DE102012110702A1

DE102012110702A1 - Bidirektional durchströmbarer Wärmeübertrager

Info

Publication number: DE102012110702A1
Application number: DE201210110702
Authority: DE
Inventors: Peter Heyl; Christian Rebinger; Dirk Schroeder; Marc Graaf; Helmut Rottenkolber
Original assignee: Audi AG; Halla Visteon Climate Control Corp
Current assignee: Audi AG; Hanon Systems Corp
Priority date: 2012-11-08
Filing date: 2012-11-08
Publication date: 2014-05-08

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager (1) eines Kältemittelkreislaufes einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges zur Wärmeübertragung zwischen Kältemittel und Luft. Die Klimaanlage ist für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Heizmodus ausgebildet. Der Wärmeübertrager (1) ist bidirektional durchströmbar ausgebildet. Die Strömungsrichtung des Kältemittels im Inneren des Wärmeübertragers (1) ist vom Betriebsmodus abhängig. Ein erster Wärmeübertrager (1) weist zwei Sammelrohre (2, 3), welche beabstandet und parallel zueinander ausgerichtet angeordnet sind, Strömungspfade, welche als parallel zueinander angeordnete Fluid-Verbindungen zwischen den Sammelrohren (2, 3) ausgebildet sind und Mittel zur Unterteilung des inneren Volumens mindestens eines Sammelrohres (2, 3) in voneinander unabhängige Bereiche auf. Die Mittel zur Unterteilung des inneren Volumens des Sammelrohres (2, 3) sind schaltbar derart ausgebildet, dass das Kältemittel je nach Strömungsrichtung und Betriebsmodus durch eine unterschiedliche Anzahl von Fluten leitbar ist. Bei einem zweiten mehrflutig, bidirektional durchströmbaren Wärmeübertrager (1) ist zwischen den Fluten ein Druckminderer (32) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager eines Kältemittelkreislaufes einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges zur Wärmeübertragung zwischen Kältemittel und Luft, wobei die Klimaanlage für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Heizmodus ausgebildet ist. Der Wärmeübertrager ist bidirektional durchströmbar, wobei die Strömungsrichtung des Kältemittels im Wärmeübertrager vom Betriebsmodus der Klimaanlage abhängig ist.
Herkömmliche Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen sind als kombinierte Kälteanlagen- und Wärmepumpensysteme ausgebildet. Der im Kälteanlagenmodus als Kondensator zur Wärmeabgabe vom Kältemittel an die Umgebungsluft vorgesehene Wärmeübertrager wird im Wärmepumpenmodus als Verdampfer zur Wärmeaufnahme aus der Umgebungsluft betrieben. Nach dem Stand der Technik sind als Kondensatoren eingesetzte Wärmeübertrager als mehrflutige Wärmeübertrager, beispielsweise mit einer Unterkühlstrecke und einem integrierten Hochdrucksammler, ausgebildet.
Beim Betrieb von Wärmepumpen mit einem Kältemittelkreislauf und Umgebungsluft als Wärmequelle besteht bei Umgebungstemperaturen von weniger als 0°C die Gefahr des Vereisens der Wärmeübertragungsflächen des als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers.
Im Stand der Technik wird der Vorgang der Vereisung entweder durch Abschalten der Wärmepumpe bei Umgebungstemperaturen von weniger als 0°C vermieden oder der Kältemittelkreislauf wird zum Abtauen des Wärmeübertragers vom Wärmepumpenmodus in den Kälteanlagenmodus umgeschaltet und zumindest kurzzeitig im Kälteanlagenmodus betrieben. Im Kälteanlagenmodus wird der Wärmeübertrager als Kondensator mit Kältemittel bei Hochdruck sowie Temperaturen oberhalb von 0°C durchströmt. Die sich aus der Umgebungsluft an der mit der Luft überströmten Außenseite des Wärmeübertragers niedergeschlagene und zu Eis gefrorene Feuchtigkeit wird dabei geschmolzen. Der Wärmeübertrager wird abgetaut.
Die mehrflutige Konstruktion der Wärmeübertrager bewirkt auf Grund der geringen Saugdichte des Kältemittels hohe kältemittelseitige Druckverluste beim Betrieb des Wärmeübertragers als Verdampfer im Wärmepumpenmodus. Die Druckverluste führen zu einer zusätzlichen Absenkung der Oberflächentemperatur des Wärmeübertragers und somit zu einer Erhöhung des Risikos der Vereisung.
Im Fall des Abschaltens der im Wärmepumpenmodus betriebenen Klimaanlage zur Vermeidung der Vereisung bei Umgebungstemperaturen von weniger als 0°C steht keine Heizleistung, beispielsweise zum Beheizen der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft, mehr zur Verfügung. Beim Umschalten des Kältemittelkreislaufes vom Wärmepumpenmodus in den Kälteanlagenmodus zum aktiven Abtauen der Wärmeübertragungsfläche wird die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft abgekühlt und nicht erwärmt. Es ist ebenfalls keine Heizleistung verfügbar.
In der EP 1 895 255 B1 wird eine Wärmeübertrageranordnung mit zwei beabstandet, parallel zueinander angeordneten Verteilerrohren vorgeschlagen, zwischen welchen sich eine Vielzahl von Durchflussrohren erstreckt und eine Fluid-Verbindung mit den Verteilerrohren bilden, um ein Kältemittel zwischen den Verteilerrohren strömen zu lassen. Im ersten Verteilerrohr ist ein statischer Separator angeordnet, welcher den Hohlraum des Verteilerrohres in eine erste und eine zweite Kammer mit festen Anteilen teilt. Die Wärmeübertrageranordnung weist an den Verteilerrohren angeordnete Anschlüsse sowie eine externe Steuervorrichtung zum Umschalten zwischen einem Verdampfer-Modus und einem Kondensator-Modus auf. Die Anschlüsse werden dabei derart geöffnet oder geschlossen, dass das Kältemittel im Verdampfer-Modus einflutig und im Kondensator-Modus mehrflutig durch alle Durchflussrohre zirkuliert. Die Wärmeübertrageranordnung ist im Verdampfer-Modus beispielsweise auch zweiflutig durchströmbar, wobei dann im Kondensator-Modus mehr als zwei Fluten durchströmt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wärmeübertrager zur Verfügung zu stellen und zu verbessern, mit welchem sowohl beim Betrieb im Kälteanlagenmodus als auch beim Betrieb im Wärmepumpenmodus maximale Wärmeleistungen bei minimalem Platzbedarf übertragbar sind. Dabei ist der kältemittelseitige Druckverlust zu optimieren, um das Vereisungsrisiko beim Betrieb im Wärmepumpenmodus zu minimieren.
Der Wärmeübertrager soll zudem derart ausgebildet sein, dass ein Abtauen und gegebenenfalls ein Abtrocknen der Wärmeübertragungsfläche möglich ist, ohne den Betrieb des Kältemittelkreislaufes vom Wärmepumpenmodus in den Kälteanlagenmodus umzuschalten.
Des Weiteren soll nicht im Kältemittelkreislauf aktiv genutztes Kältemittel unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Durchströmungsrichtungen beim Betrieb im Kälteanlagenmodus und im Wärmepumpenmodus innerhalb des Wärmeübertragers speicherbar sein.
Die Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager gelöst, welcher als Komponente eines Kältemittelkreislaufes einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges zur Wärmeübertragung zwischen Kältemittel und Luft ausgebildet ist. Die Klimaanlage ist für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Heizmodus vorgesehen.
Der Wärmeübertrager weist ein erstes und ein zweites Sammelrohr, eine Mehrzahl an Strömungspfaden sowie Mittel zur Unterteilung des inneren Volumens mindestens eines Sammelrohres in voneinander unabhängige Bereiche auf. Die Sammelrohre sind parallel zueinander ausgerichtet. Die Strömungspfade sind als parallel zueinander angeordnete Fluid-Verbindungen zwischen den Sammelrohren ausgebildet. Der Wärmeübertrager ist bidirektional durchströmbar, wobei die Strömungsrichtung des Kältemittels im Inneren des Wärmeübertragers vom Betriebsmodus der Klimaanlage abhängig ist.
Die Sammelrohre dienen je nach Strömungsrichtung des Kältemittels und betrachtetem Bereich innerhalb des Sammelrohres auch als Verteiler des Kältemittels auf die unterschiedlichen Strömungspfade. Die Sammelrohre können, entsprechend ihrer differenzierten Funktion, auch als Verteilerrohre bezeichnet werden. Die einzelnen Strömungspfade werden bevorzugt durch Rohre beziehungsweise Kanäle ausgebildet.
Nach der Konzeption der Erfindung weist der Wärmeübertrager Mittel zur Unterteilung des inneren Volumens mindestens eines Sammelrohres in voneinander unabhängige Bereiche auf. Die Mittel zur Unterteilung des inneren Volumens des Sammelrohres sind erfindungsgemäß schaltbar ausgebildet, sodass das Kältemittel je nach Strömungsrichtung und Betriebsmodus durch eine unterschiedliche Anzahl von Fluten leitbar ist.
Die Sammelrohre sind bevorzugt vertikal ausgerichtet und horizontal zueinander beabstandet angeordnet. Die Strömungspfade sind horizontal ausgerichtet und vertikal zueinander beabstandet angeordnet.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmeübertrager als ein Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager: zur Wärmezufuhr von der Umgebungsluft an das Kältemittel und zur Wärmeabgabe vom Kältemittel an die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft oder die Umgebungsluft ausgebildet. Im Kälteanlagenmodus als erstem Betriebsmodus der Klimaanlage wird der Wärmeübertrager als Kondensator/Gaskühler betrieben. Im Wärmepumpenmodus mit Umgebungsluft als Wärmequelle wird der Wärmeübertrager als Verdampfer mit Kältemittel beaufschlagt.
Die unterschiedliche Anzahl der vom Kältemittel durchströmten Fluten wird abhängig vom Betriebsmodus der Klimaanlage und damit abhängig von der Strömungsrichtung des Kältemittels durch den Wärmeübertrager vorteilhaft angepasst, um die kältemittelseitigen Druckverluste zu minimieren und damit das Risiko der Vereisung der Wärmeübertragungsfläche beim Betrieb im Wärmepumpenmodus zu verringern. Zudem wird die übertragene Wärmeleistung beim Betrieb im Kälteanlagenmodus optimiert. Dabei ist die Strömungsrichtung des Kältemittels im Kälteanlagenmodus entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des Kältemittels im Wärmepumpenmodus gerichtet.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist als parallele Fluid-Verbindung zu den Strömungspfaden zwischen den Sammelrohren mindestens ein Bypass ausgebildet. Der Bypass ist vorteilhaft mit den Mitteln zur Unterteilung des inneren Volumens des mindestens einen Sammelrohres schaltbar, sodass das Kältemittel bei geöffnetem Bypass durch den Bypass strömt und gleichzeitig mindestens eine Flut des Wärmeübertragers nicht von Kältemittel durchströmt wird. Das Kältemittel wird anstelle der Flut durch den Bypass geführt.
Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind die Mittel zur Unterteilung des inneren Volumens des Sammelrohres innerhalb des Sammelrohres selbst angeordnet und als bewegliche Trennelemente ausgebildet. Die Bewegung der Trennelemente basiert dabei auf dem Differenzdruckprinzip und der Ausrichtung des Trennelementes innerhalb des Sammelrohres. Je nach anliegender Druckdifferenz auf den unterschiedlichen Seiten und der Ausrichtung des Trennelementes wird von jedem Trennelement jeweils eine Öffnung freigeben oder verschlossen.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist ein erstes bewegliches Trennelement ein geradlinig beweglich ausgebildetes Verschlusselement und einen Anschlag auf. Im geschlossenen Zustand liegt das Verschlusselement des ersten Trennelementes am Anschlag an. Das Verschlusselement und damit das Trennelement sind in Richtung des vertikal ausgerichteten Sammelrohres angeordnet.
Ein zweites bewegliches Trennelement weist bevorzugt ein drehbeweglich ausgebildetes Verschlusselement auf, welches an einem ersten Ende an einer Haltevorrichtung drehbeweglich gehaltert ist und an einem zweiten Ende je nach Stellung an einem ersten oder an einem zweiten Anschlag anliegt. Das Verschlusselement des zweiten Trennelementes ist im Wesentlichen horizontal und damit senkrecht zur Richtung des vertikal ausgerichteten Sammelrohres angeordnet.
Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung weisen die Mittel zur Unterteilung des inneren Volumens des Sammelrohres statische, innerhalb des Sammelrohres angeordnete Trennelemente sowie außerhalb des Sammelrohres angeordnete Kältemittelleitungen mit schaltbaren Ventilen auf. Die Kältemittelleitungen sind dabei unterschiedliche, voneinander unabhängige Bereiche des inneren Volumens des Sammelrohres miteinander verbindend angeordnet. Die schaltbaren Ventile der Kältemittelleitungen sind zum Öffnen und/oder Verschließen der Kältemittelleitungen ausgebildet. Als schaltbare Ventile werden vorteilhaft Rückschlagventile verwendet.
Die Aufgabe der Ausbildung eines Wärmeübertragers derart, dass ein Abtauen der Wärmeübertragungsfläche möglich ist, ohne den Betrieb des Kältemittelkreislaufes vom Wärmepumpenmodus in den Kälteanlagenmodus umzuschalten, wird mittels eines Wärmeübertragers eines Kältemittelkreislaufes einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges zur Wärmeübertragung zwischen Kältemittel und Luft gelöst. Die Klimaanlage ist dabei wiederum für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Heizmodus vorgesehen. Der Wärmeübertrager ist mehrflutig, bidirektional durchströmbar ausgebildet. Die Strömungsrichtung des Kältemittels im Wärmeübertrager ist vom Betriebsmodus abhängig.
Zwischen den Fluten ist erfindungsgemäß ein Druckminderer angeordnet. Der Druckminderer ist dabei vorteilhaft als schaltbares Drosselelement ausgebildet.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Druckminderer mit einem Temperaturdifferenzsensor verbunden. Der Temperaturdifferenzsensor ist dabei vorteilhaft derart angeordnet und konfiguriert, die Temperaturen auf der Oberfläche des Wärmeübertragers zu bestimmen und den Druckminderer in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zu schalten, das heißt zu aktivieren und zu deaktivieren.
Der Wärmeübertrager ist zum Betrieb der Klimaanlage im Kälteanlagenmodus bevorzugt vierflutig ausgebildet, wobei der Druckminderer vorteilhaft zwischen der zweiten Flut und der dritten Flut angeordnet ist.
Die Sammelrohre des Wärmeübertragers sind zudem derart ausgebildet und angeordnet, dass sich flüssiges Kältemittel sowohl beim Betrieb im Kälteanlagenmodus als auch im Wärmepumpenmodus in den Sammelrohren ansammeln kann. Die Sammelrohre sind dazu mit einem ausreichend großen Strömungsquerschnitt versehen. Außerdem werden die zwischen dem Sammelrohr und der Kältemittelleitung zum Zuleiten oder Ableiten von Kältemittel vorgesehenen Anschlussblöcke derart angeordnet, dass die Sammelrohre die Öffnungen zum Anschließen der Anschlussblöcke jeweils oben aufweisen. Die Sammelrohre sind dabei in ihrer Längsausdehnung in vertikaler Richtung angeordnet.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Wärmeübertrager eine Tiefe im Bereich von 8 mm bis 20 mm auf. Unter der Tiefe ist dabei die Ausdehnung des Wärmeübertragers in Strömungsrichtung der Luft zu verstehen. Die Tiefe ergibt sich somit aus der Ausdehnung senkrecht zur Grundfläche des Wärmeübertragers, wobei unter der Grundfläche die Fläche senkrecht zur Strömungsrichtung der Luft zu verstehen ist, das heißt die Fläche, durch welche die Luft in den Wärmeübertrager einströmt beziehungsweise ausströmt. Der Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung ist vorteilhaft im Frontbereich des Kraftfahrzeuges angeordnet.
Bevorzugte Kältemittel als phasenwechselnde Wärmeträger sind Kohlendioxid (R744), R134a oder HFO1234yf.
Weitere Vorteile des Wärmeübertragers mit integrierten Mitteln zum Umschalten zwischen verschiedenen Betriebsmodi der Klimaanlage und einem Abtaumodus gegenüber dem Stand der Technik lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:

– Minimierung des Risikos der Vereisung,
– Vermeidung eines Leistungsverlustes der Klimaanlage beim Betrieb im Wärmepumpenmodus während des Abtauens,
– Übertragung der maximalen Leistung von der Umgebungsluft als Wärmequelle an das Kältemittel,
– Steigerung der Effizienz beim Betrieb eines (Zu-)Heizsystems, dabei Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und Erhöhung der Reichweite von Elektrofahrzeugen oder teilelektrifizierten Fahrzeugen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1: zweiflutiger Wärmeübertrager als Kondensator/Gaskühler im Kälteanlagenmodus,
2a: zweiflutiger Wärmeübertrager mit Trennelementen im Sammelrohr sowie mit Bypass,
2b: drehbewegliches Verschlusselement eines Trennelementes,
2c: geschlossenes, geradlinig bewegliches Verschlusselement eines Trennelementes,
2d: geöffnetes, geradlinig bewegliches Verschlusselement eines Trennelementes,
3a: dreiflutiger Wärmeübertrager mit Trennelementen im Sammelrohr,
3b: geschlossenes, geradlinig bewegliches Verschlusselement eines Trennelementes,
3c: geöffnetes, geradlinig bewegliches Verschlusselement eines Trennelementes,
4: dreiflutiger Wärmeübertrager mit Rückschlagventilen und mit Bypass,
5: dreiflutiger Wärmeübertrager mit Absperrorganen und mit Bypässen,
6a: vierflutig betriebener Wärmeübertrager mit Verschlusselementen im Sammelrohr im Kälteanlagenmodus,
6b: zweiflutig betriebener Wärmeübertrager mit Verschlusselementen im Sammelrohr im Wärmepumpenmodus und
7: mehrflutiger, bi-direktional durchströmbarer Wärmeübertrager mit integriertem Druckminderer zwischen den Fluten.
In 1 ist ein Wärmeübertrager 1 in zweiflutiger Ausführung als Kondensator/Gaskühler im Kälteanlagenmodus nach dem Stand der Technik dargestellt. Der Wärmeübertrager 1 ist bevorzugt eine Komponente eines nicht dargestellten Kältemittelkreislaufes einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges. Die Anzahl der Fluten bleibt stets unveränderlich.
Das von einem Kältemittelverdichter verdichtete, gasförmige Kältemittel tritt mit hoher Temperatur durch den ersten Kältemitteldurchlass 4 in das erste Sammelrohr 2 des Wärmeübertragers 1 ein. Das erste Sammelrohr 2 weist ein statisches Trennelement 7 auf, welches das Sammelrohr 2 in zwei voneinander unabhängige und gegeneinander abgedichtete Bereiche aufteilt. Das statische Trennelement 7 ist beispielsweise als Blech ausgebildet.
Im oberen Bereich wird das in das erste Sammelrohr 2 eingeleitete gasförmige Kältemittel gleichmäßig auf verschiedene Strömungspfade der ersten Flut aufgeteilt. Die Strömungspfade sind anhand von Pfeilen mit durchgezogenen Linien dargestellt. Das Kältemittel strömt durch die parallel zueinander angeordneten Strömungspfade in Strömungsrichtung 6 ^I vom ersten Sammelrohr 2 zum zweiten Sammelrohr 3. Die von einem aufgeteilten Kältemittelmassenstrom in gleicher Richtung parallel zueinander durchströmten Strömungskanäle beziehungsweise die Teilmassenströme des Kältemittels werden als Flut bezeichnet. Dabei weisen die Teilmassenströme des Kältemittels im Wesentlichen gleiche Zustandsparameter auf.
Das durch die unterschiedlichen Strömungspfade in das zweite Sammelrohr 3 geleitete Kältemittel wird im zweiten Sammelrohr 3 wieder vermischt und anschließend gleichmäßig auf die verschiedenen Strömungspfade der zweiten Flut aufgeteilt. Das Kältemittel strömt durch die wiederum parallel zueinander angeordneten Strömungspfade vom zweiten Sammelrohr 3 zum ersten Sammelrohr 2 zurück. Das durch die verschiedenen Strömungspfade geleitete Kältemittel wird im unteren Bereich des ersten Sammelrohres 2 wieder vermischt. Der gesamte Kältemittelmassenstrom tritt durch den zweiten Kältemitteldurchlass 5, welcher im unteren Bereich des ersten Sammelrohres 2 angeordnet ist, aus dem Wärmeübertrager 1 aus. Das unter Abgabe von Wärme abgekühlte und zumindest teilweise verflüssigte Kältemittel liegt nunmehr flüssig oder zweiphasig vor.
Die Flächenverhältnisse der zwei Fluten unterscheiden sich bezüglich der Wärmeübertragungsflächen und der Querschnittsflächen der Strömungspfade aufgrund der sich verändernden Dichte des Kältemittels bei der Abkühlung und Kondensation.
Der Wärmeübertrager 1 kann auch vierflutig und jeweils mit einem Receiver ausgebildet sein.
2a zeigt einen zweiflutig ausgebildeten Wärmeübertrager 1 mit im ersten Sammelrohr 2 angeordneten Trennelementen 8a, 8b sowie mit einem Bypass 9 ^I. Im Unterschied zur Ausbildung nach 1 sind die Trennelemente 8a, 8b beweglich, während das Trennelement 7 aus 1 statisch ist.
Die mit durchgezogenen Linien dargestellten Pfeile stellen wiederum die Strömungspfade und die Strömungsrichtung 6 ^I des Kältemittels beim Betrieb des Wärmeübertragers 1 im Kälteanlagenmodus dar. Die Trennelemente 8a, 8b sind derart geschaltet, dass das Kältemittel, ähnlich 1, durch den ersten Kältemitteldurchlass 4 in das erste Sammelrohr 2 geleitet wird und durch die parallel ausgerichteten Strömungspfade der ersten Flut zum zweiten Sammelrohr 3 strömt. Das Trennelement 8b verschließt das Sammelrohr 2 derart, dass das Sammelrohr 2 zwei voneinander abgetrennte Bereiche, ähnlich dem Sammelrohr 2 aus 1, aufweist.
Die zweite Flut wird vom Kältemittel in entgegengesetzter Richtung der ersten Flut durchströmt. Das Kältemittel wird im unteren Bereich des ersten Sammelrohres 2 vermischt und tritt als Kältemittelmassenstrom durch den zweiten Kältemitteldurchlass 5 aus dem Wärmeübertrager 1 aus.
Im Kälteanlagenmodus strömt das Kältemittel im Wesentlichen von oben nach unten durch den zweiflutig betriebenen Wärmeübertrager 1. Die Flächenverhältnisse der Fluten, das heißt die Wärmeübertragungsflächen und die Querschnittsflächen der Strömungspfade sind an die sich verändernden Dichteverhältnisse des Kältemittels beim Durchströmen des Wärmeübertragers 1 angepasst.
Im Vergleich zum Kälteanlagenmodus wird der Wärmeübertrager 1 im Wärmepumpenmodus einflutig vom Kältemittel in Strömungsrichtung 6 ^II im Wesentlichen von unten nach oben durchströmt. Die Strömungsrichtung 6 ^II des Kältemittels im Wärmepumpenmodus wird an Hand von Pfeilen mit gestrichelten Linien dargestellt.
Die Strömungsrichtung des Kältemittels im Wärmepumpenmodus kann auch von oben nach unten gerichtet sein, während das Kältemittel dann im Kälteanlagenmodus von unten nach oben strömt.
Das Kältemittel tritt durch den zweiten Kältemitteldurchlass 5 in das erste Sammelrohr 2 des Wärmeübertragers 1 ein. Das Trennelement 8b ist geöffnet, das heißt die beiden im ersten Sammelrohr 2 ausgebildeten Bereiche sind fluidtechnisch miteinander verbunden. Das Trennelement 8a ist derart geschaltet, dass die Verbindung zwischen dem Sammelrohr 2 und dem Bypass 9 ^I verschlossen ist. Das Kältemittel wird auf alle die Sammelrohre 2, 3 verbindenden Strömungspfade des Wärmeübertragers 1 aufgeteilt, sodass das Kältemittel den Wärmeübertrager 1 einflutig durchströmt.
Im zweiten Sammelrohr 3 werden die Teilmassenströme des Kältemittels miteinander vermischt und zum Bypass 9 ^I geleitet. Der Bypass 9 ^I ist als weitere Verbindung zwischen den Sammelrohren 2, 3, parallel zu den Strömungspfaden ausgebildet. Da innerhalb des als Bypass 9 ^I angeordneten Rohres keine beziehungsweise eine vernachlässigbar geringe Wärmeübertragung zwischen der Umgebung und dem Kältemittel erfolgt, wird der Bypass 9 ^I nicht als Flut des Wärmeübertragers 1 bezeichnet. Das das Sammelrohr 2 zum Bypass 9 ^I hin verschließende Trennelement 8a gibt gleichzeitig die Verbindung zwischen dem Bypass 9 ^I und dem ersten Kältemitteldurchlass 4 frei, sodass das Kältemittel aus dem Wärmeübertrager 1 ausströmen kann.
Mit Hilfe der Ausbildung der Trennelemente 8a, 8b und des Bypasses 9 ^I wird aus einer geraden Anzahl durchströmter Fluten im Kälteanlagenmodus eine ungerade Anzahl durchströmter Fluten im Wärmepumpenmodus. Das zusätzliche als Bypass 9 ^I ausgebildete Rohr wird oberhalb oder unterhalb des ursprünglichen Wärmeübertragers 1 beziehungsweise den Fluten angeordnet. Dabei ist die Position des Rohres davon abhängig, ob der Wärmeübertrager 1 im Kälteanlagenmodus von oben nach unten oder von unten nach oben, das heißt in welcher Richtung, der Wärmeübertrager 1 durchströmt wird.
In den 2b, 2c, 2d sind die Trennelemente 8a, 8b aus 2a jeweils im Detail dargestellt. 2b zeigt das Trennelemente 8a mit dem drehbeweglich ausgebildeten Verschlusselement 10, während aus den 2c und 2d das geradlinig bewegliche Verschlusselement 14 hervorgeht.
Die Trennung der Fluten erfolgt im ersten Sammelrohr 2 mittels mechanischer, differenzdruckgesteuerter Ventile 8a, 8b, welche beim Betrieb des Wärmeübertragers 1 im Kälteanlagenmodus geschlossen und im Wärmepumpenmodus geöffnet sind. Die Ventile 8a, 8b sind dabei ähnlich wie Rückschlagventile ausgebildet.
Das bewegliche Trennelement 8a dient dem Schließen und Öffnen der Verbindung zwischen dem ersten Kältemitteldurchlass 4 und dem Bypass 9 ^I einerseits sowie dem Öffnen und Schließen der Verbindung zwischen dem ersten Kältemitteldurchlass 4 und dem ersten Sammelrohr 2, wobei das Öffnen und Schließen immer wechselseitig erfolgt.
Das Trennelement 8a weist ein Verschlusselement 10 auf, welches einerseits an einer Haltevorrichtung 13 drehbeweglich gehaltert ist und andererseits jeweils an einem Anschlag 11, 12 anliegt.
In der ersten Stellung liegt das drehbewegliche Verschlusselement 10 am ersten Anschlag 11 an, die Verbindung zwischen dem Kältemitteldurchlass 4 und dem Bypass 9 ^I ist geschlossen, während die Verbindung zum Sammelrohr 2 geöffnet ist. Der Wärmeübertrager 1 wird im Kälteanlagenmodus betrieben. Das Kältemittel tritt nach der Verdichtung mit hohem Druck durch den Kältemitteldurchlass 4 in den Wärmeübertrager 1 ein. Die Strömungskräfte des Kältemittels verschließen den Bypass 9 ^I.
In der zweiten Stellung liegt das drehbewegliche Verschlusselement 10 am zweiten Anschlag 12 an, die Verbindung zwischen dem Kältemitteldurchlass 4 und dem Bypass 9 ^I ist geöffnet, während die Verbindung zum Sammelrohr 2 geschlossen ist. Der Wärmeübertrager 1 wird im Wärmepumpenmodus betrieben. Das Kältemittel tritt durch den zweiten Kältemitteldurchlass 5 in den Wärmeübertrager 1 ein. Das drehbewegliche Verschlusselement 10 ist dabei derart ausgelegt, dass die resultierende Kraft aus Schwerkraft, Strömungskräften und Druckkräften ein Öffnen des Bypasses 9 ^I bewirkt.
Das bewegliche Trennelement 8b dient dem Unterteilen des ersten Sammelrohres 2 in zwei Bereiche mit voneinander getrennten Volumen für den Betrieb im Kälteanlagenmodus beziehungsweise dem fluidtechnischen miteinander Verbinden der Bereiche zu einem gemeinsamen Volumen im Wärmepumpenmodus.
2c zeigt das Trennelement 8b im geschlossenen Zustand, in welchem das Sammelrohr 2 zwei voneinander getrennte Volumen aufweist, während in 2d das Trennelement 8b im geöffneten Zustand dargestellt ist.
Das Trennelement 8b umfasst ein geradlinig bewegliches Verschlusselement 14 und einen Anschlag 15. Im geschlossenen Zustand des Trennelementes 8b liegt das Verschlusselement 14 am Anschlag 15 an.
Beim Betrieb des Wärmeübertragers 1 im Kälteanlagenmodus ist das Trennelement 8b in der geschlossenen Stellung angeordnet. Das nach der Verdichtung mit hohem Druck durch den Kältemitteldurchlass 4 in den oberen Bereich des Sammelrohres 2 des Wärmeübertragers 1 eintretende Kältemittel drückt das geradlinig bewegliche Verschlusselement 14 nach unten. Infolge des Druckverlustes beim Durchströmen der beiden Fluten ist der Druck des Kältemittels im unteren Bereich des Sammelrohres 2 geringer als im oberen Bereich, sodass das Verschlusselement 14 aufgrund des Differenzdruckes geschlossen bleibt.
Beim Betrieb des Wärmeübertragers 1 im Wärmepumpenmodus ist das Trennelement 8b in der geöffneten Stellung angeordnet. Das durch den Kältemitteldurchlass 5 in den unteren Bereich des Sammelrohres 2 des Wärmeübertragers 1 eintretende Kältemittel drückt das geradlinig bewegliche Verschlusselement 14 nach oben. Das Kältemittel verteilt sich durch das gesamte Sammelrohr 2 in die Strömungspfade des Wärmeübertragers 1 und durchströmt alle Strömungspfade parallel. Der Druck des Kältemittels im Sammelrohr 2 ist konstant. Das Verschlusselement 14 bleibt geöffnet.
In 3a ist ein dreiflutiger Wärmeübertrager 1 mit Trennelementen 8b in beiden Sammelrohren 2, 3 beim Betrieb im Kälteanlagenmodus sowie im Wärmepumpenmodus dargestellt. Die Strömungsrichtung 6 ^I des Kältemittels im Kälteanlagenmodus wird durch Pfeile mit durchgezogenen Linien, die Strömungsrichtung 6 ^II des Kältemittels im Wärmepumpenmodus durch Pfeile mit gestrichelten Linien angedeutet.
Im Kälteanlagenmodus sind die als geradlinig beweglichen Verschlusselemente 14 mit einem Anschlag 15 ausgebildeten Trennelemente 8b gemäß 3b geschlossen. Das durch den ersten Kältemitteldurchlass 4 in das erste Sammelrohr 2 eintretende, gasförmige und heiße Kältemittel wird in die Strömungspfade der ersten Flut aufgeteilt. Infolge des Druckverlustes beim Durchströmen der Strömungspfade der ersten Flut, dem Vermischen, Umlenken und Verteilen auf die Strömungspfade der zweiten Flut im zweiten Sammelrohr 3 und dem Durchströmen der Strömungspfade der zweiten Flut wird das Trennelement 8b im ersten Sammelrohr 2 auf beiden Seiten mit Kältemittel bei unterschiedlichen Drücken beaufschlagt, wobei der Differenzdruck das Verschlusselement 14 an den Anschlag 15 drückt und das Trennelement 8b verschließt. Auf gleiche Weise verhält es sich mit dem Trennelement 8b im zweiten Sammelrohr 3. Der Wärmeübertrager 1 wird folglich dreiflutig durchströmt. Das Kältemittel tritt nach der Wärmeabgabe durch den zweiten Kältemitteldurchlass 5 im flüssigen oder flüssig/dampfförmigen Zustand aus dem Wärmeübertrager 1 aus.
Im Wärmepumpenmodus sind die Trennelemente 8b mit den geradlinig beweglichen Verschlusselementen 14 gemäß 3c geöffnet. Das durch den zweiten Kältemitteldurchlass 5 in das zweite Sammelrohr 3 eintretende, zweiphasige Kältemittel wird in die Strömungspfade der drei Fluten aufgeteilt.
Infolge des Druckes des eintretenden Kältemittels wird das Verschlusselement 14 vom Anschlag 15 weggedrückt. Das Trennelement 8b ist geöffnet. Da infolge des Druckverlustes vom Eintritt des Kältemittels durch den zweiten Kältemitteldurchlass 5 bis zum Austritt des Kältemittels durch den ersten Kältemitteldurchlass 4 die Drücke auf der oberen Seite der Verschlusselemente 14 immer geringer sind als auf der Unterseite, bleiben die Verschlusselemente 14 im Wärmepumpenmodus aufgrund des Differenzdruckes geöffnet. Der Wärmeübertrager 1 wird folglich einflutig durchströmt. Das Kältemittel tritt nach der Wärmeaufnahme durch den ersten Kältemitteldurchlass 4 im gasförmigen Zustand aus dem Wärmeübertrager 1 aus.
4 zeigt einen dreiflutig ausgebildeten Wärmeübertrager 1 mit außerhalb des Sammelrohres 2 angeordneten Kältemittelleitungen 16, 18 sowie einem Bypass 9 ^II. Die Kältemittelleitungen 16, 18 weisen jeweils ein Ventil 17, 19 auf, welche vereinfacht als Rückschlagventile 17, 19 ausgebildet sein können. Die erste Kältemittelleitung 16 mit dem ersten Rückschlagventil 17 verbindet den Bereich der zweiten Flut mit dem Bereich der dritten Flut des ersten Sammelrohres 2. Die zweite Kältemittelleitung 18 mit dem zweiten Rückschlagventil 19 verbindet den Bereich der zweiten Flut des ersten Sammelrohres 2 mit dem Bypass 9 ^II. Der Bypass 9 ^II verbindet dabei die Sammelrohre 2, 3 parallel zu den Strömungspfaden der einzelnen Fluten. Die Rückschlagventile 17, 19 sind in Verbindung mit den Kältemittelleitungen 16, 18 derart angeordnet, dass abhängig von der Strömungsrichtung des Kältemittels 6 ^I, 6 ^II die Anzahl der zu durchströmenden Fluten veränderbar ist. Die Fluten werden innerhalb der Sammelrohre 2, 3 bevorzugt durch statische Trennelemente 7 abgetrennt.
Im Kälteanlagenmodus, in welchem die Strömungsrichtung 6 ^I des Kältemittels mit Pfeilen aus durchgezogenen Linien dargestellt ist, wird das durch den ersten Kältemitteldurchlass 4 in das erste Sammelrohr 2 eintretende, gasförmige und heiße Kältemittel in die Strömungspfade der ersten Flut aufgeteilt, im zweiten Sammelrohr 3 vermischt, umgelenkt und auf die Strömungspfade der zweiten Flut verteilt. Als Verbindung von der zweiten zur dritten Flut wird das Kältemittel durch die erste Kältemittelleitung 16 und das Rückschlagventil 17 geleitet. Das Rückschlagventil 19 in der zweiten Kältemittelleitung 18 ist in dieser Richtung nicht durchströmbar. Die zweite Kältemittelleitung 18 ist verschlossen. Der Bypass 9 ^II wird nicht vom Kältemittel durchströmt und kann sich mit flüssigem Kältemittel füllen. Der Wärmeübertrager 1 wird dreiflutig mit maximal möglicher Wärmeübertragungsfläche betrieben.
Die Flächenverhältnisse der Fluten, das heißt die Wärmeübertragungsflächen und die Querschnittsflächen der Strömungspfade sind an die sich verändernden Dichteverhältnisse des Kältemittels beim Durchströmen des Wärmeübertragers 1 angepasst.
Die Kältemittelleitung 16 könnte alternativ auch ohne das Rückschlagventil 17 ausgebildet sein, um im Wärmepumpenmodus einen größeren Strömungsquerschnitt bereitzustellen. In dieser Ausführung würde der Bypass 9'' parallel zur dritten Flut im Wärmepumpenmodus durchströmt werden.
Im Wärmepumpenmodus, in welchem die Strömungsrichtung 6 ^II des Kältemittels mit Pfeilen aus gestrichelten Linien dargestellt ist, wird das durch den zweiten Kältemitteldurchlass 5 in das zweite Sammelrohr 3 eintretende zweiphasige Kältemittel durch den Bypass 9 ^II geleitet. Die durch die erste Kältemittelleitung 16 mit dem ersten Rückschlagventil 17 zwischen der dritten und der zweiten Flut im Kälteanlagenmodus geöffnete Verbindung ist in umgekehrter Strömungsrichtung 6 ^II des Kältemittels im Wärmepumpenmodus geschlossen. Das Kältemittel strömt durch die zweite Kältemittelleitung 18 und das Rückschlageventil 19. Anschließend wird das Kältemittel im ersten Sammelrohr 2 auf die Strömungspfade der ursprünglich zweiten Flut aufgeteilt, im zweiten Sammelrohr 3 vermischt, umgelenkt und auf die Strömungspfade der ersten Flut verteilt.
Der Wärmeübertrager 1 wird unter Reduzierung der Wärmeübertragungsfläche zweiflutig durchströmt, da die zu einer Flut gehörende Fläche mit Hilfe des Bypasses 9 ^II überbrückt beziehungsweise ausgekoppelt wird. Aufgrund der Ausbildung des Bypasses 9 ^II wird die dritte Flut, welche den geringsten Strömungsquerschnitt der drei Fluten aufweist, nicht durchströmt und somit der Druckverlust reduziert. Alternativ wird beim Verzicht auf das Rückschlagventil 17 innerhalb der Kältemittelleitung 16 der Bypass 9 ^II parallel zur dritten Flut durchströmt und der Druckverlust noch weiter reduziert.
Mit Hilfe der Ausbildung der Kältemittelleitungen 16, 18 mit den Rückschlagventilen 17, 19 und des Bypasses 9 ^II wird aus einer ungeraden Anzahl durchströmter Fluten im Kälteanlagenmodus eine gerade Anzahl durchströmter Fluten im Wärmepumpenmodus. Das zusätzliche als Bypass 9 ^II ausgebildete Rohr wird oberhalb oder unterhalb des ursprünglichen Wärmeübertragers 1 beziehungsweise den Fluten angeordnet. Dabei ist die Position des Rohres davon abhängig, ob der Wärmeübertrager 1 im Kälteanlagenmodus von oben nach unten oder von unten nach oben, das heißt in welcher Richtung der Wärmeübertrager 1, durchströmt wird.
In 5 ist ein dreiflutiger Wärmeübertrager 1 mit außerhalb der Sammelrohre 2, 3 angeordneten Kältemittelleitungen 22, 23 sowie mit Bypässen 9 ^I, 9 ^II, 9 ^III dargestellt. Die Kältemittelleitungen 22, 23 sind in Kombination mit extern schaltbaren Ventilen 20, 21, 24, 25, 26, 27 derart angeordnet, dass unabhängig von der Strömungsrichtung 6 ^I, 6 ^II des Kältemittels die Anzahl der zu durchströmenden Fluten veränderbar ist. Der dreiflutig ausgebildete Wärmeübertrager 1 ist sowohl für den Betrieb im Kälteanlagenmodus als auch für den Betrieb im Wärmepumpenmodus durch die Anordnung der Kältemittelleitungen 22, 23 mit den extern schaltbaren Ventilen 20, 21, 24, 25, 26, 27 in seiner Wärmeübertragungsfläche variierbar. Die Reduktion der wärmeübertragenden Fläche führt dabei gleichzeitig zur Verminderung des Druckverlustes des Kältemittels beim Durchströmen des Wärmeübertragers 1.
Im Kälteanlagenmodus, die Strömungsrichtung 6 ^I des Kältemittels ist mit Pfeilen aus durchgezogenen Linien verdeutlicht, wird das durch den ersten Kältemitteldurchlass 4 in den Wärmeübertrager 1 eintretende, gasförmige und heiße Kältemittel je nach Stellung der Ventile 20, 24 durch die Strömungspfade der ersten Flut oder durch den Bypass 9 ^I geleitet, wobei jeweils eines der Ventile 20, 24 geöffnet und das andere geschlossen ist.
Anschließend strömt das Kältemittel je nach Stellung der Ventile 25, 27 durch die Strömungspfade der zweiten Flut oder durch den Bypass 9 ^III, wobei jeweils eines der Ventile 25, 27 geöffnet und das andere geschlossen ist.
Je nach Stellung der Ventile 21, 26 strömt das Kältemittel dann durch die Strömungspfade der dritten Flut oder durch den Bypass 9 ^II, wobei jeweils eines der Ventile 21, 26 geöffnet und das andere geschlossen ist.
Im Wärmepumpenmodus wird das durch den zweiten Kältemitteldurchlass 5 in den Wärmeübertrager 1 eintretende Kältemittel je nach Stellung der Ventile 21, 26 durch die Strömungspfade der dritten Flut oder durch den Bypass 9 ^II geleitet, wobei jeweils eines der Ventile 21, 26 geöffnet und das andere geschlossen ist.
Anschließend strömt das Kältemittel je nach Stellung der Ventile 25, 27 durch die Strömungspfade der zweiten Flut oder durch den Bypass 9 ^III, wobei jeweils eines der Ventile 25, 27 geöffnet und das andere geschlossen ist. Je nach Stellung der Ventile 20, 24 strömt das Kältemittel dann durch die Strömungspfade der ersten Flut oder durch den Bypass 9 ^I, wobei jeweils eines der Ventile 20, 24 geöffnet und das andere geschlossen ist.
Der Wärmeübertrager 1 kann folglich entweder dreiflutig, zweiflutig oder einflutig betrieben werden. Im Betrieb mit zwei Fluten werden dabei entweder die erste und die zweite Flut, die zweite und die dritte Flut oder die erste und die dritte Flut durchströmt. Beim einflutigen Betrieb strömt das Kältemittel durch eine der drei Fluten, wobei die anderen Fluten durch Strömungen durch die Bypässe 9 ^I, 9 ^II, 9 ^III umgangen werden.
6a zeigt den Wärmeübertrager 1 mit in den Sammelrohren 2, 3 angeordneten Verschlusselementen 14b ^I, 14b ^II, 14b ^III, 14b ^IV im vierflutigen Betrieb im Kälteanlagenmodus, während in 6b der Wärmeübertrager 1 im zweiflutigen Betrieb im Wärmepumpenmodus dargestellt ist.
Bei der kombinierten Verwendung im Kälteanlagenmodus als Kondensator/Gaskühler und im Wärmepumpenmodus als Verdampfer sollte der im Kälteanlagenmodus vierflutig betriebene Wärmeübertrager 1 im Wärmepumpenmodus aufgrund der Druckverluste des Kältemittels möglichst zweiflutig durchströmt werden.
Der in 6a dargestellte Wärmeübertrager 1 wird im Kälteanlagenmodus vierflutig durchströmt. Die Trennelemente 8b ^I, 8b ^II, 8b ^IV mit dem jeweils geradlinig beweglich ausgebildeten Verschlusselement 14b ^I, 14b ^II, 14b ^IV sind geschlossen. Das Trennelement 8b ^III ist geöffnet.
Das durch den ersten Kältemitteldurchlass 4 in das erste Sammelrohr 2 eintretende, gasförmige und heiße Kältemittel wird durch die Strömungspfade der ersten Flut geleitet. Aufgrund des Druckverlustes beim Durchströmen der ersten und zweiten Flut sowie dem Vermischen und Umlenken des Kältemittels im zweiten Sammelrohr 3 liegt am Trennelement 8b ^IV ein Differenzdruck an, welcher das Trennelement 8b ^IV geschlossen hält. Die Trennelemente 8b ^I, 8b ^II sind auf gleiche Art und Weise geschlossen. Das Trennelement 8b ^III ist aufgrund des anliegenden Druckes hingegen geöffnet.
Der Wärmeübertrager 1 wird folglich vierflutig durchströmt. Das Kältemittel tritt nach der Wärmeabgabe durch den zweiten Kältemitteldurchlass 5 aus dem Wärmeübertrager 1 aus.
Der in 6b gezeigte Wärmeübertrager 1 wird im Wärmepumpenmodus zweiflutig durchströmt. Dabei sind die Trennelemente 8b ^I, 8b ^II, 8b ^IV mit dem jeweils geradlinig beweglich ausgebildeten Verschlusselement 14b ^I, 14b ^II, 14b ^IV geöffnet. Das Trennelement 8b ^III ist geschlossen.
Das durch den zweiten Kältemitteldurchlass 5 in das erste Sammelrohr 2 eintretende Kältemittel wird in die Strömungspfade der vierten und dritten Flut aufgeteilt. Die Bezeichnung der Fluten bezieht sich stets auf den Betrieb im Kälteanlagenmodus. Aufgrund des anliegenden Druckes des Kältemittels sind die Trennelemente 8b ^I, 8b ^II geöffnet, während das Trennelement 8b ^III infolge des durch den Druckverlust beim Strömen des Kältemittels durch die Fluten und das Sammelrohr 3 entstehenden Differenzdruckes im Sammelrohr 2 geschlossen ist. Das Trennelement 8b ^IV ist ebenfalls geöffnet.
Der Wärmeübertrager 1 wird folglich zweiflutig durchströmt. Das Kältemittel tritt nach der Wärmeaufnahme durch den ersten Kältemitteldurchlass 4 aus dem Wärmeübertrager 1 aus.
7 zeigt einen mehrflutig, bi-direktional durchströmbaren Wärmeübertrager 1 mit vier Kältemittelanschlüssen 28, 29, 30, 31 und einem zwischen den Fluten angeordneten, integrierten Druckminderer 32. Der Druckminderer 32 ist bevorzugt als schaltbares Drosselelement ausgebildet. Der Wärmeübertrager 1 nach 7 wird als vierflutiger Kondensator/Gaskühler betrieben. Der Druckminderer 32 ist zwischen den Kältemittelanschlüssen 29, 30 beziehungsweise zwischen der zweiten Flut und der dritten Flut angeordnet.
Durch Zuschaltung des Druckminderers 32 kann das Druckniveau des Kältemittels innerhalb der ersten und der zweiten Flut im Vergleich zum Druckniveau innerhalb der dritten und vierten Flut angehoben werden. Dabei wird der Betrieb im Wärmepumpenmodus derart geregelt, dass beim Anfahren des Prozesses die Wärmeübertragung an das Kältemittel zum großen Teil in den Fluten 1 und 2 stattfindet. Die Fluten 3 und 4 werden von überhitztem Dampf durchströmt. Durch die Überhitzung wird das Temperaturniveau im Kältemittel angehoben. Damit besteht das höchste Risiko der Vereisung an den Wärmeübertragungsflächen der Fluten 1 und 2.
Das Vereisen der Wärmeübertragungsflächen der Fluten 1 und 2 wird mit Hilfe eines Temperaturdifferenzsensors 33 detektiert, welcher beispielsweise mechanisch als Bimetall-Schalter oder elektrisch als Peltier-Element ausgebildet ist. Die Differenz zwischen den Temperaturen der Oberfläche in den Eintrittsbereichen der Flut 1 und der Flut 3 löst den Temperaturdifferenzsensor 33 aus, welcher den Druckminderer 32 aktiviert. Durch das Zuschalten des Druckminderers 32 wird das Druckniveau des Kältemittels in den Fluten 1 und 2 im Vergleich zum Druckniveau des Kältemittels in den Fluten 3 und 4 erhöht. Da in den Fluten 1 und 2 das Kältemittel als Zweiphasengemisch strömt, wird sich das Temperaturniveau im Kältemittel ebenfalls erhöhen und das vorhandene Eis auf der Oberfläche des Wärmeübertragers 1 abgetaut. Aufgrund der Druckminderung wird das Druckniveau in den Fluten 3 und 4 derart verringert, dass in den Fluten 3 und 4 ein Temperaturniveau des Kältemittels unterhalb der Umgebungstemperatur vorliegt. Die Wärmeübertragung an das Kältemittel wird in die Fluten 3 und 4 des Wärmeübertragers 1 verlagert. Die Verlagerung des Anteils der übertragenen Wärme ist dabei auf die größere Temperaturdifferenz zwischen dem Kältemittel in den Fluten 3 und 4 im Vergleich zu den Fluten 1 und 2 bezüglich der Umgebung zurückzuführen.
Die Zeit der Abtauung wird dabei derart kurz gewählt, dass während des Abtauens die Fluten 3 und 4 nicht vereisen.
Nachdem die Oberflächen der Fluten 1 und 2 abgetaut sind, kehrt sich die Temperaturdifferenz auf der Oberfläche der Fluten 1 und 3 um, welche vom Temperaturdifferenzsensor 33 bestimmt wird. Der Druckminderer 32 wird wieder geöffnet. Die Fluten 1 und 2 werden wieder durchströmt und der Prozess kann von vorne beginnen.
Bezugszeichenliste

1: Wärmeübertrager
2: erstes Sammelrohr, Verteilerrohr
3: zweites Sammelrohr, Verteilerrohr
4: erster Kältemitteldurchlass
5: zweiter Kältemitteldurchlass
6: Strömungsrichtung Kältemittel
6^I: Strömungsrichtung Kältemittel im Kälteanlagenmodus
6^II: Strömungsrichtung Kältemittel im Wärmepumpenmodus
7: statisches Trennelement
8a, 8b: bewegliches Trennelement, Ventil
8b^I, 8b^II, 8b^III, 8b^IV: Verschlusselement, Verriegelungsanordnung
9^I, 9^II, 9^III: Bypass
10: drehbewegliches Verschlusselement
11: erster Anschlag für Verschlusselement 10
12: zweiter Anschlag für Verschlusselement 10
13: Haltevorrichtung für Verschlusselement 10
14: geradlinig bewegliches Verschlusselement
14b^I, 14b^II, 14b^III, 14b^IV: geradlinig bewegliches Verschlusselement
15: Anschlag für Verschlusselement 14
16: erste Kältemittelleitung
17: erstes Rückschlagventil, Ventil
18: zweite Kältemittelleitung
19: zweites Rückschlagventil, Ventil
20, 21: schaltbares Ventil
22, 23: Kältemittelleitung
24, 25, 26, 27: schaltbares Ventil
28, 29, 30, 31: Kältemittelanschluss
32: Druckminderer
33: Temperaturdifferenzsensor

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

EP 1895255 B1 [0007]

Claims

Wärmeübertrager (1) eines Kältemittelkreislaufes einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges zur Wärmeübertragung zwischen Kältemittel und Luft, wobei die Klimaanlage für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Heizmodus ausgebildet ist, aufweisend – ein erstes Sammelrohr (2) und ein zweites Sammelrohr (3), welche beabstandet und parallel zueinander ausgerichtet angeordnet sind, – Strömungspfade, welche als parallel zueinander angeordnete Fluid-Verbindungen zwischen den Sammelrohren (2, 3) ausgebildet sind und – Mittel zur Unterteilung des inneren Volumens mindestens eines Sammelrohres (2, 3) in voneinander unabhängige Bereiche, wobei der Wärmeübertrager (1) bidirektional durchströmbar ausgebildet ist und die Strömungsrichtung des Kältemittels im Inneren des Wärmeübertragers (1) vom Betriebsmodus abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Unterteilung des inneren Volumens mindestens eines Sammelrohres (2, 3) in voneinander unabhängige Bereiche schaltbar ausgebildet sind, sodass das Kältemittel je nach Strömungsrichtung und Betriebsmodus durch eine unterschiedliche Anzahl von Fluten leitbar ist.
Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Bypass (9 ^I, 9 ^II, 9 ^III) als parallele Fluid-Verbindung zu den Strömungspfaden zwischen den Sammelrohren (2, 3) ausgebildet ist, wobei der Bypass (9 ^I, 9 ^II, 9 ^III) mit den Mitteln zur Unterteilung des inneren Volumens des mindestens einen Sammelrohres (2, 3) schaltbar ist, sodass das Kältemittel bei geöffnetem Bypass (9 ^I, 9 ^II, 9 ^III) durch den Bypass (9 ^I, 9 ^II, 9 ^III) strömt und mindestens eine Flut des Wärmeübertragers (1) nicht von Kältemittel durchströmt wird.
Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Unterteilung des inneren Volumens des Sammelrohres (2, 3) – innerhalb des Sammelrohres (2, 3) angeordnet sind und – als bewegliche Trennelemente (8a, 8b) ausgebildet sind, wobei die beweglichen Trennelemente (8a, 8b) auf dem Differenzdruckprinzip basierend ausgebildet sind und je nach Ausrichtung innerhalb des Sammelrohres (2, 3) und anliegender Druckdifferenz eine Öffnung freigeben oder verschließen.
Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Trennelement (8b) ein geradlinig beweglich ausgebildetes Verschlusselement (14) und einen Anschlag (15) aufweist, wobei das Verschlusselement (14) im geschlossenen Zustand des Trennelementes (8b) am Anschlag (15) anliegt.
Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Trennelement (8a) ein drehbeweglich ausgebildetes Verschlusselement (10) aufweist, welches an einem ersten Ende an einer Haltevorrichtung (13) drehbeweglich gehaltert ist und an einem zweiten Ende je nach Stellung an einem ersten oder an einem zweiten Anschlag (11, 12) anliegt.
Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Unterteilung des inneren Volumens des Sammelrohres (2, 3) – statische Trennelemente (7) innerhalb des Sammelrohres (2, 3) sowie – Kältemittelleitungen (16, 18, 22, 23) mit schaltbaren Ventilen (17, 19, 20, 21, 24, 25, 26, 27) außerhalb des Sammelrohres (2, 3) umfassen, wobei die Kältemittelleitungen (16, 18, 22, 23) unterschiedliche voneinander unabhängige Bereiche des inneren Volumens des Sammelrohres (2, 3) miteinander verbindend angeordnet sind und die schaltbaren Ventile (17, 19, 20, 21, 24, 25, 26, 27) die Kältemittelleitungen (16, 18, 22, 23) öffnen und/oder verschließen.
Wärmeübertrager (1) eines Kältemittelkreislaufes einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges zur Wärmeübertragung zwischen Kältemittel und Luft, wobei – die Klimaanlage für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Heizmodus ausgebildet ist sowie – der Wärmeübertrager (1) mehrflutig, bidirektional durchströmbar ausgebildet ist und die Strömungsrichtung des Kältemittels im Inneren des Wärmeübertragers (1) vom Betriebsmodus abhängig ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Fluten ein Druckminderer (32) angeordnet ist.
Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckminderer (32) mit einem Temperaturdifferenzsensor (33) verbunden ist, wobei der Temperaturdifferenzsensor (33) derart angeordnet und konfiguriert ist, die Temperaturen auf der Oberfläche des Wärmeübertragers (1) zu bestimmen und den Druckminderer (32) abhängig von der Temperaturdifferenz zu aktivieren und zu deaktivieren.
Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1) beim Betrieb der Klimaanlage im Kälteanlagenmodus vierflutig ausgebildet ist und der Druckminderer (32) zwischen der zweiten Flut und der dritten Flut angeordnet ist.
Wärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1) – eine Tiefe im Bereich von 8 mm bis 20 mm aufweist und – im Frontbereich des Kraftfahrzeuges angeordnet ist.