DE102013113221A1 - Inner heat exchanger with variable heat transfer - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen inneren -Wärmetauscher (13, 16) für den Kältemittelkreislauf (10) einer Klimatisierungseinrichtung, insbesondere in einem Kraftfahrzeug. Der innerer Wärmetauscher (13, 16) umfasst einen ersten Leitungsabschnitt (13, 18B) zum Führen des Kältemittels auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs (10), einen zweiten Leitungsabschnitt (16, 19C) zum Führen des Kältemittels auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs (10) sowie eine Wärmetauschstrecke, bei welcher der erste und der zweite Leitungsabschnitt (13, 18B, 16, 19C) wenigstens teilweise in wärmeleitendem Kontakt nebeneinander verlaufen. Der innere Wärmetauscher (13, 16) ist gekennzeichnet durch einen Bypass (18C), welcher an einer wenigstens teilweise im Bereich der Wärmetauschstrecke liegenden Teilstrecke (20) des ersten Leitungsabschnitts (13, 18B) vorbeigeführt wird, und dessen Massenstrom mittels einer Absperrvorrichtung (17A; 17B) regelbar ist, welche in Abhängigkeit vom thermo-fluiddynamischen Zustand des Kältemittelkreises automatisch regelbar ist, sodass der Wärmeaustausch über die Wärmeaustauschstrecke variierbar ist.The present invention relates to an internal heat exchanger (13, 16) for the refrigerant circuit (10) of an air-conditioning device, in particular in a motor vehicle. The inner heat exchanger (13, 16) comprises a first line section (13, 18B) for guiding the refrigerant on the high-pressure side of the refrigerant circuit (10), a second line section (16, 19C) for guiding the refrigerant on the low-pressure side of the refrigerant circuit (10). and a heat exchange path in which the first and second line sections (13, 18B, 16, 19C) extend at least partially adjacent to each other in heat-conductive contact. The inner heat exchanger (13, 16) is characterized by a bypass (18C), which is guided past a partial section (20) of the first line section (13, 18B) lying at least partially in the region of the heat exchange path, and whose mass flow is controlled by means of a shut-off device (17A ; 17B) is controllable, which is automatically controlled depending on the thermo-fluid dynamic state of the refrigerant circuit, so that the heat exchange over the heat exchange path is variable.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen inneren Wärmetauscher, insbesondere für einen Kältemittelkreislauf einer Klimatisierungseinrichtung in einem Kraftfahrzeug. Gattungsgemäße innere Wärmetauscher umfassen einen ersten Leitungsabschnitt zum Führen des Kältemittels auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs und einen zweiten Leitungsabschnitt zum Führen des Kältemittels auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs. Sie umfassen ferner eine Wärmetauschstrecke, bei welcher der erste und der zweite Leitungsabschnitt wenigstens teilweise in wärmeleitendem Kontakt nebeneinander verlaufen. Die Erfindung betrifft ferner einen Kältemittelkreislauf mit einem solchen inneren Wärmetauscher. The present invention relates to an internal heat exchanger, in particular for a refrigerant circuit of an air conditioning device in a motor vehicle. Generic internal heat exchangers include a first conduit section for guiding the refrigerant on the high-pressure side of the refrigerant circuit and a second conduit section for guiding the refrigerant on the low-pressure side of the refrigerant circuit. They furthermore comprise a heat exchange path, in which the first and the second line sections extend at least partially in heat-conducting contact next to one another. The invention further relates to a refrigerant circuit with such an inner heat exchanger.
Bei einem Kältemittelkreislauf wird Kältemittel in einem Kompressor verdichtet, durchströmt einen Kondensator, in dem Wärme nach außen abgegeben wird und das Kältemittel dadurch wenigstens teilweise kondensiert. Das Kältemittel wird beim Passieren eines Expansionsorgans entspannt und durchströmt nachfolgend einen Verdampfer, in dem das Kältemittel Wärme aufnimmt, um von dort als sogenanntes Sauggas vom Kompressor angesaugt zu werden. Weil das Kältemittel im ersten Leitungsabschnitt zwischen Kompressor und Expansionsorgan auf einem höheren Druckniveau als im zweiten Leitungsabschnitt zwischen dem Expansionsorgan und dem Kompressor geführt wird, wird der erste Leitungsabschnitt auch als Hochdruckseite und der zweite Leitungsabschnitt als Niederdruckseite bezeichnet. Das Temperaturniveau liegt dabei auf der Hochdruckseite über dem der Niederdruckseite. In a refrigerant circuit, refrigerant is compressed in a compressor, flows through a condenser, in which heat is discharged to the outside and the refrigerant thereby at least partially condenses. The refrigerant is expanded when passing through an expansion element and subsequently flows through an evaporator, in which the refrigerant absorbs heat to be sucked from there as a so-called suction gas from the compressor. Because the refrigerant in the first line section between the compressor and the expansion device is guided at a higher pressure level than in the second line section between the expansion element and the compressor, the first line section is also referred to as the high-pressure side and the second line section as the low-pressure side. The temperature level is on the high pressure side above the low pressure side.
Innere Wärmetauscher für Kältemittelkreisläufe sind aus dem Stand der Technik prinzipiell bekannt. Entlang der Wärmeaustauschstrecke liegen die Leitungsabschnitte typischerweise koaxial zueinander, wobei die das Sauggas führende Niederdruckseite dann vorteilhafterweise innen geführt wird. Es sind aber auch andere Anordnungen möglich, wie beispielsweise nebeneinander geführte Flachrohre. Der innere Wärmetauscher entzieht auf der Hochdruckseite dem vom Kondensator kommenden komprimierten Kältemittel Wärme und führt diese Wärme dem vom Verdampfer zum Verdichter strömenden Kältemittel auf der Niederdruckseite zu. Hierdurch lässt sich die Energieeffizienz steigern. Internal heat exchangers for refrigerant circuits are known in principle from the prior art. Along the heat exchange path, the line sections are typically coaxial to each other, wherein the suction gas leading low pressure side is then advantageously guided inside. But there are also other arrangements possible, such as side by side guided flat tubes. The inner heat exchanger removes heat on the high-pressure side from the compressed refrigerant coming from the condenser and supplies this heat to the refrigerant flowing from the evaporator to the compressor on the low-pressure side. This can increase energy efficiency.
Die
Innere Wärmetauscher müssen für jedes Entwicklungsvorhaben je nach Systemauslegung angepasst werden. Dabei kommt es regelmäßig vor, dass ein an hohe Lastzustände angepasster bzw. optimierter inneren Wärmetauscher mit fest vorgegebener Wärmeaustauschstrecke bei niedrigen Lastbedingungen zu instabilen Verhalten im Kältemittelkreislauf führt.- Das instabile Verhalten führt zu einem Phasenwechsel des Kältemittels am Verdampferausgang. Bedingt durch die Regelcharakteristik des Expansionsorgans wird diese Massenstromänderung des Kältemittels verstärkt, was zu einer Erhöhung der Auftrittswahrscheinlichkeit von Schallentwicklung führt. Internal heat exchangers must be adapted to each development project depending on the system design. It often happens that an internal heat exchanger adapted to high load conditions or optimized with a fixed heat exchange path at low load conditions leads to unstable behavior in the refrigerant circuit. The unstable behavior leads to a phase change of the refrigerant at the evaporator outlet. Due to the control characteristics of the expansion element, this mass flow change of the refrigerant is amplified, which leads to an increase in the probability of occurrence of sound development.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen inneren Wärmetauscher für einen Kältemittelkreislauf bereitzustellen, welcher bei niedrigen Lastbedingungen operative Stabilität insbesondere in Bezug auf den Phasenzustand des Kältemittels ermöglicht, um das Auftreten von Strömungsgeräuschen zu reduzieren. It is the object of the present invention to provide an internal heat exchanger for a refrigerant circuit, which allows for low load conditions operational stability, in particular with respect to the phase state of the refrigerant to reduce the occurrence of flow noise.
Diese Aufgabe wird durch einen inneren Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einen Kältemittelkreislauf mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. This object is achieved by an internal heat exchanger having the features of claim 1 and a refrigerant circuit having the features of
Der erfindungsgemäße innere Wärmetauscher ist gekennzeichnet durch einen Bypass, welcher an einer wenigstens teilweise im Bereich der Wärmetauschstrecke liegenden Teilstrecke des ersten Leitungsabschnitts vorbeigeführt wird, und dessen Massenstrom mittels einer Absperrvorrichtung regelbar ist, welche in Abhängigkeit vom thermo-fluiddynamischen Zustand des Kältemittelkreises automatisch regelbar ist, sodass der Wärmeaustausch über die Wärmeaustauschstrecke variierbar ist. Der thermo-fluiddynamische Zustand des Kältemittelkreises (d.h. Massenstrom, Druck- und Temperaturverteilung) verändert sich in Abhängigkeit von der Lastbedingung. Je nach Durchflussrate des Kältemittels ergibt sich bei einem räumlich und vorrichtungstechnisch fest vorgegebenen Kreislauf eine bestimmte Temperatureinstellung. Die Erfinder haben erkannt, dass sich diese Zustandsparameter nutzen lassen, um einen selbstregelnden Kreislauf ohne ein von außen gesteuertes Ventil bereitzustellen. Je nach Zustand ergibt sich somit automatisch eine Einstellung des Absperrventils. Der Bypass wird typischerweise parallel und beabstandet zum ersten Leitungsabschnitt geführt, sodass das hierdurch strömende Kältemittel nicht in wärmeleitendem Kontakt mit der Niederdruckseite steht. Dadurch verringert sich der Wärmeübergang und es kann an spezifischen Punkten im Kältemittelkreis, insbesondere am Verdampferausgang, der Temperaturpunkt eingestellt und damit eine Verschiebung im Phasendiagram (Anteil an flüssigem/ gasförmigen Kältemittel) erreicht werden. The internal heat exchanger according to the invention is characterized by a bypass, which is guided past a partial section of the first line section lying at least partially in the region of the heat exchange section, and whose mass flow is controllable by means of a shut-off device which is automatically adjustable as a function of the thermo-fluid dynamic state of the refrigerant circuit. so that the heat exchange through the heat exchange path is variable. The thermo-fluid dynamic state of the refrigerant circuit (ie mass flow, pressure and temperature distribution) varies depending on the load condition. Depending on the flow rate of the refrigerant results in a spatially and device technology firmly predetermined circuit a certain temperature setting. The inventors have realized that these state parameters can be used to provide a self-regulating circuit without an externally controlled valve. Depending on the state thus automatically results in a setting of the shut-off valve. The bypass is typically guided in parallel and spaced from the first line section, so that the refrigerant flowing therethrough is not in heat-conducting contact with the low-pressure side. This reduces the heat transfer and it can be specific Points in the refrigerant circuit, in particular at the evaporator output, set the temperature point and thus a shift in the phase diagram (proportion of liquid / gaseous refrigerant) can be achieved.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Absperrvorrichtung ein 3-Wege-Ventil, welches die Summe der Durchflussraten durch den Bypass und durch die Teilstrecke des ersten Leitungsabschnitts konstant hält. Das 3-Wege-Ventil öffnet den Bypass in dem Maße, wie die Teilstrecke geschlossen wird. According to one embodiment of the invention, the shut-off device is a 3-way valve which keeps constant the sum of the flow rates through the bypass and through the partial section of the first line section. The 3-way valve opens the bypass as the section is closed.
Die Absperrvorrichtung ist zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von einer erfassten, relativ erhöhten Temperatur selbständig derart regelbar, dass der Massenstrom durch den Bypass erniedrigt wird. Das heißt mit anderen Worten, dass bei einer erhöhten Temperaturbedingung die Wärmeaustauschstrecke und damit die Wärmeübertragung vergrößert werden. Dadurch wird das Kältemittel hochdruckseitig stromabwärts von dem inneren Wärmetauscher vergleichsweise (im Vergleich zu einem weiter geöffneten Bypass) stärker abgekühlt. Diese vergleichsweise starke Abkühlung beeinflusst auch den kältemittelseitigen Austrittszustand am Verdampfer bei konstantem Energieaustausch am Verdampfer. Dabei kann es zu einer unvollständigen Verdampfung des Kältemittels bis hin zum Eintritt in den inneren Wärmetauscher kommen. Bei einer erhöhten Temperaturbedingung ist diese Temperaturabsenkung am Verdampfer akzeptabel, solange dem Kältemittel beim Durchströmen durch den Verdampfer ausreichend Energie zugeführt wird. Im umgekehrten Fall entsteht in den Leitungsabschnitten insbesondere am Verdampferausgang durch das Vorliegen des Kältemittels in der Mischphase ggf. störender Körperschall. The shut-off device is expediently independently controllable in dependence on a detected, relatively elevated temperature such that the mass flow through the bypass is lowered. In other words, that at an elevated temperature condition, the heat exchange distance and thus the heat transfer can be increased. As a result, the refrigerant on the high-pressure side downstream of the inner heat exchanger is comparatively more cooled (as compared to a further open bypass). This comparatively strong cooling also influences the refrigerant-side outlet state at the evaporator with constant energy exchange at the evaporator. This can lead to incomplete evaporation of the refrigerant up to the entry into the inner heat exchanger. At an elevated temperature condition, this temperature reduction at the evaporator is acceptable as long as the refrigerant is supplied with sufficient energy as it flows through the evaporator. In the opposite case, in the line sections, in particular at the evaporator outlet, the presence of the refrigerant in the mixing phase may result in disturbing structure-borne noise.
Es sei hier angemerkt, dass die erhöhte Temperaturbedingung aufgrund des später noch zu erläuternden thermodynamischen Verhaltens des Kältemittelkreises bedingt ist, und zwar typischerweise bei einer erhöhten Lastbedingung und/oder erhöhten Umgebungstemperatur bzw. Außentemperatur. Daher wird vorteilhafterweise eine Umgebungstemperatur und/oder eine Temperatur im Kältemittelkreislauf für die Regelung der Absperrvorrichtung verwendet. Zum Erfassen der Umgebungstemperatur kann insbesondere der in Kraftfahrzeugen vorhandene Außentemperaturfühler verwendet werden. It should be noted here that the elevated temperature condition is due to the thermodynamic behavior of the refrigerant circuit to be explained later, typically at an increased load condition and / or increased ambient temperature or outside temperature. Therefore, an ambient temperature and / or a temperature in the refrigerant circuit is advantageously used for the regulation of the shut-off device. To detect the ambient temperature, in particular the outside temperature sensor present in motor vehicles can be used.
Für die automatische Regelung der Absperrvorrichtung kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Absperrvorrichtung mit einem thermomechanischen Element gekoppelt und durch dieses aktuierbar ist. Dabei ist dann das thermomechanische Element thermisch mit einem Messpunkt im Kältemittelkreislauf, vorzugsweise dem Kondensatorausgang und/oder dem Verdampferausgang, gekoppelt. Zur korrekten Aktuierung ist das thermomechanische Element dann so angepasst, dass es auf eine Temperaturänderung am Messpunkt mit einer mechanischen Veränderung derart reagiert, dass die Absperrvorrichtung in die gewünschte Einstellung verändert wird. Als thermomechanische Elemente können hierfür beispielsweise kostengünstige und für den Fahrzeugbau bewährte Dehnstoffelemente oder Bimetallstreifen verwendet werden. For the automatic control of the shut-off device, it can be advantageously provided that the shut-off device is coupled to a thermo-mechanical element and can be actuated by it. In this case, the thermo-mechanical element is then thermally coupled to a measuring point in the refrigerant circuit, preferably the condenser outlet and / or the evaporator outlet. For correct actuation, the thermo-mechanical element is then adapted to respond to a temperature change at the measurement point with a mechanical change such that the shut-off device is changed to the desired setting. As a thermo-mechanical elements this example, cost-effective and proven for vehicle expansion elements or bimetallic strips can be used.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Absperrvorrichtung ein thermostatisches Ventil. Es kann sich in diesem Fall alternativ oder zusätzlich zu der vorgenannten Regelung selbständig in Abhängigkeit von der Temperaturbedingung einstellen. According to an advantageous embodiment of the invention, the shut-off device is a thermostatic valve. In this case, it is possible, as an alternative or in addition to the aforementioned regulation, to adjust independently as a function of the temperature condition.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Absperrvorrichtung mit dem Expansionsorgan des Kältemittelkreises koppelbar, sodass die Absperrvorrichtung automatisch in Abhängigkeit von der Regelung des Expansionsorgans regelbar ist. Unabhängig davon, wie das Expansionsorgan selber gesteuert wird, gibt dieses einen thermo-fluiddynamischen Zustand des Kältemittelkreises vor, in dessen Abhängigkeit dann der Bypass automatisch mitgeregelt wird. Das Expansionsorgan des Kältemittelkreises ist vorzugsweise ein Ventil, welches automatisch in Abhängigkeit von dem Druck und/oder der Temperatur des auf der Niederdruckseite geführten Kältemittels regelbar ist. According to one embodiment of the invention, the shut-off device can be coupled to the expansion element of the refrigerant circuit, so that the shut-off device can be regulated automatically as a function of the regulation of the expansion element. Regardless of how the expansion element is controlled itself, this specifies a thermo-fluid dynamic state of the refrigerant circuit, depending on which then the bypass is automatically controlled. The expansion element of the refrigerant circuit is preferably a valve which can be regulated automatically as a function of the pressure and / or the temperature of the refrigerant guided on the low-pressure side.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Absperrvorrichtung in das Expansionsorgan derart integriert ist, dass durch eine mechanische Stellbewegung des Expansionsorgans die Einstellung der Absperrvorrichtung verändert wird. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass das Expansionsventil, z.B. ein aus dem Stand der Technik bekanntes thermostatisch geregeltes Expansionsventil, einen Stift in einer Bohrung hebt und senkt. In der Bohrung ist durch eine Verjüngung des Stiftes durch die Hebe- und Senkbewegung eine Passage schließbar bzw. freigebbar. Diese Passage kann dann als Absperrvorrichtung für den Bypass des inneren Wärmetauschers verwendet werden. According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the shut-off device is integrated into the expansion device such that the setting of the shut-off device is changed by a mechanical adjusting movement of the expansion element. In particular, it may be provided that the expansion valve, e.g. a known from the prior art thermostatically controlled expansion valve, a pin in a bore raises and lowers. In the bore, a passage can be closed or released by a tapering of the pin by the raising and lowering movement. This passage can then be used as a shut-off device for the bypass of the internal heat exchanger.
Das Expansionsorgan des Kältemittelkreislaufs kann vorteilhafterweise noch in den inneren Wärmetauscher integriert werden, sodass sich eine kompakte, gewichtsreduzierte Bauform des inneren Wärmetauschers ergibt. Es kann dabei einen Flansch mit zwei Ausgängen für die Leitungen der Niederdruckseite aufweisen. Dies ermöglicht auch eine einfache Handhabung bei der Montage oder Wartung. The expansion element of the refrigerant circuit can advantageously still be integrated into the inner heat exchanger, resulting in a compact, weight-reduced design of the inner heat exchanger. It may have a flange with two outputs for the lines of the low pressure side. This also allows easy handling during assembly or maintenance.
Erfindungsgemäß wird ein Kältemittelkreislauf mit einem Kompressor, einem Kondensator, einem Expansionsorgan und einem Verdampfer mit einem zuvor genannten inneren – Wärmetauscher ausgestattet. According to the invention, a refrigerant circuit with a compressor, a condenser, an expansion element and an evaporator with equipped with a previously mentioned internal heat exchanger.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug zu den Figuren näher erläutert. The invention will now be explained in more detail with reference to embodiments and with reference to the figures.
Die
die
die
die
die
Die nachfolgend beschriebenen Kältemittelkreisläufe
In den
Zunächst wird von einem fest eingestellten inneren Wärmetauscher
Das Kältemittel gelangt stromabwärts über den Leitungsabschnitt
Das Kältemittel gelangt stromabwärts weiter über den Leitungsabschnitt
Der Kältemittelkreislauf
Durch die variable Wärmeaustauschstrecke kann nun erfindungsgemäß erreicht werden, dass bei niedriger Last die Unterkühlung im inneren Wärmetauscher
Die variable Wärmeaustauschstrecke wird durch einen Bypass
Die Absperrvorrichtung
Im ersten Ausführungsbeispiel mit Bezug zu der
Das 3-Wege-Ventil
Im zweiten Ausführungsbeispiel mit Bezug zu der
In der
In der Ausführungsform gemäß der
In der
In der links dargestellten ersten Position ist die Verjüngung
Dem Fachmann ist ersichtlich, dass es zu den genannten Ausführungsbeispielen bzgl. Anordnung und Wahl der Absperrvorrichtung des Bypasses
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- I I
- flüssige Phase liquid phase
- II II
- Nassdampf-Phase Wet steam phase
- III III
- Heißdampf-Phase Superheated steam phase
- 1 (w–z) 1 (wz)
- Zustandskurve des Kältemittels bei hoher Last Condition curve of the refrigerant at high load
- 2A–2B2A-2B
- (w–z) Zustandskurve des Kältemittels bei niedriger Last (w-z) Condition curve of the refrigerant at low load
- 3 3
- Kondensator-Charakteristik Capacitor characteristic
- 4A–4B 4A-4B
- Charakteristik des inneren Wärmetauschers Characteristic of the internal heat exchanger
- 5–9 5-9
- Zustandspunkte des Kältemittels Condition points of the refrigerant
- 10 10
- Kältemittelkreislauf Refrigerant circulation
- 11 11
- Kompressor compressor
- 12 12
- Kondensator capacitor
- 12A 12A
- Kondensatorausgang condenser outlet
- 13 13
- inneren Wärmetauscher/ Hochdruckseite inner heat exchanger / high pressure side
- 14 14
- Expansionsventil expansion valve
- 15 15
- Verdampfer Evaporator
- 15A 15A
- Verdampferausgang evaporator outlet
- 16 16
- inneren Wärmetauscher/ Niederdruckseite inner heat exchanger / low pressure side
- 17A 17A
- 3-Wege-Ventil 3-way valve
- 17B 17B
- Absperrventil shut-off valve
- 18A–18C 18A-18C
- Leitungsabschnitte Hochdruckseite Line sections high pressure side
- 18C18C
- Bypass bypass
- 19A–19C 19A-19C
- Leitungsabschnitte Niederdruckseite Line sections low-pressure side
- 20 20
- Wärmetausch-Zusatzstrecke Additional heat exchange path
- 21 21
- Bohrung drilling
- 22 22
- Stift pen
- 23 23
- Verjüngung rejuvenation
- 24 24
- Passage passage
- 25 25
- Verbindungsstück joint
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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