DE102013217072A1

DE102013217072A1 - Kondensator

Info

Publication number: DE102013217072A1
Application number: DE102013217072.6A
Authority: DE
Inventors: Uwe Förster; Sabine Bitzer; Roger Gorges; Martin Kaspar
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2013-08-27
Filing date: 2013-08-27
Publication date: 2015-03-05
Also published as: JP2016535234A; EP3039356B1; CN105473959A; US20160169567A1; WO2015028298A1; EP3039356A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kondensator (1) für die Kondensation eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf eines Kraftfahrzeugs, mit einem Fluideinlass (6) und einem Fluidauslass (7), wobei der Kondensator (1) über den Fluideinlass (6) und den Fluidauslass (7) mit dem Kältemittelkreislauf in Fluidkommunikation steht, wobei der Kondensator (1) ein Granulat aufweist, durch welches eine Fluidmenge aus dem Kältemittel aufnehmbar ist, wobei die im Kondensator (1) enthaltene Granulatmenge sich nach der Formel MG = W/WAberechnet, wobei MG die Masse des im Kondensator (1) enthaltenen Granulats in [g] bezeichnet, W die durch das Granulat insgesamt aufnehmbare Fluidmenge in [g] bezeichnet und WA die aufnehmbare Fluidmenge pro Gramm Granulat bezeichnet.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Kondensator für die Kondensation eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf eines Kraftfahrzeugs, mit einem Fluideinlass und einem Fluidauslass, wobei der Kondensator über den Fluideinlass und den Fluidauslass mit dem Kältemittelkreislauf in Fluidkommunikation steht, wobei der Kondensator ein Granulat aufweist, durch welches eine Fluidmenge aus dem Kältemittel aufnehmbar ist.
Stand der Technik
In Kältemittelkreisläufen von Klimaanlagen für Kraftfahrzeuge werden Kondensatoren eingesetzt, um das Kältemittel auf die Kondensationstemperatur abzukühlen und das Kältemittel zu kondensieren. Regelmäßig weisen Kondensatoren einen Sammler auf, in welchem ein Kältemittelvolumen vorgehalten ist, um Volumenschwankungen im Kältemittelkreislauf auszugleichen und um eine stabile Unterkühlung des Kältemittels zu erreichen.
Oftmals sind in dem Sammler zusätzliche Mittel zur Trocknung und/oder Filterung des Kältemittels vorgesehen. Das Mittel zur Trocknung ist dabei regelmäßig durch ein Granulat gebildet. Das Granulat nimmt einen Volumenanteil des Sammlers oder des Kondensators ein, wodurch das Füllvolumen für das Kältemittel reduziert wird.
Der für den Kondensator bzw. den Sammler zur Verfügung stehende Bauraum innerhalb des Kraftfahrzeugs nimmt ständig weiter ab, so dass das insgesamt zu realisierende Innenvolumen des Kondensators bzw. des Sammlers ebenfalls stetig verkleinert werden muss.
Nachteilig bei den Lösungen im Stand der Technik ist insbesondere, dass das Aufnahmevolumen des Kondensators bzw. des Sammlers für Kältemittel aufgrund der Anordnung von Granulat zur Trocknung des Kältemittels und den immer geringer werdenden Dimensionen des Kondensators bzw. des Sammlers ständig abnimmt. Dies führt zu einer geringen Temperaturstabilität im Kondensator und somit zu einer negativen Beeinflussung des Kältemittelkreislaufs. Außerdem ist es nachteilig, dass aufgrund von Kundenanforderungen eine immer größere Fluidaufnahmekapazität für das im Kondensator bzw. im Sammler enthaltene Granulat gefordert wird.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Kondensator bereitzustellen, der ein Granulat zur Trocknung des Kältemittels enthält, welches eine möglichst große Fluidaufnahmefähigkeit bietet und gleichzeitig ein möglichst geringes Volumen einnimmt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch einen Kondensator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Kondensator für die Kondensation eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf eines Kraftfahrzeugs, mit einem Fluideinlass und einem Fluidauslass, wobei der Kondensator über den Fluideinlass und den Fluidauslass mit dem Kältemittelkreislauf in Fluidkommunikation steht, wobei der Kondensator ein Granulat aufweist, durch welches eine Fluidmenge aus dem Kältemittel aufnehmbar ist, wobei die im Kondensator enthaltene Granulatmenge sich nach der Formel MG = W/WA berechnet, wobei MG die Masse des im Kondensator enthaltenen Granulats in [g] bezeichnet, W die durch das Granulat insgesamt aufnehmbare Fluidmenge bezeichnet und WA die aufnehmbare Fluidmenge pro Gramm Granulat bereichnet.
Eine Berechnung des im Kondensator enthaltenen Granulats nach der oben vorgegebenen Formal ist besonders vorteilhaft, da so die Auslegung der Granulatmenge anhand der Menge des aufzunehmenden Fluids im Kältemittelkreislauf bzw. im Kondensator geschieht.
Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die aufnehmbare Fluidmenge pro Gramm Granulat WA in einem Bereich von 0,1 bis 0,4, dabei vorzugsweise in einem Bereich von 0,2 bis 0,3, dabei vorzugsweise in einem Bereich von 0,23 bis 0,25 liegt.
Eine aufnehmbare Fluidmenge pro Gramm Granulat in dem oben angegebenen Bereich ist besonders vorteilhaft, da bei einem möglichst geringen Gesamtvolumen des Granulats eine möglichst große Menge des Fluids aufgenommen werden kann. Daraus entstehen Vorteile hinsichtlich des benötigten Bauraums des Kondensators oder eines am Kondensator angebundenen Sammlers, welcher das Granulat enthält.
Auch ist es zu bevorzugen, wenn sich das Volumen des im Kondensator enthaltenen Granulats im Verhältnis zu der durch das Granulat insgesamt aufnehmbare Fluidmenge nach der Formel VG/W = 1/(WA/SG) berechnet, wobei VG das Volumen des Granulats in [cm³] bereichnet, W die durch das Granulat insgesamt aufnehmbare Fluidmenge in [g] bezeichnet, WA die aufnehmbare Fluidmenge pro Gramm Granulat bezeichnet und SG das Schüttgewicht in [g/cm³] bezeichnet.
Anhand einer solchen Formel, lässt sich auf einfache Weise das Volumen des im Kondensator enthaltenen Granulats berechnen. Das enthaltene Volumen ist dabei direkt abhängig, von der aufzunehmenden Fluidmenge innerhalb des Kondensators.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn das Volumen des im Kondensator enthaltenen Granulats im Verhältnis zu der durch das Granulat insgesamt aufnehmbare Fluidmenge in einem Bereich von 4,4 cm³/g bis 7 cm³/g und dabei vorzugsweise in einem Bereich von 4,7 cm³/g bis 6,2 cm³/g, dabei vorzugsweise bei ungefähr 6 cm³/g liegt.
Ein solches Verhältnis des enthaltenen Volumens des Granulats zur insgesamt durch das Granulat aufnehmbaren Fluidmenge ist besonders vorteilhaft, da das benötigte Volumen relativ gering gehalten werden kann im Vergleich zu einem herkömmlichen Granulat, welches regelmäßig ein größeres Volumen pro aufnehmbarer Fluidmenge benötigt.
Weiterhin ist es zu bevorzugen, wenn das von dem Granulat aufgenommene Fluid Wasser ist.
Vorteilhafterweise wird durch das Granulat im Kältemittel enthaltenes oder mitgeschwemmtes Wasser gebunden. Auf diese Weise wird dem Kältemittel Wasser entzogen und das Kältemittel getrocknet.
Auch ist es zweckmäßig, wenn der Kondensator einen Sammler aufweist, wobei der Sammler an einem Bereich des Kondensators angeordnet ist, der den Übergang von mehrheitlich flüssigem Kältemittel zu mehrheitlich flüssigem unterkühlten Kältemittel bildet, wobei der Sammler das Granulat aufweist.
Ein Sammler ist insbesondere vorteilhaft, um das Kältemittel zu reinigen, um eine Volumenbevorratung bereitzustellen, durch welche Schwankungen des Kältemittelvolumens innerhalb des Kältemittelkreislaufs ausgeglichen werden können, und um eine Trocknung des Kältemittels durchzuführen. Die Trocknung basiert dabei insbesondere auf dem Entzug von Waser aus dem Kältemittel, beispielsweise durch ein Granulat.
Ein Sammler stellt dabei vorzugsweise eine an den Kondensator angebundene Einheit dar, welche mit dem Kältemittelkreislauf im Inneren des Kondensators in Fluidkommunikation steht. Dabei ist der Fluidübertritt vom Kondensator in den Sammler bevorzugt in einem Bereich angeordnet, welcher in Strömungsrichtung nach dem Kondensationsabschnitt des Kondensators liegt und in Strömungsrichtung vor dem Unterkühlabschnitt. Der Fluidübertritt aus dem Sammler in den Kondensator liegt vorteilhafterweise ebenfalls in Strömungsrichtung nach dem Kondensationsabschnitt und vor dem Unterkühlabschnitt des Kondensators, jedoch in Strömungsrichtung nach dem Fluidübertritt in den Sammler.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn das Granulat durch eine Aufnahmestruktur im Kondensator und/oder im Sammler gehalten wird, wobei die Aufnahmestruktur ein Ausschwemmen des Granulats verhindert.
Das Granulat kann beispielsweise durch ein netzartiges Material derart zusammengehalten werden, dass ein Strömen des Kältemittels durch das netzartige Material und an dem Granulat vorbei möglich ist. Das netzartige Material dient dabei in erster Linie der Fixierung des Granulats im Kondensator bzw. im Sammler, um ein Ausschwemmen des Granulats zu verhindern. Das Granulat kann beispielsweise auch in einer durchströmbaren Trocknerpatrone angeordnet sein, welche auf einfache Weise gewartet und ausgetauscht werden kann.
Außerdem ist es zweckmäßig, wenn das Granulat eine bindemittelfreie Struktur aufweist.
Eine bindemittelfreie Struktur ist insbesondere vorteilhaft, da Bindemittel regelmäßig keine oder eine nur sehr begrenzte Fähigkeit haben ebenfalls ein Fluid, wie beispielsweise Wasser, aufzunehmen und abzubinden. Durch die bindemittelfreie Struktur kann der regulär vom Bindemittel besetzte Volumenanteil durch das Granulat gefüllt werden. Auf diese Weise wird insgesamt die Fluidaufnahmekapazität des Granulats erhöht, wodurch bei gleichbleibenden Volumen im Vergleich zu einem bindemittelbehaftetem Granulat eine größere Fluidmenge aufgenommen werden kann.
Auch ist es zweckmäßig, wenn der Kondensator und/oder der Sammler Mittel zur Filterung des Kältemittels aufweisen.
Dies ist insbesondere vorteilhaft, um das Kältemittel von Schmutzpartikeln zu befreien. Dadurch kann möglichst lange eine möglichst hohe Qualität des Kältemittels gewährleistet werden.
Auch ist es vorteilhaft, wenn das im Kondensator und/oder im Sammler enthaltene Granulat ein bindemittelfreies zeolithisches Granulat mit Faujasitstruktur ist.
Ein bindemittelfreies zeolithisches Granulat ist besonders vorteilhaft, um bei möglichst geringem Volumen des Granulats eine möglichst große Menge an Fluid aufnehmen zu können.
Zeolithe gehören im Allgemeinen zu einer Klasse von kristallinen Alumosilikaten. Hierbei sind insbesondere die synthetischen Zeolithe von wirtschaftlicher Bedeutung. Zeolithe mit Faujasit-Struktur werden in zwei Klassen eingeteilt. Zeolithe mit einem molaren SiO₂/Al₂O₃-Verhältnis größer als 3,0 werden als Y-Zeolithe bezeichnet. Zeolithe mit einem molaren SiO₂/Al₂O₃-Verhältnis von kleiner als 3,0 werden als X-Zeolithe bezeichnet.
Besonders vorteilhaft ist hierbei ein Zeolith mit einem molaren SiO₂/Al₂O₃-Verhältnis größer als 3,0 und einem mittleren Durchmesser der Granulat-Formkörper von größer als 400 μm. Der mittlere Transportporendurchmesser ist vorteilhafterweise größer als 150 nm, wobei der Mesoporenanteil des Zeoliths unterhalb von 15%, vorzugsweise unterhalb von 10% liegt.
Auch andere bindemittelfreie Granulate mit vergleichbaren Strukturen und Eigenschaften sind für die Verwendung im Sammler bzw. Kondensator vorsehbar.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1 eine schematische Ansicht eines Kondensators in Rohr-Rippen-Bauweise, wobei an einem der Sammelrohre des Kondensators ein Sammler angeordnet ist, welcher Mittel zur Filterung, Trocknung und Bevorratung des Kältemittels aufweist.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Kondensators 1 in einer Rohr-Rippen-Bauweise. Der Kondensator 1 ist aus einer Mehrzahl von parallel zueinander verlaufenden Rohren 5 gebildet, welche jeweils endseitig in einem ersten Sammelrohr 2 und einem zweiten Sammelrohr 3 aufgenommen sind. Die Rohre 5 sind mit den Sammelrohren 2, 3 fluiddicht verbunden. Am linken Sammelrohr 2 ist im oberen Bereich ein Fluideinlass 6 angeordnet sowie im unteren Bereich des Sammelrohres 2 ein Fluidauslass 7. Über den Fluideinlass 5 und den Fluidauslass 7 steht der Kondensator 1 mit einem Kältemittelkreislauf beispielsweise eines Kraftfahrzeugs in Fluidkommunikation.
Im Inneren der Sammelrohre 2 bzw. 3 sind mehrere Trennwände angeordnet, welche den Innenraum des jeweiligen Sammelrohres 2, 3 in mehrere voneinander getrennte Teilbereiche unterteilen. Auf diese Weise wird innerhalb des Kondensators 1 eine Kondensationsstrecke und weiterhin eine Unterkühlstrecke ausgebildet. Das Kältemittel strömt dabei entlang des Fluideinlasses 6 in den oberen Bereich des Sammelrohres 2, welcher durch eine Trennwand abgetrennt ist, und von dort durch einen Teil der Rohre 5 in den oberen Bereich des Sammelrohres 3. Dort findet eine Umlenkung statt, worauf das Kältemittel durch einen weiteren Anteil der Rohre 5 zurück in einen mittleren Bereich innerhalb des Sammelrohres 2 strömt. Dort wird das Kältemittel erneut umgelenkt und strömt entlang eines weiteren Anteils der Rohre 5 in einen mittleren Bereich innerhalb des Sammelrohres 3.
Am äußeren Umfang des Sammelrohres 3 ist ein Sammler 4 angeordnet. Dieser Sammler 4 ist im Wesentlichen durch ein zylindrisches Rohr gebildet, welches an seinen oberen und unteren Enden abgeschlossen ist. In diesem Sammler 4 sind Mittel zur Filterung und Trocknung sowie Bevorratung des durch den Kondensator 1 strömenden Kältemittels vorgesehen. Der Sammler 4 ist im Bereich, welcher mit dem Bezugszeichen 8 gekennzeichnet ist an das Sammelrohr 3 angebunden. In diesem Bereich 8 findet ebenfalls der Kältemittelübertritt vom Sammelrohr 3 in den Sammler 4 und vom Sammler 4 zurück in das Sammelrohr 3 statt. Der Fluidübertritt in den Sammler 4 ist dabei durch eine Trennwand im Sammelrohr 3 von dem Bereich des Fluidübertritts aus dem Sammler 4 getrennt.
Das in den mittleren Bereich des Sammelrohres 3 eingeströmte Kältemittel strömt in den Sammler 4 weiter. Im Sammler 4 wird das Kältemittel durch ein im Sammler 4 angeordnetes Granulat getrocknet, wobei ihm im Wesentlichen Wasser entzogen wird. Weiterhin kann in dem Sammler 4 ein Mittel zur Filterung des Kältemittels vorgesehen sein, welches mitgeschwemmte Schmutzpartikel aus dem Kältemittel entfernt.
Des Weiteren bildet das Innenvolumen des Sammlers 4 einen Bevorratungsraum aus, welcher dazu ausgebildet ist, um eine definierte Menge von Kältemittel zu bevorraten. Im Sammler 4 wird weiterhin die flüssige Phase des Kältemittels von der gasförmigen Phase getrennt. Die gasförmige Phase des Kältemittels sammelt sich vorzugsweise im oberen Bereich des Sammlers 4. Vom Sammler 4 strömt das Kältemittel schließlich in einen unteren Bereich des Sammelrohres 3 und von dort durch die unten liegenden Rohre 5 in einen unteren Bereich des Sammelrohres 2. Von dort strömt das Kältemittel über den Fluidauslass 7 aus dem Kondensator aus.
Der in 1 gezeigte Kondensator stellt eine beispielhafte Ausführung eines Kondensators mit seitlich angeordnetem Sammler 4 in Rohr-Rippen-Bauweise dar. In alternativen Ausführungsformen können beispielsweise die Anzahl der in den Sammelrohren 2, 3 vorgesehenen Trennwände variieren, ebenso die Anordnung und Position des Sammlers 4 am Kondensator 1.
in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Granulat, welches zur Trocknung des Kältemittels dient, innerhalb des Sammlers 4 angeordnet. Es sind in alternativen Ausführungsformen auch Ausführungen vorsehbar, in denen das Granulat in einem der Sammelrohre oder in einem anderen Abschnitt des Kondensators oder des Kältemittelkreislaufs angeordnet ist.
Das Granulat kann im Inneren des Sammlers 4, beispielsweise durch ein Gewebematerial aufgenommen sein, wodurch ein ungewolltes Ausschwemmen des Granulats aus dem Sammler 4 verhindert werden kann. Alternativ kann das Granulat beispielsweise in einem rohrförmigen Festkörper aufgenommen sein, welcher über Bohrungen eine Fluidkommunikation zwischen dem Inneren und dem Äußeren des Festkörpers ermöglicht.
In vorteilhaften Ausführungsformen kann insbesondere der Teil des Sammlers 4, welcher das Granulat bzw. die Mittel zur Filterung enthält, auf einfache Weise ausgetauscht werden. Hierzu kann beispielsweise eine Schraubverbindung zwischen einer sogenannten Trocknerpatrone und einer Aufnahme vorgesehen sein oder ein Bajonettverschluss.
Alternativ zu dem in 1 gezeigten Kondensator in Rohr-Rippen-Bauweise kann auch ein Kondensator in Stapelscheibenbauweise vorgesehen werden. Ein Kondensator in Stapelscheibenbauweise zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die einzelnen Strömungskanäle und Sammelbereiche im Inneren des Kondensators durch eine Stapelung mehrere Scheibenelemente ausgebildet sind. Der Scheibenstapel bildet dabei den Kondensator aus. Durch eine geschickte Gestaltung der einzelnen Scheibenelemente kann dabei eine vorteilhafte Fluidführung innerhalb des Kondensators erreicht werden. Beispiele für den Aufbau eines Kondensators in Stapelscheibenbauweise sind in vielfältiger Weise aus dem Stand der Technik bekannt.
Die in 1 gezeigte Ausführungsform des Kondensators weist insgesamt keine beschränkende Wirkung für die Gestaltung des Kondensators oder des Sammlers auf. Sie ist lediglich eine beispielhafte Darstellung, um den Erfindungsgedanken zu verdeutlichen.

Claims

Kondensator (1) für die Kondensation eines Kältemittels in einem Kältemittelkreislauf eines Kraftfahrzeugs, mit einem Fluideinlass (6) und einem Fluidauslass (7), wobei der Kondensator (1) über den Fluideinlass (6) und den Fluidauslass (7) mit dem Kältemittelkreislauf in Fluidkommunikation steht, wobei der Kondensator (1) ein Granulat aufweist, durch welches eine Fluidmenge aus dem Kältemittel aufnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die im Kondensator (1) enthaltene Granulatmenge sich nach der Formal MG = W/WA berechnet, wobei MG die Masse des im Kondensator (1) enthaltenen Granulats in [g] bezeichnet, W die durch das Granulat insgesamt aufnehmbare Fluidmenge in [g] bezeichnet und WA die aufnehmbare Fluidmenge pro Gramm Granulat bezeichnet.
Kondensator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aufnehmbare Fluidmenge pro Gramm Granulat WA in einem Bereich von 0,1 bis 0,4, dabei vorzugsweise in einem Bereich von 0,2 bis 0,3, dabei vorzugsweise in einem Bereich von 0,23 bis 0,25 liegt.
Kondensator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Volumen des im Kondensator (1) enthaltenen Granulats im Verhältnis zu der durch das Granulat insgesamt aufnehmbare Fluidmenge nach der Formel VG/W = 1/(WA/SG) berechnet, wobei VG das Volumen des Granulats in [cm³] bezeichnet, W die durch das Granulat insgesamt aufnehmbare Fluidmenge in [g] bezeichnet, WA die aufnehmbare Fluidmenge pro Gramm Granulat bezeichnet und SG das Schüttgewicht in [g/cm³] bezeichnet.
Kondensator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des im Kondensator (1) enthaltenen Granulats im Verhältnis zu der durch das Granulat insgesamt aufnehmbare Fluidmenge in einem Bereich von 4,4 cm³/g bis 7 cm³/g und dabei vorzugsweise in einem Bereich von 4,7 cm³/g bis 6,2 cm³/g, dabei vorzugsweise bei ungefähr 6 cm³/g liegt.
Kondensator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das von dem Granulat aufgenommene Fluid Wasser ist.
Kondensator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (1) einen Sammler (4) aufweist, wobei der Sammler (4) an einem Bereich (8) des Kondensators (1) angeordnet ist, in welchem der Übergang von mehrheitlich flüssigem Kältemittel zu mehrheitlich flüssigem unterkühlten Kältemittel stattfindet, wobei der Sammler (4) das Granulat aufweist.
Kondensator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat durch eine Aufnahmestruktur im Kondensator und/oder im Sammler gehalten wird, wobei die Aufnahmestruktur ein Ausschwemmen des Granulats verhindert.
Kondensator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat eine bindemittelfreie Struktur aufweist.
Kondensator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (1) und/oder der Sammler (4) Mittel zur Filterung des Kältemittels aufweisen.
Kondensator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das im Kondensator (1) und/oder im Sammler (4) enthaltene Granulat ein bindemittelfreies zeolithisches Granulat mit Faujasitstruktur ist.