DE102010055613A1

DE102010055613A1 - Wärmetauscheranordnung zur thermischen Kopplung eines Kühlmittelkreislaufs mit einem Kältemittelkreislauf in einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE102010055613A1
Application number: DE102010055613A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Bernd (FH) Eichberger; Dipl.-INg. Johannes (BA) Molitor; Manuel Walz; Maik-Uwe Zillich
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2012-06-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmetauscheranordnung (1) zur thermischen Kopplung eines Kühlmittelkreislaufs mit einem Kältemittelkreislauf in einem Fahrzeug. Erfindungsgemäßist in einem Einspritzkanal oder einem Einspritzrohr (5.1) einer Expansionseinheit zumindest ein Temperatursensor (16) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmetauscheranordnung zur thermischen Kopplung eines Kühlmittelkreislaufs mit einem Kältemittelkreislauf in einem Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die DE 60 2004 009 355 beschreibt einen Kältemittelkreislauf mit einem Kompressor, einem Gaskühler, Drosselmitteln, einem Verdampfer und einer Kontrolleinheit, wobei die Drosselmittel erste und zweite kapillare Röhren umfassen, und wobei die erste kapillare Röhre einen höheren Widerstand gegenüber der Strömung des Kältemittels aufweist als die zweite kapillare Röhre, sowie Ventile vorgesehen sind, die jeweils den kapillaren Röhren zugeordnet sind, um das Hindurchströmen des Kältemittels zu kontrollieren. Die Kontrolleinheit ist derart konfiguriert, dass sie das Ventil schließt, welches der ersten kapillaren Röhre zugeordnet ist und dass sie das Ventil öffnet, welches der zweiten kapillaren Röhre zugeordnet ist, wenn der Kompressor in Betrieb genommen wird, so dass das gesamte Kältemittel durch die zweite kapillare Röhre strömt, wobei dadurch der Widerstand gegen die Strömung des Kältemittels durch die Drosselmittel reduziert wird.
Die US 2006 0213208 beschreibt einen Kältemittelkreislauf mit einer Steuereinheit.
Herkömmliche Hochvolt-Batterien sind bezüglich ihrer Leistungsaufnahme und -abgabe stark abhängig von ihrer Betriebstemperatur. Aufgrund der chemischen Prozesse im Innern der elektrochemischen Zellen ist ein Leistungsaufnahme als auch – abgabeverhalten sowohl bei hohen Batterietemperaturen als auch bei niedrigen Batterietemperaturen eingeschränkt. Somit ist es notwendig, die Hochvolt-Batterien derart zu temperieren, dass ein Betrieb in einer Temperaturzone erfolgen kann, welche eine optimierte Leistungsaufnahme und -abgabe der Hochvolt-Batterien ermöglicht.
Bei niedrigen Batterie- und Außentemperaturen werden die Hochvolt-Batterien über verschiedene Heizsysteme aufgeheizt und im Bereich der Temperaturzone gehalten, welche eine optimierte Leistungsaufnahme und -abgabe der Hochvolt-Batterien ermöglicht. Bei hohen Batterie- und Außentemperaturen werden die Hochvolt-Batterien über verschiedene Kühlsysteme gekühlt und im Bereich der Temperaturzone gehalten.
Somit wird sichergestellt, dass die Hochvolt-Batterien eine hohe Energiemenge aufnehmen können, beispielweise beim Laden und/oder Rekuperieren, oder eine hohe Energiemenge abgeben können, beisielweise beim Fahrbetrieb, einer Versorgung von Nebenaggregaten des Fahrzeugs, einer Unterstützung des 12 V-Bordnetzes des Fahrzeugs.
Im Stand der Technik sind Kühlungen für die elektrochemischen Zellen eines Hybridfahrzeugs beispielsweise durch Luft, Wasser oder Kältemittel bekannt. Neben diesen Kühlungen gibt es eine Variante, bei der die elektrochemischen Zellen in nahezu allen Betriebspunkten, vorzugsweise bei kühlen und mittleren Außentemperaturen kleiner als 35°C, mittels des Kühlmittels und bei höheren Außentemperaturen und/oder extremen Belastungen der elektrochemischen Zellen mittels eines Kältemittelkreislaufs gekühlt werden können. Hierzu wird ein Wärmetauscher eingesetzt, der den Kältemittelkreislauf mit dem Kühlmittelkreislauf koppelt und das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs auf ein geringeres Temperaturniveau kühlen kann, als es durch die Außenluft möglich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte, insbesondere leichtere, kompaktere und kostengünstigere Wärmetauscheranordnung zur thermischen Kopplung eines Kühlmittelkreislaufs mit einem Kältemittelkreislauf in einem Fahrzeug anzugeben, deren Komplexität verringert ist und in welcher zumindest ein Temperatursensor und ein Befestigungselement mit zwei Entkopplungselementen integriert ist.
Hinsichtlich der Wärmetauscheranordnung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei der Wärmetauscheranordnung zur thermischen Kopplung eines Kühlmittelkreislaufs mit einem Kältemittelkreislauf in einem Fahrzeug ist erfindungsgemäß in einem Einspritzkanal einer Expansionseinheit zumindest ein Temperatursensor angeordnet. Dadurch kann ein in einer herkömmlichen Wärmetauscheranordnung notwendiger Drucksensor entfallen. Somit sind die Kosten der Wärmetauscheranordnung signifikant reduziert, da ein Drucksensor ein Vielfaches eines Temperatursensors kostet.
Die Erfindung zeigt eine technische Lösung für eine Wärmetauscheranordnung, bei der eine Bauteilanzahl, ein Gewicht, ein Platzbedarf und die Herstellungs- und Montagekosten gegenüber dem Stand der Technik signifikant verringert sind.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform bilden der Temperatursensor und das Befestigungselement mit den beiden integrierten Entkopplungselementen zusammen mit dem Wärmetauscher eine bauliche Einheit. Dadurch ist eine Montagezeit der erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung gegenüber herkömmlichen Wärmetauscheranordnungen mit zusätzlich verbauten separaten Entkopplungselementen deutlich verringert.
Besonders vorteilhafterweise sind die Betriebsgeräusche des Kältemittelkreislaufs durch die Entkopplungselemente zwischen Wärmetauscheranordnung und Rohbaukarosserie des Fahrzeugs reduziert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine perspektivische Darstellung einer Wärmetauscheranordnung zur thermischen Kopplung eines Kühlmittelkreislaufs mit einem Kältemittelkreislauf nach dem Stand der Technik,
2 schematisch eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsvariante einer Wärmetauscheranordnung zur thermischen Kopplung eines Kühlmittelkreislaufs mit einem Kältemittelkreislauf,
3 schematisch eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsvariante einer Wärmetauscheranordnung zur thermischen Kopplung eines Kühlmittelkreislaufs mit einem Kältemittelkreislauf und
4 schematisch eine perspektivische Darstellung einer dritten Ausführungsvariante einer Wärmetauscheranordnung zur thermischen Kopplung eines Kühlmittelkreislaufs mit einem Kältemittelkreislauf.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist schematisch eine perspektivische Darstellung einer Wärmetauscheranordnung 1 zur thermischen Kopplung eines Kühlmittelkreislaufs mit einem Kältemittelkreislauf nach dem Stand der Technik dargestellt. Eine solche Wärmetauscheranordnung 1 ist in einem Fahrzeug mit Hybridantrieb angeordnet und koppelt einen herkömmlichen Kühlmittelkreislauf, in welchem ein Kühlmittel zirkuliert, mit einem herkömmlichen Kältemittelkreislauf, in welchem ein Kältemittel zirkuliert.
Dabei ist das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs durch eine Umgebungsluft des Fahrzeugs abkühlbar, während das Kältemittel im Kältemittelkreislauf auf eine Temperatur, welche unterhalb der Temperatur der Umgebungsluft liegt, abkühlbar ist.
Das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs kühlt oder wärmt nicht dargestellte Hoch-Voltbatterien des Fahrzeugs mit Hybridantrieb. Bei sehr hohen Umgebungstemperaturen oder besonders hohen Batteriebelastungen kann der Kühlmittelkreislauf die Hoch-Voltbatterien nicht in ausreichendem Maße kühlen. In diesem Fall können die Hoch-Voltbatterien mit Unterstützung des Kältemittelkreislaufs unter eine Umgebungstemperatur gekühlt werden. Hierzu wird eine Wärmetauscheranordnung 1 eingesetzt, welche den Kältemittelkreislauf mit dem Kühlmittelkreislauf thermisch koppelt, und somit das Kühlmittel auf ein geringeres Temperaturniveau kühlen kann als es durch die Umgebungsluft ermöglicht ist.
Eine herkömmliche Wärmetauscheranordnung 1 umfasst zumindest einen Wärmetauscher 2 mit zwei daran angeordneten Kühlmittelanschlüssen 3, zwei Kältemittelanschlüssen 5, welche an einem Flansch 6 des Wärmetauschers 2 angeordnet und mittels einer Halteplatte 7 und zwei Befestigungsmitteln 8, beispielsweise herkömmlichen Sechskantschrauben mit Unterlegscheibe, an diesem gehalten sind. Am Wärmetauscher 2 ist ein Befestigungselement 4 angeordnet, in welchem zwei Aussparungen 9 für herkömmliche, nicht dargestellte Befestigungsmittel angeordnet sind.
Die Kältemittelanschlüsse 5 sind rohrförmig ausgebildet und münden in einem Expansionsventil 10. Dabei ist ein Kältemittelanschluss 5 als Einspritzrohr 5.1 und der andere Kältemittelanschluss 5 als Saugrohr 5.2 ausgeformt. Das Expansionsventil 10 ist als elektrisch betätigbares Steuer- und/oder Regelventil mit Absperrfunktion ausgebildet und weist eine Betätigungsspule 13 zur Aktivierung der Absperrfunktion und ein der Betätigungsspule 13 zugeordnetes elektrisches Anschlusselement 11 auf. Am Expansionsventil 10 ist ein weiteres Befestigungselement 12 angeordnet. In diesem Befestigungselement 12 ist eine Aussparung 9 eingebracht, welche korrespondierend zu herkömmlichen, nicht dargestellten Befestigungsmitteln ausgeformt ist.
Die gesamte herkömmliche Wärmetauscheranordnung 1 gemäß 1 ist mittels der drei Aussparungen 9, in welchen herkömmliche Befestigungsmitteln anordenbar sind, an einer Rohbaukarosserie des Fahrzeugs befestigbar.
In 2 ist schematisch eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsvariante der Wärmetauscheranordnung 1 zur thermischen Kopplung des Kühlmittelkreislaufs mit dem Kältemittelkreislauf im Fahrzeug dargestellt. Das Befestigungselement 4 weist zwei Befestigungsabschnitte 14 auf, welchen jeweils ein Entkopplungselement 15 zugeordnet ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind diese Entkopplungselemente 15 in das Befestigungselement 4 integriert. Mittels der Entkopplungselemente 15 ist die Wärmetauscheranordnung 1 vibrations- und/oder stoßgeschützt an der Rohbaukarosserie des Fahrzeugs befestigbar. Somit sind die Betriebsgeräusche des Kältemittelkreislaufs signifikant reduziert.
Das Expansionsventil 10 ist direkt am Flansch 6 angeordnet, wobei der Flansch 6 an der den Kühlmittelanschlüssen 3 gegenüberliegenden Seite des Wärmetauschers 2 angeordnet ist. Dadurch ist eine Länge der Wärmetauscheranordnung 1 verringert. Innerhalb des Flansches 6 verlaufen die beiden Kältemittelanschlüsse 5, welche als Einspritzrohr 5.1 und als Saugrohr 5.2 ausgebildet sind. Im Flansch 6 ist ein Temperatursensor 16 derart angeordnet, dass er eine Temperatur des im Einspritzrohr 5.1 geführten Kältemittels erfassen kann. Das Einspritzrohr 5.1 mündet bevorzugt in eine innerhalb des Wärmetauschers 2 angeordnete und/oder integrierte Expansionseinheit.
Oberhalb des Expansionsventils 10 ist die Betätigungsspule 13 mit einem integrierten elektrischen Anschlusselement 11 angeordnet.
Durch eine erfindungsgemäß kompakt ausgebildete Wärmetauscheranordnung 1 sind eine Bauteilanzahl, ein Gewicht, ein Platzbedarf und die Herstellungs- und Montagekosten gegenüber dem Stand der Technik signifikant verringert. Durch das verringerte Gewicht und die verringerten Abmessungen ist die Wärmetauscheranordnung 1 mittels zweier Entkopplungselemente 15 sicher an der Rohbaukarosserie des Fahrzeugs gehalten, während eine herkömmliche Wärmetauscheranordnung mittels dreier Befestigungsmittel an der Rohbaukarosserie des Fahrzeugs gehalten ist. Dadurch ist vorteilhafterweise eine Montagezeit der Wärmetauscheranordnung 1 verringert.
In 3 ist schematisch eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsvariante der Wärmetauscheranordnung 1 zur thermischen Kopplung des Kühlmittelkreislaufs mit dem Kältemittelkreislauf im Fahrzeug dargestellt. Diese Ausführungsvariante entspricht im Wesentlichen der Ausführungsvariante nach 2 mit dem Unterschied, dass die Kühlmittelanschlüsse 3 auf derselben Seite des Wärmetauschers 1 angeordnet sind, wie der Flansch 6. Um einen freien Zugang zu den Kühlmittelanschlüssen 3 zu ermöglichen, ist der Temperatursensor 16 seitlich am Flansch 6 angeordnet. Weiterhin ist die Betätigungsspule 13 mit dem integrierten elektrischen Anschlusselement 11 seitlich am Expansionsventil 10 angeordnet. In dieser Ausführungsvariante weisen die Kühlmittelanschlüsse 3 und die Kältemittelanschlüsse 5 am Expansionsventil 10 vorteilhafterweise in die gleich Richtung, so dass ein Anschluss der Wärmetauscheranordnung 1 an den Kühlmittelkreislauf und den Kältemittelkreislauf im Fahrzeug erleichtert ist.
In 4 ist schematisch eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsvariante der Wärmetauscheranordnung 1 zur thermischen Kopplung des Kühlmittelkreislaufs mit dem Kältemittelkreislauf im Fahrzeug dargestellt. Diese Ausführungsvariante entspricht im Wesentlichen der Ausführungsvariante nach 3 mit dem Unterschied, dass das Expansionsventil 10 unterhalb des Flanschs 6 angeordnet ist, wodurch die Länge der Wärmetauscheranordnung 1 weiter verringert ist.
Bezugszeichenliste

1: Wärmetauscheranordnung
2: Wärmetauscher
3: Kühlmittelanschluss
4: Befestigungselement
5: Kältemittelanschluss
5.1: Einspritzrohr
5.2: Saugrohr
6: Flansch
7: Halteplatte
8: Befestigungsmittel
9: Aussparung
10: Expansionsventil
11: elektrisches Anschlusselement
12: Befestigungselement
13: Betätigungsspule
14: Befestigungsabschnitt
15: Entkopplungselement
16: Temperatursensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 602004009355 [0002]
US 20060213208 [0003]

Claims

Wärmetauscheranordnung (1) zur thermischen Kopplung eines Kühlmittelkreislaufs mit einem Kältemittelkreislauf in einem Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Einspritzkanal oder einem Einspritzrohr (5.1) einer Expansionseinheit zumindest ein Temperatursensor (16) angeordnet ist.
Wärmetauscheranordnung (1) nach Anspruch 1, umfassend ein Befestigungselement (4) mit zwei Befestigungsabschnitten (14).
Wärmetauscheranordnung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Befestigungsabschnitt (14) ein Entkopplungselement (15) zugeordnet und am Befestigungselement (4) integriert ist.
Wärmetauscheranordnung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (16) und das Befestigungselement (4) mit den beiden Entkopplungselementen (15) zusammen mit dem Wärmetauscher (2) eine bauliche Einheit bilden.