammern bilden, welcher von einem Zufluss der Kühlflüssigkeit an einem Ende der Wärmetauscherplatten in Haupterstreckungsrichtung zu einem Abfluss der Kühlflüssigkeit am entgegengesetzten Ende der Wärmetauscherplatten verläuft.
Um die Gesamteffektivität des Wärmeaustauschs zwischen Kühlflüssigkeit und Kältemittel zu verbessern, beträgt die Druckdifferenz über den ersten Schenkel des U-förmigen Strömungskanals für das Kältemittel zwischen 70% und 100%, vorzugsweise zwischen 80% und 92%, der Gesamtdruckdifferenz, und die Druckdifferenz über den in Strömungsrichtung zweiten Schenkel des U-förmigen Strömungskanals für das Kältemittel zwischen 0% und 30%, vorzugsweise zwischen 8% und 20%, der Gesamtdruckdifferenz.
Vorzugsweise ist die U-Form der Strömungskanäle durch eine Zwischenwand gebildet, die durch ein die benachbarten Wärmetauscherplatten verbindendes Teil oder einen ungeformten Abschnitt wenigstens einer Wärmetauscherplatte geschaffen ist. Dies ermöglicht eine einfache Bauweise des Plattenwärmetauschers.
Um die Verteilung des Kaltemittels bzw. der Kühlflüssigkeit in den U-förmigen Strömungskanälen zu vergleichmäßigen, können die Schenkel der U-förmigen Strömungskanäle durch zahlreiche nebeneinanderliegend angeordnete, langgestreckte Kanäle gebildet sein.
Die Erfindung betrifft ferner einen Klimakreislauf für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Fahrzeug mit Elektromotor, mit einem Primärkreislauf für ein Kältemittel und einem Sekundärkreislauf für eine Kühlflüssigkeit, wobei Primärkreislauf und Sekundärkreislauf an den erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher gekoppelt sind. Da der Plattenwärmetauscher selbst kompakt ausgebildet ist und eine flexible Anordnung der Anschlüsse für Kältemittel und Kühlflüssigkeit hat, wird eine kompakte und flexibel ausführbare Bauweise des Klimakreislaufs ermöglicht.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Klimakreislaufs mit einem Primärkreislauf für ein Kältemittel und einem Sekundärkreislauf für eine Kühlflüssigkeit;
2 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers entlang der Schnittlinie II-II in 3;
3 eine Draufsicht auf den Plattenwärmetauscher gemäß 2 in Stapelrichtung;
4 eine schematische Ansicht des Plattenwärmetauschers gemäß 2 mit an der gleichen Seitenfläche des Plattenwärmetauschers angeordneten Anschlüssen für Kältemittel und Kühlflüssigkeit;
5 eine schematische Ansicht des Plattenwärmetauschers gemäß 2 mit an entgegengesetzten Seitenflächen des Plattenwärmetauschers angeordneten Anschlüssen für Kältemittel und Kühlflüssigkeit;
6 ein Strömungsrichtungsdiagramm mit dazugehörigem Temperaturverlaufsdiagramm gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
7 ein Strömungsrichtungsdiagramm mit dazugehörigem Temperaturverlaufsdiagramm gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
8 ein Strömungsrichtungsdiagramm mit dazugehörigem Temperaturverlaufsdiagramm gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
9 ein Strömungsrichtungsdiagramm mit dazugehörigem Temperaturverlaufsdiagramm gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
10 einen Plattenwärmetauscher gemäß 9 mit einer ersten Anordnung der Anschlüsse für die Kühlflüssigkeit;
11 einen Plattenwärmetauscher gemäß 9 mit einer zweiten, alternativen Anordnung der Anschlüsse für die Kühlflüssigkeit;
12 einen Plattenwärmetauscher gemäß 9 mit einer dritten, alternativen Anordnung der Anschlüsse für die Kühlflüssigkeit;
13 eine schematische Ansicht von vier Wärmetauscherplatten eines erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers;
14 eine alternative Ausführungsform von vier Wärmetauscherplatten eines erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers;
15 eine Detailansicht des Plattenwärmetauschers gemäß 2 mit einem Kältemittelverteiler; und
16a, 16b und 16c schematische Ansichten verschiedener Ausführungsformen eines Kältemittelverteilers gemäß 15.
1 zeigt eine schematische Zeichnung eines Klimakreislaufs 10 für ein Fahrzeug mit einem Primärkreislauf 12 für ein Kältemittel und einen Sekundärkreislauf 14 für eine Kühlflüssigkeit.
Das Fahrzeug ist beispielsweise ein Fahrzeug mit Elektromotor, insbesondere ein Hybridfahrzeug oder reines Elektrofahrzeug, mit einer durch den Klimakreislauf zu kühlenden Batterie.
Im Primärkreislauf 12 sind ein Kompressor 16, ein Verflüssiger 18 und ein Trockner 20 vorgesehen. Der Primärkreislauf 12 teilt sich in zwei Teilbereiche auf, die jeweils durch ein Ventil 22 gesperrt oder geöffnet werden können.
Im ersten Teilbereich des Primärkreislaufs 12 sind ein Expansionsventil 24 und ein Verdampfer 26 vorgesehen. Der Verdampfer 26 ist Teil einer Fahrzeugklimaanlage für einen Fahrzeuginnenraum.
Im zweiten Teilbereich des Primärkreislaufs 12 sind ein Expansionsventil 28 und ein Plattenwärmetauscher 30 vorgesehen. Der Plattenwärmetauscher 30 ist des Weiteren in dem Sekundärkreislauf 14 integriert und ermöglicht die Kühlung einer Kühlflüssigkeit im Sekundärkreislauf 14 durch das Kältemittel im Primärkreislauf 12.
Der Sekundärkreislauf 14 weist eine Pumpe 32 auf, welche die Kühlflüssigkeit durch den Sekundärkreislauf 14 pumpt. Der Sekundärkreislauf 14 umfasst ferner einen Speicher 34 für die Kühlflüssigkeit. Eine erste Kühlvorrichtung 36 für eine Batterie und eine zweite Kühlvorrichtung 38 für ein Elektronikbauteil sind an verschiedenen Positionen im Sekundärkreislauf 14 angeordnet. Die Position der Kühlvorrichtungen 36, 38 im Sekundärkreislauf 14 kann insbesondere von der benötigten Kühlleistung abhängen.
2 zeigt eine Schnittansicht durch den Plattenwärmetauscher 30. Mehrere Wärmetauscherplatten 40 sind in einer Stapelrichtung 42 übereinandergestapelt, wobei zwischen benachbarten Wärmetauscherplatten 40 abwechselnd Kältemittelkammern 44 und Kühlflüssigkeitskammern 46 ausgebildet sind, welche jeweils einen Zufluss 48, 52 und einen Abfluss 50, 54 für das Kältemittel bzw. die Kühlflüssigkeit aufweisen.
Auf der rechten Seite in 2 ist eine Endplatte 56 vorgesehen, die in Stapelrichtung hinter den Wärmetauscherplatten 40 angeordnet ist. In der gezeigten Ausführungsform dient die Endplatte 56 beispielsweise zur Befestigung des Plattenwärmetauschers 30. Die Endplatte 56 kann auch Teil eines Gehäuses des Plattenwärmetauschers 30 sein.
Die Wärmetauscherplatten 40 haben in ihrer Plattenebene sowohl eine Haupterstreckungsrichtung 58 als auch eine senkrecht dazu verlaufende Nebenerstreckungsrichtung 60, die jeweils senkrecht zur Stapelrichtung 42 verlaufen. In 2 verläuft die Nebenerstreckungsrichtung 60 senkrecht zur Zeichenebene.
Die verschiedenen Zuflüsse 48 der verschiedenen Kältemittelkammern 44 liegen entlang einer Geraden und bilden somit einen gemeinsamen Zuflussanschluss 49 für alle Kältemittelkammern 44. Am gemeinsamen Zuflussanschluss 49 ist ein Anschlussbauteil 62 vorgesehen, welches eine direkte Befestigung des Expansionsventils 28 am Plattenwärmetauscher 30 ermöglicht. Solche Expansionsventile 28 haben einen geringen seitlichen Abstand zwischen Zufluss- und Abflusskanal. Bei den Ausführungsformen nach der Erfindung liegen diese Kanäle koaxial zu den Zuflüssen 48 und Abflüssen 50.
Analog zu den Zuflüssen 48 des Kältemittels liegen auch die Zuflüsse 52 der Kühlflüssigkeit der verschiedenen Kühlflüssigkeitskammern 46 entlang einer Gerade und bilden einen gemeinsamen Zuflussanschluss 53 für alle Kühlflüssigkeitskammern. Auf der linken Seite des Plattenwärmetauschers 30 ist am gemeinsamen Zuflussanschluss 53 der Kühlflüssigkeitskammern 46 ein Rohr des Sekundärkreislaufs 14 angeschlossen.
Analog zu den Zuflussanschlüssen 49, 53 sind alle Abflüsse 50, 54 für das Kältemittel bzw. die Kühlflüssigkeit als gemeinsame Abflussanschlüsse 51, 55 ausgebildet.
3 zeigt eine Draufsicht auf den Plattenwärmetauscher 30 in Stapelrichtung 42. Die Wärmetauscherplatten 40 sind im Wesentlichen länglich und rechteckig, und die Haupterstreckungsrichtung 58 ist in Längsrichtung der Wärmetauscherplatten 40. Im unteren Bereich des Plattenwärmetauschers 30 ist das Anschlussbauteil 62 gezeigt mit dem gemeinsamen Zuflussanschluss 49 aller Kältemittelkammern 44 und dem gemeinsamen Abflussanschluss 51 aller Kältemittelkammern 44.
Der Abstand von Zufluss 48 und Abfluss 50 des Kältemittels der Kältemittelkammern 44 ist klein gegenüber der Ausdehnung der Wärmetauscherplatten 40 in Haupterstreckungsrichtung 58. Wie in den folgenden Figuren gezeigt ist, ermöglicht dieser kleine Abstand eine direkte Montage des Expansionsventils 28 am Plattenwärmetauscher 30, ohne dass Rohre oder Leitungen für das Kältemittel zwischen dem Expansionsventil 28 und dem Plattenwärmetauscher 30 benötigt werden.
Im oberen Bereich des Plattenwärmetauschers 30 sind, wiederum mit geringem Abstand, der gemeinsame Zuflussanschluss 53 und der gemeinsame Abflussanschluss 55 aller Kühlflüssigkeitskammern 46 des Plattenwärmetauschers 30 angeordnet.
4 zeigt eine schematische Ansicht des Plattenwärmetauschers 30 in einer Draufsicht in Richtung der Nebenerstreckungsrichtung 60. Wie in dieser Perspektive gut zu erkennen ist, sind der gemeinsame Zuflussanschluss 49 und der gemeinsame Abflussanschluss 51 für alle Kältemittelkammern 44 sowie der gemeinsame Zuflussanschluss 53 und der gemeinsame Abflussanschluss 55 für alle Kühlflüssigkeitskammern 46 an der gleichen Seitenfläche des Plattenwärmetauschers 30 bezogen auf die Stapelrichtung 42 angeordnet.
5 zeigt eine alternative Anordnung des Zuflussanschlusses 53 und des Abflussanschlusses 55 der Kühlflüssigkeitskammern 46 an der entgegengesetzten Seitenfläche des Plattenwärmetauschers 30 bezogen auf die Stapelrichtung 42. Der Zuflussanschluss 49 und der Abflussanschluss 51 der Kältemittelkammern 44 weisen das gemeinsame Anschlussbauteil 62 auf, an welchem direkt das Expansionsventil 28 angebracht ist.
Am Zuflussanschluss 53 und am Abflussanschluss 55 der Kühlflüssigkeitskammern 46 ist jeweils ein Rohrleitungselement des Sekundärkreislaufs 14 angeschlossen.
6 zeigt den Strömungsverlauf des Kältemittels in den Kältemittelkammern 44 und den Verlauf der Kühlflüssigkeit in den Kühlflüssigkeitskammern 46 einer ersten Ausführungsform des Plattenwärmetauschers 30 sowie den Temperaturverlauf des Kältemittels und der Kühlflüssigkeit.
Das Kältemittel gelangt über den Zufluss 48 in die Kältemittelkammer 44, die durch zwei benachbarte Wärmetauscherplatten 40 gebildet wird. Die Kältemittelkammer 44 ist insgesamt ein U-förmiger Strömungskanal 64, wobei der Zufluss 48 des Kältemittels am Ende des ersten Schenkels und der Abfluss 50 am Ende des zweiten Schenkels des U-förmigen Strömungskanals 64 angeordnet ist. Die beiden Schenkel des U-förmigen Strömungskanals 64 sind durch eine Zwischenwand 66 getrennt.
Das „U” erstreckt sich über annähernd die gesamte Länge der Wärmetauscherplatten 40.
Die Kühlflüssigkeitskammer 46 ist auf gleiche Weise durch eine Zwischenwand 66 als U-förmiger Strömungskanal 68 für die Kühlflüssigkeit ausgebildet. Der Zufluss 52 der Kühlflüssigkeitskammer 46 ist am Ende des ersten Schenkels, und der Abfluss 54 ist am Ende des zweiten Schenkels des U-förmigen Strömungskanals 68 in der Kühlflüssigkeitskammer 46 angeordnet. Die U-Form des Strömungskanals 68 für die Kühlflüssigkeit steht somit gegenüber dem U-förmigen Strömungskanal 64 des Kältemittels auf dem Kopf, wobei die Schenkel der beiden Strömungskanäle 64, 68 aufeinanderliegen.
In der Ausführungsform nach 6 ist die Strömungsrichtung von Kältemittel und Kühlflüssigkeit in aneinander angrenzenden Kältemittelkammern 44 und Kühlflüssigkeitskammern 46 in beiden Schenkeln jeweils entgegengesetzt zueinander.
6 zeigt ferner den Temperaturverlauf im ersten Schenkel A von Position A₁ bis A₂ sowie im zweiten Schenkel B von der Position B₁ bis B₂ in beiden Kammern 44, 46. Bei einer Zuflusstemperatur der Kühlflüssigkeit bei A₂ von 10°C und einer Abflusstemperatur der Kühlflüssigkeit bei B₁ von 4°C sowie einer Zuflusstemperatur des Kältemittels bei A₁ von 4°C und einer Abflusstemperatur des Kältemittels bei B₂ von 1°C ergibt sich im Schenkel A eine effektive Temperaturdifferenz Δtlog 5,1 K und im Schenkel B eine effektive Temperaturdifferenz Δtlog 3,6 K, sowie insgesamt eine mittlere effektive Temperaturdifferenz Δtlog 4,4 K jeweils zwischen benachbarten Kammern 44, 46. Je höher die Temperaturdifferenz zwischen Kältemittel und Kühlflüssigkeit ist, desto besser ist der Wärmeaustausch zwischen den beiden.
7 zeigt eine zweite Ausführungsform des Plattenwärmetauschers 30, wobei die Bauweise im Wesentlichen mit der ersten Ausführungsform identisch ist. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten dadurch, dass die Strömungsrichtung in der Kältemittelkammer 44 invertiert wurde. In der Kältemittelkammer 44 ist somit gegenüber der ersten Ausführungsform der Zufluss 48 mit dem Abfluss 50 vertauscht.
Die Strömungsrichtung in aneinander angrenzenden Kältemittelkammern 44 und Kühlflüssigkeitskammern 46 ist somit gleich.
Das Kältemittel fließt nun zuerst durch den Schenkel B des U-förmigen Strömungskanals 64 von B₁ nach B₂ und kühlt sich dabei von 4°C auf 2°C ab. Anschließend strömt das Kältemittel durch den Schenkel A von A₁ nach A₂, wobei es sich von 2°C auf 1°C abkühlt. Die Sättigungstemperatur liegt bei 0°C. Wie in den Temperaturverlaufsdiagrammen zu erkennen ist, ist die Temperaturdifferenz im Schenkel A größer als bei der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die effektive Temperaturdifferenz bei Δtlog 7 K liegt. Im Schenkel B ist die Temperaturdifferenz dagegen etwas geringer und liegt bei Δtlog 2,5 K. Die mittlere effektive Temperaturdifferenz über den gesamten Strömungskanal liegt bei Δtlog 4,7 K. Durch die Gleichrichtung der Strömungsrichtungen in aneinander angrenzenden Kältemittelkammern 44 und Kühlflüssigkeitskammern 46 lässt sich überraschenderweise mit den U-förmigen Strömungskanälen eine verbesserte Temperaturdifferenz erreichen, wodurch die Effektivität des Plattenwärmetauschers 30 erhöht wird.
8 zeigt eine dritte Ausführungsform des Plattenwärmetauschers 30. Die Strömungsrichtung in den U-förmigen Strömungskanälen 64, 68 der Kältemittelkammern 44 bzw. der Kühlflüssigkeitskammern 46 ist identisch mit der zweiten Ausführungsform. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform lediglich dadurch, dass die Druckdifferenz über dem Schenkel B des U-förmigen Strömungskanals 64 für das Kältemittel zwischen 70% und 100%, vorzugsweise zwischen 80% und 92% der Gesamtdruckdifferenz beträgt, während die Druckdifferenz über dem Schenkel A zwischen 0% und 30%, vorzugsweise zwischen 8% und 20% der Gesamtdruckdifferenz beträgt. Im Schenkel B, dem ersten Schenkel in Strömungsrichtung des Kältemittels, kühlt sich das Kältemittel stark ab und erreicht im gezeigten Beispiel 0,5°C. Die Abkühlung resultiert aus dem auf Grund des Druckverlustes sinkenden statischen Druck und der dadurch bedingten Absenkung der Kältemittelsättigungstemperatur.
Im Schenkel A findet dagegen keine weitere Abkühlung des Kältemittels statt. da die Sättigungstemperatur durch den geringen Druckverlust im Schenkel A nur noch minimal um ca. 0,5 K abfällt. Dieser Temperaturabfall wird jedoch durch eine Kältemittelüberhitzung von 1 K überlagert, so dass am Kältemittelaustritt A₂ des Schenkels A die Temperatur sogar um 0,5 K höher ist als am Eintritt A₁. Auf diese Weise ist eine sehr große Temperaturdifferenz zwischen der Kältemittelkammer 44 und der Kühlflüssigkeitskammer 46 im Bereich des Schenkels A möglich, wobei die effektive Temperaturdifferenz bei Δtlog 7,6 K liegt. Im Schenkel B liegt die effektive Temperaturdifferenz bei Δtlog 3,2 K. Die mittlere effektive Temperaturdifferenz beider Schenkel liegt bei Δtlog 5,4 K, wodurch eine weitere Verbesserung der Effektivität des Plattenwärmetauschers 30 erreicht wurde.
Die unterschiedlichen Druckdifferenzen in den beiden Schenkeln des U-förmigen Strömungskanals 64 für das Kältemittel können auf verschiedene Art und Weise erreicht werden. Im gezeigten Beispiel wird die unterschiedliche Druckdifferenz durch unterschiedlichen Strömungswiderstand in den beiden Schenkeln des Strömungskanals 64 erreicht. Dazu sind unterschiedliche Berippungen der Strömungskanäle oder verschiedene Einsätze in den Strömungskanälen vorgesehen. Alternativ können die beiden Schenkel auch mit unterschiedlichem Strömungsquerschnitt ausgebildet sein, beispielsweise indem die Zwischenwand 66 die beiden Schenkel des U-förmigen Strömungskanals 64 nicht gleichmäßig aufteilt.
9 zeigt eine vierte Ausführungsform des Plattenwärmetauschers 30, wobei lediglich der Strömungskanal 64 für das Kältemittel in den Kältemittelkammern 44 U-förmig ausgebildet ist. Die Lage des Expansionsventils 28 ist in der Kältemittelkammer 44 mit gepunkteten Linien gezeigt. Die Ausbildung der Kältemittelkammern 44 sowie die Strömungsrichtung des Kältemittels durch den U-förmigen Strömungskanal 64 ist identisch mit der dritten Ausführungsform des Plattenwärmetauschers 30. Die vierte Ausführungsform unterscheidet sich von den vorhergehenden Ausführungsformen dadurch, dass die Kühlflüssigkeitskammern 46 einen Strömungskanal 70 aufweisen, welcher vom Zufluss 52 der Kühlflüssigkeit an einem Ende der Wärmetauscherplatten 40 parallel zur Haupterstreckungsrichtung 58 zu einem Abfluss 54 der Kühlflüssigkeit am entgegengesetzten Ende der Wärmetauscherplatten 40 verläuft.
Die Temperaturdifferenzdiagramme oben und unten in 9 beziehen sich auf die Bereiche der Schenkel A und B der Kältemittelkammern 44. In den benachbarten Kühlflüssigkeitskammern 46 sind die Bereiche A und B Teil des gleichen in einer Richtung durchströmten Strömungskanals 70. Der Temperaturverlauf der Kühlflüssigkeit ist daher in beiden Bereichen gleich.
Der Temperaturverlauf des Kältemittels entspricht dem Temperaturverlauf des Kältemittels in der dritten Ausführungsform des Plattenwärmetauschers 30.
Die effektive Temperaturdifferenz im Schenkel A beträgt Δtlog 5,64 K, und die effektive Temperaturdifferenz im Bereich des Schenkels B beträgt Δtlog 4,63 K.
In der in 9 gezeigten Ausführungsform benötigt der Strömungskanal 70 der Kühlflüssigkeitskammern 46 keine Zwischenwand 66. Es muss somit lediglich eine Zwischenwand 66 in den Kältemittelkammern 44 vorgesehen sein. Somit ist im Plattenwärmetauscher 30 nur in jeder zweiten Kammer eine Zwischenwand 66 notwendig, wodurch sich die Bauweise des Plattenwärmetauschers 30 vereinfacht.
In den 10, 11 und 12 sind verschiedene Anschlussvarianten zum Anschluss des Plattenwärmetauschers 30 an den Sekundärkreislauf 14 vorgesehen.
10 zeigt eine perspektivische Ansicht des Plattenwärmetauschers 30, wobei das Expansionsventil 28 auf der linken Seite des Plattenwärmetauschers 30 unten vorgesehen ist. Aufgrund des Platzbedarfs des Expansionsventils 28 ist der Abflussanschluss 55 für die Kühlflüssigkeit am gleichen Ende in Haupterstreckungsrichtung 58 des Plattenwärmetauschers 30 nur an der dem Expansionsventil 28 gegenüberliegenden Seitenfläche in Stapelrichtung 42 möglich. Der in Haupterstreckungsrichtung 58 oben liegende Zuflussanschluss 53 kann auf der gleichen Seitenfläche in Stapelrichtung 42 wie der Abflussanschluss 55 liegen oder, wie in 10 mit gepunkteter Linie gezeigt ist, auf der entgegengesetzten Seitenfläche bezogen auf die Stapelrichtung 42.
Bei dem in 11 gezeigten Plattenwärmetauscher 30 ist eine zusätzliche Endplatte 56 auf der dem Expansionsventil 28 entgegengesetzten Seitenfläche des Plattenwärmetauschers 30 in Stapelrichtung 42 vorgesehen. Die Endplatte 56 bildet einen durch die punktierte Linie angedeuteten Strömungskanal für die Kühlflüssigkeit, welcher den gemeinsamen Abflussanschluss 55 der Wärmetauscherplatten 40 mit einem Anschluss 72 für das Kühlflüssigkeitssystem des Sekundärkreislaufs 12 verbindet. Auf diese Weise ist es möglich, dass die Leitungssysteme des Sekundärkreislaufs 14 jeweils am gleichen Ende in Haupterstreckungsrichtung 58 des Plattenwärmetauschers 30 vorgesehen sind, obwohl der gemeinsame Zufluss- oder Abflussanschluss 53, 55 der Kühlflüssigkeitskammern 46 an in Haupterstreckungsrichtung 58 entgegengesetzten Enden des Plattenwärmetauschers 30 liegen.
12 zeigt eine ähnliche Ausführungsform, wobei die Kühlflüssigkeitsanschlüsse des Sekundärkreislaufs 14 an entgegengesetzten Seitenflächen des Plattenwärmetauschers 30 in Stapelrichtung 42 liegen.
13 wiederum gibt eine Ausführungsform des Plattenwärmetauschers 30 wieder, wobei die Wärmetauscherplatten 40 jeweils eben ausgebildet sind und durch Wandelemente 74 zur Bildung der Kältemittelkammern 44 und der Kühlflüssigkeitskammern 46 beabstandet sind. Weitere Wandelemente bilden die Zwischenwand 66, die die benachbarten Wärmetauscherplatten 40 verbindet.
14 zeigt eine weitere Ausführungsform des Plattenwärmetauschers 30, wobei jeweils zwei benachbarte Wärmetauscherplatten 40 einen umgeformten Abschnitt 76 aufweisen, welcher gemeinsam die Zwischenwand 66 der Kühlflüssigkeitskammern 46 bildet. Die Zwischenwand 66 der Kältemittelkammern 44 ist dagegen analog zu 13 durch ein Wandelement gebildet, welches die benachbarten Wärmetauscherplatten 40 miteinander verbindet.
In den 13 und 14 sind in den Kältemittelkammern 44 und den Kühlflüssigkeitskammern 46 Einsätze 78 vorgesehen, die die Kältemittelkammern 44 bzw. Kühlflüssigkeitskammern 46 in kleine, parallele Kanäle aufteilen, die längs der Schenkel A und B in den 6 bis 9 verlaufen.
15 zeigt eine Detailansicht des Plattenwärmetauschers 30 gemäß 2, wobei im Bereich des Anschlussbauteils 62 eine Drosseleinrichtung 80 vorgesehen ist. In der in 15 gezeigten Ausführungsform ist die Drosseleinrichtung 80 ein Rohr mit kalibriertem Durchmesser, welches vorn Anschlussflansch zumindest teilweise in eine oder mehrere Kältemittelkammern 44 hineinragt. Vor der Drosseleinrichtung 80 ist ein Filter 82 vorgesehen.
In 16a ist eine Ausführungsform eines Kältemittelverteilers 81 in einer einfachen Bauweise dargestellt, wobei eine im Vergleich zur Drosseleinrichtung 80 größere Öffnung am gemeinsamen Zuflussanschluss 49 der Kältemittelkammern 44 vorgesehen ist, die nur einen Teil der gesamten Druckdifferenz zwischen Hoch- und Niederdruck verursacht; die restliche Druckdifferenz wird durch das Expansionsventil 28 ausgeregelt.
16b zeigt eine Ausführungsform des Kältemittelverteilers mit einem Rohr mit kalibriertem Durchmesser, welches sich in den gemeinsamen Zuflussanschluss 49 der Kältemittelkammern 44 erstreckt.
Beim Austritt des Kältemittels aus der reduzierten Öffnung 81 oder dem Rohr mit kalibriertem Durchmesser wird das Kältemittelphasengemisch verwirbelt, wobei eine Vergleichmäßigung des Gemisches stattfindet und eine gleichmäßigere Verteilung auf die verschiedenen Kältemittelkammern 44 ermöglicht wird. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Kühlleistung in allen Kältemittelkammern 44 erreicht.
16c zeigt einen Kältemittelverteiler 81 in Form eines Verteilereinsatzes, welcher eine homogene Verteilung des Kältemittelphasengemisches auf die verschiedenen Kältemittelkammern 44 des Plattenwärmetauschers 30 ermöglicht.

Claims

Plattenwärmetauscher (30) für ein Fahrzeug zur Kühlung einer Kühlflüssigkeit durch ein Kältemittel, mit mehreren übereinander gestapelten Wärmetauscherplatten (40), wobei zwischen benachbarten Wärmetauscherplatten (40) Kältemittelkammern (44) und Kühlflüssigkeitskammern (46) ausgebildet sind, welche jeweils einen Zufluss (48, 52) und einen Abfluss (50, 54) für das Kältemittel bzw. die Kühlflüssigkeit aufweisen, und die Kältemittel- und/oder Kühlflüssigkeitskammern (44, 46) insgesamt als U-förmige Strömungskanäle (64, 68) ausgebildet sind, wobei der zugeordnete Zufluss (48, 52) am Ende des ersten Schenkels und der zugeordnete Abfluss am Ende des zweiten Schenkels des U-förmigen Strömungskanals angeordnet ist.
Plattenwärmetauscher gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherplatten (40) in ihrer Plattenebene sowohl eine Haupterstreckungsrichtung (58) als auch eine senkrecht dazu verlaufende Nebenerstreckungsrichtung (60) haben und in einer Stapelrichtung (42), die senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung (58) und zur Nebenerstreckungsrichtung (60) verläuft, nebeneinander angeordnet sind, und dass Zufluss (48) und Abfluss (50) für das Kältemittel in der Haupterstreckungsrichtung (58) am gleichen Ende der Wärmetauscherplatten (40) vorgesehen sind.
Plattenwärmetauscher gemäß Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen gemeinsamen Zuflussanschluss (49) und Abflussanschluss (51) für alle Kältemittelkammern (44), wobei ein Anschlussbauteil (62) vorgesehen ist, welches eine direkte Befestigung eines Expansionsventils (28) für das Kältemittel am Plattenwärmetauscher (30) ermöglicht.
Plattenwärmetauscher gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlussbauteil (62) einen Kältemittelverteiler (81) aufweist, welcher eine Verteilung des Kältemittelphasengemisches auf die verschiedenen Kältemittelkammern (44) des Plattenwärmetauschers (30) homogenisiert.
Plattenwärmetauscher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherplatten (40) in ihrer Plattenebene sowohl eine Haupterstreckungsrichtung (58) als auch eine senkrecht dazu verlaufende Nebenerstreckungsrichtung (60) haben und in einer Stapelrichtung (42), die senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung (58) und zur Nebenerstreckungsrichtung (60) verläuft, nebeneinander angeordnet sind, und dass Zufluss (50) und Abfluss (52) für die Kühlflüssigkeit in der Haupterstreckungsrichtung (58) am gleichen Ende oder an entgegengesetzten Enden der Wärmetauscherplatten (40) vorgesehen sind.
Plattenwärmetauscher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch jeweils einen gemeinsamen Zuflussanschluss (49) und gemeinsamen Abflussanschluss (51) für alle Kältemittelkammern (44) und jeweils einen gemeinsamen Zuflussanschluss (53) und gemeinsamen Abflussanschluss (55) für alle Kühlflüssigkeitskammern (46), wobei der gemeinsame Zuflussanschluss (49) und Abflussanschluss (51) für das Kältemittel in Stapelrichtung (42) an der gleichen Seitenfläche oder an entgegengesetzten Seitenflächen des Plattenwärmetauschers (30) angeordnet sind wie Zuflussanschluss (53) und Abflussanschluss (55) für die Kühlflüssigkeit.
Plattenwärmetauscher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen gemeinsamen Zuflussanschluss (53) und/oder Abflussanschluss (55) für alle Kühlflüssigkeitskammern (46), wobei eine Endplatte (56) vorgesehen ist, welche in Stapelrichtung (42) vor oder hinter den Wärmetauscherplatten (40) angeordnet ist und welche mindestens einen Strömungskanal für die Kühlflüssigkeit bildet, welcher den gemeinsamen Zuflussanschluss (53) bzw. Abflussanschluss (55) der Wärmetauscherplatten (40) mit einem Anschluss (72) für ein Kühlflüssigkeitssystem verbindet.
Plattenwärmetauscher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherplatten (40) in ihrer Plattenebene sowohl eine Haupterstreckungsrichtung (58) als auch eine senkrecht dazu verlaufende Nebenerstreckungsrichtung (60) haben und in einer Stapelrichtung (42), die senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung (58) und zur Nebenerstreckungsrichtung (60) verläuft, nebeneinander angeordnet sind, und dass Zufluss (48) und Abfluss (50) für das Kältemittel in Haupterstreckungsrichtung (58) an entgegengesetzten Enden der Wärmetauscherplatten (40) angeordnet sind wie Zufluss (52) und Abfluss (54) für die Kühlflüssigkeit.
Plattenwärmetauscher gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtung in aneinander angrenzenden Kältemittelkammern (44) und Kühlflüssigkeitskammern (46) gleich oder entgegengesetzt ist.
Plattenwärmetauscher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherplatten (40) einen Strömungskanal (70) in den Kühlflüssigkeitskammern (46) bilden, welcher von einem Zufluss (52) der Kühlflüssigkeit an einem Ende der Wärmetauscherplatten (40) in Haupterstreckungsrichtung (58) zu einem Abfluss (54) der Kühlflüssigkeit am entgegengesetzten Ende der Wärmetauscherplatten (40) verläuft.
Plattenwärmetauscher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz über den ersten Schenkel des U-förmigen Strömungskanals (64) für das Kältemittel zwischen 70% und 100%, vorzugsweise zwischen 80% und 92%, der Gesamtdruckdifferenz beträgt und die Druckdifferenz über den in Strömungsrichtung zweiten Schenkel des U-förmigen Strömungskanals (64) für das Kältemittel zwischen 0% und 30%, vorzugsweise zwischen 8% und 20%, der Gesamtdruckdifferenz beträgt.
Plattenwärmetauscher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die U-Form der Strömungskanäle (64, 68) durch eine Zwischenwand (66) gebildet ist, die durch ein die benachbarten Wärmetauscherplatten (40) verbindendes Teil (74) oder einen ungeformten Abschnitt (76) wenigstens einer Wärmetauscherplatte (40) gebildet ist.
Plattenwärmetauscher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel der U-förmigen Strömungskanäle (64, 68) durch zahlreiche nebeneinander liegend angeordnete, langstreckte Kanäle gebildet werden.
Klimakreislauf (10) für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Fahrzeug mit Elektromotor, mit einem Primärkreislauf (12) für ein Kältemittel und einem Sekundärkreislauf (14) für eine Kühlflüssigkeit, wobei Primärkreislauf (12) und Sekundärkreislauf (14) über einen Plattenwärmetauscher (30) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche gekoppelt sind.