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Die Erfindung betrifft einen Chiller, sowie eine Vorrichtung zur Kühlung einer Wärmequelle eines Kraftfahrzeugs, jeweils gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
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Für Hybrid- und insbesondere für Elektrofahrzeuge ist ein effektives Temperarturmanagement von Hochvoltbatterien, Leistungselektronikkomponenten, Ladegeräten und dergleichen von zentraler Bedeutung für Reichweitenverlängerung und effizienten Einsatz von Energie. Als Chiller werden Kältemittel/Kühlmittelwärmetauscher bezeichnet, die zunehmend im Automotivbereich zum Einsatz kommen. Einsatzzweck ist dabei die Kühlung von thermisch sensiblen Komponenten, die Wärmequellen darstellen, wie z. B. der erwähnten Hochvoltbatterien, Leistungselektronikkomponenten oder Ladegeräte. Chiller werden als kompakte und preiswerte Systeme angesehen, wobei im Automotivbereich bisher vorwiegend Plattenwärmeübertrager verwendet werden. Ein derartiger Plattenwärmeübertrager ist beispielsweise aus der
DE 10 2008 017 113 A1 bekannt, der eine Mehrzahl von parallel zueinander in einer Hochrichtung gestapelten Platten mit fluchtend angeordneten Durchbrechungen zur Durchführung und Abführung eines als Kältemittel ausgebildeten ersten Fluids und eines zweiten Fluids aufweist. Weitere Ausführungsformen von Plattenverdampfern sind aus der
DE 31 48 375 A1 ,
DE 10 2006 002 194 A1 ,
WO 2009/033578 A2 sowie
DE 600 22 572 T2 bekannt. Aus der
DE 602 42 066 T2 sowie der
DE 600 22 572 T2 sind weitere Wärmeaustauscher zur Kühlung von Batterien und Leistungselektronikkomponenten bekannt. Aus der
DE 196 46 349 ist ferner ein relativ aufwendig konstruierter Verdampfer mit luftkühlendem und flüssigkeitskühlendem Bereich zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeugs bekannt, wobei das verdampfende Kältemittel in Scheiben geführt wird, zwischen denen eine Kühlflüssigkeit zirkulieren kann. Zur Wärmeübertragung sind Lamellen vorgesehen.
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Die bekannten Wärmeübertrager sind zum Teil preiswert in der Herstellung und können einfach über die Anzahl der Platten in ihrer Kühlleistung skaliert werden. Allerdings sind mit Plattenwärmeübertragern Leistungszahlen ≥ 2 (COP) nicht zu erreichen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Chiller anzugeben, der eine kompakte Form bei hoher Wärmetauscheffizienz, insbesondere gegenüber dem Stand der Technik höheren Leistungszahlen aufweist.
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Die Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
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Der erfindungsgemäße Chiller zur Kühlung einer Wärmequelle eines Kraftfahrzeugs umfassend eine Mehrzahl von Kältemittelströmungskanälen, sowie eine Mehrzahl von Kühlmittelströmungskanälen, zeichnet sich dadurch aus, dass die Kühlmittelströmungskanäle durch zwischen den Kältemittelströmungskanälen vorgesehene Freiräumen gebildet, wärmeübertragende Flächen zwischen einem in den Kältemittelströmungskanälen geführten Kältemittel und einem in den Kühlmittelströmungskanälen geführten Kühlmittel durch zumindest Teilbereiche der Kältemittelströmungskanalwandungen gebildet sind und die Kältemittelströmungskanäle im Bereich der Wärmeübertragungsflächen ein kältemittelführendes Volumen V* aufweisen, das um einen Faktor F zwischen 3 und 6 bevorzugt zwischen 3,5 und 5 größer ist, als das kühlmittelführende Volumen V der Kühlmittelströmungskanäle im Bereich der Wärmeübertragungsflächen. Als „Bereich der Wärmeübertragungsflächen” wird vorzugsweise ein räumlicher Bereich bezeichnet, der zumindest 80% des gesamten räumlichen Bereichs in dem Kühlmittelströmungskanäle, Kältemittelströmungskanäle sowie wärmeübertragende Flächen angeordnet sind, umfasst. Dadurch, dass in dem Bereich der wärmeübertragenden Flächen das kältemittelführende Volumen V* um einen Faktor F zwischen 3 und 6 größer ist als das kühlmittelführende Volumen V, ermöglicht die Erfindung eine bessere Ausnutzung der Verdampfungsentahlpie des Kältemittels. Vorzugsweise sind die Kältemittelströmungskanäle als Rohrelemente ausgebildet, wodurch eine kompakte Form des Chillers erreicht wird.
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Als Kältemittel kann jedes der in Klimaanlagen üblichen Kältemittel vorgesehen sein, beispielsweise ein fluorierter Kohlenwasserstoff (FKW, HFKW, R134a, HFO-1234yf) oder CO2. Als Kühlmittel sind Fluide vorgesehen, wie beispielsweise ein Wasser-Glysantin-Gemisch.
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Bei der Auslegung des erfindungsgemäßen Chillers versteht es sich, dass berücksichtigt wird, dass bei niedrigen Wassertemperaturen, beispielsweise in einem Temperaturbereich zwischen 0°C und –20°C, die Fließfähigkeit des Kühlmittels herabgesetzt wird. Daher ist erfindungsgemäß das kühlmittelführende Volumen V im Verhältnis zum kältemittelführenden Volumen V* gegenüber den Werten bei 20°C vergrößert, bsp. verdoppelt. Dementsprechend wird der Abstand zwischen den Kältemittelströmungskanälen entsprechend erhöht, um Druckverluste zu reduzieren. Es versteht sich, dass das Volumen V* der kältemittelführenden Rohre in Abhängigkeit vom Saugdruck angepasst wird.
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Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Rohrelemente in einem Innengehäuse angeordnet sind, welches in einem Außengehäuse angeordnet ist, dessen Innenbereich strömungsmäßig mit den Freiräumen verbunden und von dem Kühlmittel durchströmbar ist. Die Anordnung der Rohrelemente in einem Innengehäuse, welches in einem Außengehäuse angeordnet ist, dessen Innenbereich strömungsmäßig mit den Freiräumen verbunden und von dem Kühlmittel durchströmbar ist, kann vorteilhaft ein zusätzlicher Wärmetransfer von dem Kühlmittel auf die Rohrelemente durchströmendes Kältemittel erfolgen. Zumindest in dem Bereich des Innengehäuses ist das kältemittelführende Volumen V* um einen Faktor F zwischen 3 und 6 größer ist als das kühlmittelführende Volumen V gewählt. V* kann in diesem Fall verstanden werden, als Gesamtvolumen der Rohrelemente, die in dem Innengehäuse angeordnet sind. V kann dann verstanden werden, als Gesamtvolumen der Freiräume im Innengehäuse zwischen den Rohrelementen.
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Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das Verhältnis von Längserstreckung zum Querschnittsdurchmesser des Innengehäuses zumindest 3:2 beträgt, kann bei gegebenen Querschnittsdurchmesser die Wärmeübertragungskapazität vorteilhaft vergrößert werden. Der erfindungsgemäße Chiller kann durch geeignete Wahl der Länge L bzw. des Querschnittsdurchmessers D skaliert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei einer Nennleistung von 1 KW bei einem Wasser-Glysantin-Gemisch eine Wassermenge in den Kühlmittelströmungskanälen von ca. 100 ml sich befindet.
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Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Rohrelemente als Flachrohrelemente ausgebildet sind, womit eine einfache und preisgünstige Herstellung des Chillers vorteilhaft erreicht werden kann.
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Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Rohrelemente als Rundrohrelemente ausgebildet sind, womit ebenfalls eine einfache und preisgünstige Herstellung erreicht werden kann.
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Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest einige zueinander benachbarte Rohrelemente mit Kontakt untereinander in ihren Wandungsbereichen angeordnet sind, womit eine hohe inhärente Stabilität des Chillers im Bereich der Rohrelemente erreicht werden kann, da sich die Rohrelemente gegenseitig abstützen können. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine erheblich verbesserte Effizienz und in der Folge eine Reichweitenerhöhung von Elektrofahrzeugen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Kühlung einer Wärmequelle eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf mit einem Kompressor, einem Kondensator, einem Verdampfer der in thermischen Kontakt mit einem die Wärmequelle kühlenden Kühlmittelkreislauf steht, zeichnet sich dadurch aus, dass der Verdampfer als Chiller nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
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Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Kältemittelkreislauf einen weiteren Verdampfer zur Klimatisierung eines Fahrgastraums des Kraftfahrzeugs aufweist, womit die erfindungsgemäße Vorrichtung vorteilhaft in eine Klimatisierungsanlage eines Kraftfahrzeugs integriert werden kann.
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Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Wärmequelle eine Batterie, insbesondere eine Traktionsbatterie, eine Leistungselektronik oder ein Ladegerät des Kraftfahrzeugs ist.
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Weitere Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in der unter Bezug auf die Zeichnungen zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder dargestellte Merkmale bilden für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination die Erfindung, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen und können insbesondere auch Gegenstand einer oder mehrerer separater Erfindungen sein.
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Es zeigen in schematischer Darstellung:
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1 einen Kälteanlagenkreislauf
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2 einen erfindungsgemäßen Chiller mit einem Außen- und einem Innengehäuse
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3 erfindungsgemäß ausgebildete Kältemittelströmungskanälen, sowie Kühlmittelströmungskanälen in einer Schnittdarstellung
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4 eine weitere Schnittdarstellung von erfindungsgemäß ausgebildeten Kältemittelströmungskanälen, sowie Kühlmittelströmungskanälen
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1 zeigt einen an sich bekannten Kälteanlagenkreislauf mit einem Kompressor 1, einem Kondensator 2, einem Expansionsorgan 3, einem Chiller 4, die über Kältemittelleitungen 6 in denen Kältemittel zirkuliert, miteinander verbunden sind. Der Chiller 4 ist in einen Sekundärkreislauf eines Kühlmittels eingebunden, der eine Wärmequelle 5 umfasst, die kühlmittelseitig mit dem Chiller über Kühlmittelleitungen 7 verbunden ist. Es versteht sich, dass der Kälteanlagenkreislauf in eine Klimaanlage integriert sein kann. Ferner kann der Kühlmittelkreislauf eine Heizungseinrichtung, beispielsweise eine PTC-Heizung beinhalten, mit der die Wärmequelle 5 bei tiefen Außentemperaturen geheizt werden kann.
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Der Sekundärkreislauf kann einen nicht dargestellten Niedertemperaturkühler aufweisen, der bei geringen Außentemperaturen zur Kühlung der Wärmequelle 5 oftmals ausreicht, wobei der Energieverbrauch der Wärmequelle 5 sehr gering bleibt. Reicht die Kühlleistung des Niedertemperaturkühlers nicht aus, wird eine effektive Kühlung über den in den Kälteanlagenkreislauf eingebundenen Chiller 4 vorgenommen.
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2 zeigt in stark schematisierter Darstellung eine Ausführungsform der Erfindung, mit einem Außengehäuse 20 in dem ein Innengehäuse 21 angeordnet ist. Der Innenbereich 22 des Außengehäuses 20 ist mit einem Vorlauf 22a und einem Rücklauf 22b verbunden oder verbindbar. Mittels des Vorlaufs 22a kann in dem Innenbereich 22 des Außengehäuses 20 ein Kühlmittel zugeführt werden. Mittels des Rücklaufs 22b kann das Kühlmittel wieder aus dem Innenbereich 22 abtransportiert werden. Sammler, die für die Zuführung und den Abtransport von Kältemittel optional vorgesehen sind, sind zur Vereinfachung nicht dargestellt. Vorzugsweise wird der Innenbereich 22 von dem Kühlmittel bei Betrieb des Chillers durchströmt. Das Innengehäuse 21 umfasst im Folgendem noch genauer dargestellte Kältemittelströmungskanäle, sowie Kühlmittelströmungskanäle und ist strömungsmäßig mit dem Innenbereich 22 des Außengehäuses 20 verbunden. Die Strömungsrichtung des Kühlmittels im Innengehäuse 21 ist mit P bezeichnet. Zum Wärmetransfer zwischen Kühlmittel und Kältemittel sind wärmeübertragende Flächen vorgesehen. Vorzugsweise ist das Innengehäuse 21 mittels Halteelementen 20b im Innenbereich 22 positioniert, welche vorzugsweise an der Wandung des Außengehäuses 20a befestigt sind. Das Innengehäuse 21 ist strömungsmäßig mit dem Innenbreich 22 des Außengehäuses verbunden, beispielsweise durch Öffnungen in seiner Wandung 23. Insbesondere kann die Wandung 23 Öffnungen in seinen Stirnbereichen 23a, 23b aufweisen, durch die Kühlmittel fließen kann. Die Kältemittelströmungskanäle sind strömungsmäßig mit einem Vorlauf 21a und einem Rücklauf 21b für Kältemittel verbunden. Im Betrieb des erfindungsgemäßen Chillers 4 erfolgt ein Wärmetransport von dem den Innenbereich 22 sowie die im Innengehäuse 21 angeordneten Kühlmittelströmungskanälen durchströmenden Kühlmittel auf das Kältemittel, welches die Kältemittelströmungskanäle durchströmt. Zumindest im Bereich der wärmeübertragenden Flächen ist das kältemittelführende Volumen V* um einen Faktor zwischen 3 und 6 größer als das kühlmittelführende Volumen V in den Zwischenräumen 25.
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Erfindungsgemäß sind die Kältemittelströmungskanäle als Rohrelemente ausgebildet, wobei die Kühlmittelströmungskanäle durch zwischen den Rohrelementen vorgesehene Freiräume gebildet sind, oder in ihnen angeordnet sind.
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3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung bei der Kältemittelströmungskanäle als Rundrohrelemente ausgebildet sind in einer Schnittdarstellung senkrecht zu einer Längserstreckungsrichtung der Rohrelemente 24. Es sind ferner die Volumina V und V* angedeutet. Zwischen den Rohrelementen 24 sind Freiräume 25 gebildet.
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In der 3 ist eine Ausführungsform dargestellt, in der eine Mehrzahl von Rundrohren ein Rohrbündel bilden. Das Rohrbündel ist durch die Wandung 23 des Innengehäuses positioniert. Zueinander benachbarte Rohrelemente sind in der Darstellung der 3 miteinander in Kontakt in Ihren Wandungsbereichen 24a angeordnet. Es versteht sich, dass auch Ausführungsformen der Erfindung vorstellbar sind, bei der größer dimensionierte Freiräume zwischen den Rohrelementen vorgesehen sind, wobei Distanzstücke zwischen den Rohrelementen eingesetzt sind.
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4 zeigt einen Schnitt entlang der Ebene S-S der 3, wobei die Rohrelemente 24 in einem Innengehäuse mit einer Längserstreckung L und einem Querschnittsdurchmesser D angeordnet sind. Es sind ferner die Strömungsrichtungen des Kältemittels in den Rohrelementen 24 sowie die Volumina V und V* angedeutet. Zur Vereinfachung der Darstellung in 4 sind Sammler, die an die Rohrelemente 24 für die Zuführung und den Abtransport von Kältemittel optional vorgesehen sind, nicht dargestellt. Die zwischen den Rohrelementen 24 angeordneten Freiräume 25 fungieren, wie bereits erwähnt als Kühlmittelströmungskanäle und sind in strömungsmäßiger Verbindung mit der Umgebung des Innengehäuses 23. Vorzugsweise sind Öffnungen im Bereich der Stirnflächen 23a und 23b des Innengehäuses 21 vorgesehen.
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Die Rohrelemente 24 können grundsätzlich beliebig geformt sein, bsp. neben der bereits erwähnten Ausführung als kreiszylindrisches Rundrohr als Flachrohrelement ausgeführt sein.
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Die Rohrelementwandungen 24a bilden wärmeübertragende Flächen zwischen einem in den Rohrelementen 24 geführten Kältemittel und einem in den Zwischenräumen 25 geführten Kühlmittel. Zumindest im Bereich der wärmeübertragenden Flächen ist das kältemittelführende Volumen V* um einen Faktor zwischen 3 und 6 größer als das kühlmittelführende Volumen V in den Zwischenräumen 25. Insbesondere bei einer Ausführungsform der Erfindung, bei der die Rohrelemente 24 im Innenbereich eines Gehäuses untergebracht sind, ist vorgesehen, dass das Volumen V* = F·V ist, wobei V* das kältemittelführende Volumen und V das kühlmittelführende Volumen der Kältemittelströmungskanäle bzw. der Kühlmittelströmungskanäle bezeichnet. F liegt dabei in einem Bereich zwischen 3 und 6.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kompressor
- 2
- Kondensator
- 3
- Expansionsventil
- 4
- Chiller
- 5
- Wärmequelle
- 6
- Kältemittelleitung
- 7
- Kühlmittelleitung
- 20
- Außengehäuse
- 20a
- Wandung des Außengehäuses
- 20b
- Halteelement
- 21
- Innengehäuse
- 21a
- Kältemittelvorlauf
- 21b
- Kältemittelrücklauf
- 22
- Innenbereich des Außengehäuses
- 22a
- Kühlmittelvorlauf
- 22b
- Kühlmittelrücklauf
- 23
- Wandung Innengehäuse
- 23a, b
- Stirnseiten des Innengehäuses
- 24
- Rohrelement
- 24a
- Rohrelementwandung
- 25
- Freiraum
- D
- Querschnittsdurchmesser
- L
- Längserstreckung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008017113 A1 [0002]
- DE 3148375 A1 [0002]
- DE 102006002194 A1 [0002]
- WO 2009/033578 A2 [0002]
- DE 60022572 T2 [0002, 0002]
- DE 60242066 T2 [0002]
- DE 19646349 [0002]
