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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für einen Kältemittelkreislauf eines Kraftfahrzeugs sowie einen Kältemittelkreislauf für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug.
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Ein Kältemittelkreislauf in einem Kraftfahrzeug wird dazu eingesetzt, um einen Fahrzeuginnenraum des Kraftfahrzeugs über ein Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimaanlagenmodul (kurz: HVAC-Modul) zu heizen, zu belüften und/oder zu kühlen. Bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen kann der Kältemittelkreislauf zudem dazu eingesetzt werden, um wenigstens eine Antriebsbatteriebaugruppe zu kühlen.
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Der Kältemittelkreislauf umfasst typischerweise einen Verdichter zum Komprimieren eines Kältemittels, einen Wärmetauscher, der als Kondensator dient, zum Kühlen und Kondensieren des Kältemittels aus dem Verdichter sowie zum Erwärmen von Fahrzeugumgebungsluft und einen Verdampfer zum Erwärmen und Verdampfen des Kältemittels sowie zum Kühlen von dem Fahrzeuginnenraum zuführbarer Luft. Sofern der Kältemittelkreislauf zudem zur Kühlung der Antriebsbatteriebaugruppe verwendet wird, weist der Kältemittelkreislauf eine Kühlvorrichtung auf. Ferner ist eine dem Verdampfer vorgeschaltete Druckminderungseinheit zum Dekomprimieren des Kältemittels vorgesehen sowie eine der Kühlvorrichtung vorgeschaltete Druckminderungseinheit.
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Über den Verdichter wird ein gasförmiges Kältemittel wie R744 komprimiert, sodass der Druck des Kältemittels steigt. Das gasförmige, unter Druck stehende Kältemittel wird vom Verdichter zum Wärmetauscher geführt, wobei das gasförmige und unter Druck stehende Kältemittel mit der durchströmenden Luft derart wechselwirkt, dass dem verdichteten Kältemittel Wärme entzogen wird, wodurch das verdichtete Kältemittel größtenteils kondensiert. Die durchströmende Fahrzeugumgebungsluft erwärmt sich hierbei und kann dem Fahrzeuginnenraum zum Heizen zugeführt werden. Vom Wärmetauscher aus wird das nunmehr flüssige Kältemittel zum Verdampfer geführt und dort verdampft, sodass das Kältemittel gasförmig ist. Hierbei wird der Fahrzeugumgebungsluft Wärme entzogen, sodass gekühlte Luft dem Fahrzeuginnenraum zugeführt werden kann. Anschließend wird das Kältemittel wieder dem Verdichter zugeführt. Der Kältemittelkreislauf ist hierdurch geschlossen.
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Sofern eine Kühlvorrichtung für die Antriebsbatteriebaugruppe vorgesehen ist, lässt sich die Antriebsbatteriebaugruppe ebenfalls dadurch kühlen, dass der Umgebungsluft beim Verdampfen des flüssigen Kältemittels Wärme entzogen wird. Die Kühlvorrichtung ist demnach parallel zum Verdampfer geschaltet.
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Die Antriebsbatteriebaugruppe eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs muss selbst im Winter gekühlt werden, sofern die Umgebungstemperatur oberhalb von ungefähr –10 °C liegt. Dies liegt daran, dass sich die Antriebsbatteriebaugruppe trotz der kalten Umgebungstemperatur im Winter stark aufheizt, wodurch die Leistungsfähigkeit der Antriebsbatteriebaugruppe beeinträchtigen werden könnte.
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Bei niedrigen Temperaturen werden der Saugdruck des Verdampfers und die Sättigungstemperatur des Kältemittels gesteuert bzw. geregelt, da die Sättigungstemperatur in einem Bereich größer als –3 °C bis 0 °C liegen muss, um ein Einfrieren des Verdampfers zu verhindern. Die entnehmbare Leistung des Verdampfers ist dabei sehr gering, da die Temperaturdifferenz zwischen der dem Verdampfer zugeführten Luft und der Verdampfungstemperatur sehr gering ist. Da zudem die Temperatur der dem Wärmetauscher zugeführten Luft gering ist, liegt generell ein niedriger Verflüssigungsdruck des Kältemittels am Wärmetauscher vor. Als Konsequenz hieraus ergibt sich eine geringe Druckdifferenz zwischen den Drücken am Wärmetauscher und am Verdampfer bzw. an der Kühlvorrichtung.
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Aufgrund der geringen Druckdifferenz strömt nur eine geringe Kältemittelmenge durch die jeweilige Druckminderungseinheit, da die Druckminderungseinheiten die Kältemittelmenge in Abhängigkeit von der Druckdifferenz steuert. Typischerweise sind die Druckminderungseinheiten für Sommertemperaturen und die im Sommer vorliegenden Bedingungen ausgelegt, bei denen eine höhere Druckdifferenz zwischen dem Wärmetauscher und dem Verdampfer bzw. der Kühlvorrichtung vorliegt.
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Die geringe Kältemittelmenge, die in den Verdampfer bzw. die Kühlvorrichtung strömt, hat eine hohe Überhitzungswärme im Verdampfer bzw. der Kühlvorrichtung zur Folge. Lediglich in einem Teilbereich des Verdampfers bzw. der Kühlvorrichtung wird die Hitze durch Verdampfen von flüssigem Kältemittel absorbiert, da die zugeführte Kältemittelmenge zu gering ist. Im übrigen Bereich des Verdampfers bzw. der Kühlvorrichtung wird das gasförmige Kältemittel dann überhitzt. Da die spezielle Enthalpie zum Überhitzen des gasförmigen Kältemittels geringer ist als die Verdampfungsenthalpie, trägt dieser übrige Bereich nicht mehr zur Kühlung bei. Dies vermindert die Effizienz des Kältemittelkreislaufs.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmetauscher sowie einen Kältemittelkreislauf zur Verfügung zu stellen, mit denen ein zuverlässiger und effizienter Betrieb im Winter möglich ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Wärmetauscher für einen Kältemittelkreislauf eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, gelöst, mit einem Einlass, einem Auslass und einem Wärmetauscherbereich, der mehrere Kältemittel führende Kanäle aufweist, die mit einem Verteiler und einem Sammler in Strömungsverbindung stehen, wobei der Verteiler und der Sammler dem Einlass bzw. dem Auslass zugeordnet sind, und wobei der Wärmetauscher über den Einlass und den Auslass in den Kältemittelkreislauf eingebunden werden kann, wobei eine steuerbare Bypass-Einrichtung vorgesehen ist, die zwischen dem Einlass und dem Verteiler beginnt und zwischen dem Sammler und dem Auslass endet und die die Strömung des über den Einlass einströmenden Kältemittels steuert.
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Der Grundgedanke der Erfindung ist es, eine Bypass-Einrichtung vorzusehen, die als zentrale Kältemittel-Steuereinrichtung des Wärmetauschers fungiert. Hierzu beginnt die Bypass-Einrichtung zwischen dem Einlass des Wärmetauschers und dem Verteiler. Sofern die steuerbare Bypass-Einrichtung eine gewisse Stellung einnimmt, lässt sich so sicherstellen, dass kein Kältemittel in den Verteiler gelangt. Der Verteiler und der daran angeschlossene Wärmetauscherbereich sind somit über die Bypass-Einrichtung vom Kältemittelkreislauf zumindest temporär trennbar. Das in den Wärmetauscher über den Einlass strömende Kältemittel strömt demnach zunächst in die Bypass-Einrichtung, in der das Kältemittel umgelenkt werden kann.
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Ein Aspekt sieht vor, dass die Bypass-Einrichtung direkt in Strömungsverbindung mit dem Einlass, dem Verteiler, dem Sammler und dem Auslass steht. Die Bypass-Einrichtung weist demnach vier Anschlüsse auf, die jeweils mit dem Einlass, dem Verteiler, dem Sammler und dem Auslass verbunden sind. Die Bypass-Einrichtung lässt sich demnach auch als Kältemittelsteuerungseinheit des Wärmetauschers ansehen, da sie über die Anschlüsse die Strömung des Kältemittels beeinflussen kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt lenkt die Bypass-Einrichtung in einem ersten Betriebsmodus das Kühlfluid direkt vom Einlass in den Auslass um. Bei diesem ersten Betriebsmodus handelt es sich um einen Winterbetrieb, bei dem sichergestellt ist, dass die Druckdifferenz im Kältemittelkreislauf trotz niedriger Umgebungstemperaturen hoch ist, da der Verteiler zumindest temporär gesperrt ist. Das in den Wärmetauscher einströmende Kältemittel erreicht im ersten Betriebsmodus somit nicht den Verteiler des Wärmetauschers.
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Insbesondere bildet die Bypass-Einrichtung im ersten Betriebsmodus eine Bypass-Leitung für das Kältemittel aus, sodass der Wärmetauscherbereich nicht fluiddurchströmt ist. Die Bypass-Einrichtung sperrt somit nicht nur den Verteiler temporär, sondern lenkt das in den Wärmetauscher einströmende Kältemittel um, wobei das Kältemittel nicht in den Wärmetauscherbereich des Wärmetauschers gelangt und kondensiert. Hierdurch ergibt sich eine entsprechend höhere Druckdifferenz im Kältemittelkreislauf, die gewährleistet, dass dem Verdampfer bzw. der Kühlvorrichtung eine ausreichend große Menge an Kältemittel zugeführt wird, da die vorgeschaltete Druckminderungseinheit eine große Druckdifferenz feststellt. Vor allem lässt sich hierdurch ein schneller Anstieg des Drucks realisieren, da der Wärmetauscherbereich des Wärmetauschers über die Bypass-Leitung zumindest temporär überbrückt wird. Der Kältemittelkreislauf ist besser an die Bedingungen im Winter angepasst, insbesondere sofern eine Antriebsbatteriebaugruppe eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs gekühlt werden soll.
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Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass die Bypass-Einrichtung in einem zweiten Betriebsmodus eine Strömungsverbindung zwischen dem Einlass und dem Verteiler sowie eine Strömungsverbindung zwischen dem Sammler und dem Auslass ausbildet. Dieser Betriebsmodus stellt den bekannten Kältemittelkreislauf dar, bei dem der Wärmetauscherbereich des Wärmetauschers vom Kältemittel durchströmt ist. Bei dem zweiten Betriebsmodus handelt es sich um den üblichen Betriebsmodus im Sommer. Der Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufs im zweiten Betriebsmodus ist somit nicht höher als üblich. Ferner kann der zweite Betriebsmodus auch dann genutzt werden, wenn im Winter das Kraftfahrzeug länger im Betrieb ist und der Hochdruck bereits aufgebaut worden ist. Hierzu wird die Bypass-Einrichtung entsprechend angesteuert, um vom ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus umzuschalten.
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Der Wärmetauscher, insbesondere die Bypass-Einrichtung, kann insbesondere derart angesteuert werden, dass ein Teil des der Bypass-Einrichtung zugeführten Kältemittels über den Wärmetauscherbereich strömt und ein anderer Teil über die Bypass-Leitung. Über die entsprechenden Kältemittelmengen kann die Druckdifferenz im Kältemittelkreislauf auf dem gewünschten Niveau während einer Startphase des Kraftfahrzeugs gehalten werden und gleichzeitig die Menge des gasförmigen Kältemittels erhöht werden, welches im Wärmetauscher kondensiert. Hierdurch ist es möglich, dass der Kältemittelkreislauf schneller vom ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus übergeht, da die benötigte Druckdifferenz während der Startphase gewährleistet ist.
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Ferner kann der Verteiler einen Verteileranschluss für die Bypass-Einrichtung aufweisen, der über die Länge des Verteilers gesehen im Wesentlichen mittig angeordnet ist. Hierdurch ist eine gute Verteilung des Kältemittels innerhalb des Verteilers sichergestellt, da das Kältemittel im Wesentlichen den gleichen Weg zu den jeweiligen Enden des Verteilers zurückzulegen hat. Der Verteiler wird so in homogener Weise mit dem Kältemittel beaufschlagt, was die Leistung verbessert.
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Ein weiterer Aspekt sieht eine dem Sammler zugeordnete Rückführleitung vor, die in die Bypass-Einrichtung mündet. Über die Rückführleitung kann das vom Sammler gesammelte Kältemittel nach dem Durchströmen des Wärmetauscherbereichs gesammelt zurückgeführt werden.
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Insbesondere ist die Rückführleitung mit einem Längsende des Sammlers strömungsverbunden und verläuft im Wesentlichen parallel zum Sammler und/oder zum Verteiler. Hierdurch werden Rückstände im Sammler vermieden, da sich das gesamte im Sammler sammelnde flüssige Kältemittel über das entsprechende Längsende und die sich daran anschließende Rückführleitung zurückführen lässt. Die Rückführleitung ist in der Einbauposition des Wärmetauschers vorzugsweise an dem Längsende des Sammlers angeordnet, an dem sich aufgrund der Gravitationskraft das flüssige Kältemittel sammelt.
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Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass der Verteiler und zumindest der Sammler in einem gemeinsamen Gehäusebauteil ausgebildet sind, wobei eine Trennwand zwischen dem Verteiler und dem Sammler vorgesehen ist. Hierdurch wird eine kompakte Anordnung geschaffen, da das gemeinsame Gehäusebauteil an den Wärmetauscherbereich angeordnet und mit diesem fixiert werden kann, sodass sich gleichzeitig der Sammler und der Verteiler mit dem Wärmetauscherbereich verbinden lassen. Bei dem Gehäusebauteil kann es sich um ein extrudiertes Bauteil handeln bzw. um ein Bauteil, das in einem Strangpressprozess hergestellt worden ist.
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Das Gehäusebauteil kann darüber hinaus auch die Rückführleitung aufweisen, sodass der Wärmetauscher aus noch weniger Teilen besteht, was die Herstellung und den Zusammenbau entsprechend vereinfacht.
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Ferner können der Einlass und der Auslass in einem gemeinsamen Anschlusselement ausgebildet sein. Hierdurch vereinfacht sich die Montage des Wärmetauschers weiter, da der Einlass und der Auslass ebenfalls gleichzeitig mit den übrigen Bauteilen des Wärmetauschers verbunden werden können. Das Anschlusselement kann ein Aluminiumteil sein, das beispielsweise in einem Lötofen hergestellt worden ist, vorzugsweise mittels der NOCOLOK®-Technologie.
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Insbesondere sind das Gehäusebauteil und das Anschlusselement einteilig miteinander ausgebildet. Hierdurch ergibt sich eine besonders kompakte Bauweise des Wärmetauschers, dessen Zusammenbau weiter einfach ist, da der Wärmetauscher aus dem Wärmetauscherbereich, der Bypass-Einrichtung und dem einstückig miteinander ausgebildeten Gehäusebauteil und Anschlusselement gebildet ist.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Bypass-Einrichtung im Anschlusselement vorgesehen ist. Dies stellt eine kompakte Ausführungsform des Wärmetauschers dar. Zudem ist die Bypass-Einrichtung geschützt im Anschlusselement aufgenommen.
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Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass die Bypass-Einrichtung wenigstens ein Ventil aufweist. Bei dem Ventil kann es sich um ein 3/2-Wege-Ventil handeln, mit dem es beispielsweise möglich ist, die Strömung des über den Einlass einströmenden Kältemittels zu steuern. Das 3/2-Wege-Ventil kann das über den Einlass einströmende Kältemittel zum Verteiler oder zur Bypass-Leitung umlenken. Ferner kann die Bypass-Einrichtung ein Schließventil oder ein Rückschlagventil aufweisen, welches beispielsweise zwischen dem Sammler und dem Auslass vorgesehen ist, sodass kein Kältemittel über die Bypass-Leitung in den Sammler strömen kann. Über das wenigstens eine Ventil lässt sich allgemein die Strömungsrichtung des Kältemittels in der Bypass-Einrichtung beeinflussen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Bypass-Einrichtung ein Verstellelement auf, das über einen ansteuerbaren Antrieb verstellbar ist, insbesondere stufenlos verstellbar ist. Über das Verstellelement kann die Strömung des Kältemittels in mechanischer Weise eingestellt werden. Bei dem Verstellelement kann es sich beispielsweise um einen Zylinder mit Öffnungen handeln, der durch den ansteuerbaren Antrieb verstellt wird. Je nach Stellung des Verstellelements lässt sich hierüber die Bypass-Leitung bereitstellen. Bei dem Antrieb kann es sich um einen elektromagnetischen Antrieb mit einer Magnetspule handeln, wodurch ein effizienter Antrieb geschaffen ist, der störungsunempfindlich ist.
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Der Antrieb kann zudem eine sogenannte Fail-Safe-Stellung aufweisen, bei der der Wärmetauscher dauerhaft im zweiten Betriebsmodus arbeitet. Hierzu ist beispielsweise eine Feder vorgesehen, die das Verstellelement in die dem zweiten Betriebsmodus zugeordnete Stellung beaufschlagt.
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Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass eine Steuer- bzw. Regeleinheit vorgesehen ist, die die Bypass-Einrichtung in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur und/oder der Druckdifferenz im Kältemittelkreis steuert bzw. regelt. Die Steuer- bzw. Regeleinheit steuert bzw. regelt dabei insbesondere den Antrieb oder das wenigstens eine Ventil direkt, wodurch die Strömung des Kältemittels durch den Wärmetauscher gesteuert wird, insbesondere durch die Bypass-Einrichtung.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung die Verwendung eines zuvor beschriebenen Wärmetauschers als Kondensator. Die genannten Vorteile gelten in analoger Weise für den Kondensator.
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Ferner wird die Aufgabe durch einen erfindungsgemäßen Kältemittelkreislauf für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, gelöst, mit einem Verdichter, einem Verdampfer, einer Kühlvorrichtung und einem Wärmetauscher der zuvor genannten Art. Die zuvor beschriebenen Vorteile hinsichtlich des Wärmetauschers ergeben sich analoger Weise für den Kältemittelkreislauf.
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Aufgrund der temporären Überbrückung des Wärmetauscherbereichs kann bei dem Kältemittelkreislauf eine geringe Menge Kältemittel verwendet werden. Zudem kann ein Filtertrockner bzw. ein Kältemittelsammler mit geringem Volumen im Kältemittelkreislauf verwendet werden, wodurch Kosten eingespart werden können. Zudem lässt sich das gesamte System hierdurch platzsparend ausbilden.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs,
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2 einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher gemäß einer ersten Ausführungsform im ersten Betriebsmodus,
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3 einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher gemäß einer ersten Ausführungsform im zweiten Betriebsmodus,
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4 einen Teil eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers gemäß einer zweiten Ausführungsform,
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5 ein Detail des erfindungsgemäßen Wärmetauschers aus 4 im zweiten Betriebsmodus,
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6 ein Detail des erfindungsgemäßen Wärmetauschers aus 4 im ersten Betriebsmodus, und
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7 eine Schnittdarstellung des Gehäusebauteils.
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1 zeigt einen Kältemittelkreislauf 10, der einen Verdichter 12, einen Wärmetauscher 14, der als Kondensator ausgebildet ist und verwendet wird, einen Verdampfer 16 sowie eine Kühlvorrichtung 18 für eine Antriebsbatteriebaugruppe umfasst, die hier nicht dargestellt ist. Dem Verdampfer 16 sowie der Kühlvorrichtung 18 sind jeweils zwei Druckminderungseinheiten 20, 22 vorgeschaltet, die als thermostatische Expansionsventile ausgebildet sind. Die zuvor genannten Komponenten des Kältemittelkreislaufs 10 sind über Leitungen miteinander verbunden, durch die ein Kältemittel strömt, beispielsweise das gasförmige Kältemittel R744.
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Aus der 1 geht ferner hervor, dass der Wärmetauscher 14 im Bereich der Fahrzeugfront angeordnet ist, insbesondere hinter einem Lüfter 24 des Kraftfahrzeugs. Hierdurch ist sichergestellt, dass zumindest der Wärmetauscher 14 von der Umgebungsluft umströmt wird.
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Der Wärmetauscher 14 hat einen Wärmetauscherbereich 26, der mehrere Kältemittel führende parallele Kanäle 28 aufweist. In einem oberen Bereich des Wärmetauscherbereichs 26 gehen die Kanäle 28 von einem Verteiler 30 ab, der ihm zugeführtes Kältemittel auf die einzelnen, ihm zugeordneten Kanäle 28 verteilt. Im unteren Bereich des Wärmetauscherbereichs 26 münden die Kanäle 28 in einem Sammler 32, der das von den einzelnen, ihm zugeordneten Kanälen 28 ausgehende Kältemittel sammelt und über eine Rückführleitung 34 weiterleitet. Die Rückführleitung 34 verläuft im Wesentlichen parallel zum Verteiler 30 und zum Sammler 32.
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In der gezeigten Ausführungsform weist der Wärmetauscher 14 zudem eine Bypass-Einrichtung 36 auf, die zwischen einem Einlass 38 des Wärmetauschers 14 und dem Verteiler 30 beginnt und zwischen dem Sammler 32 und einem Auslass 40 des Wärmetauschers 14 endet.
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Über den Einlass 38 und den Auslass 40 ist der gesamte Wärmetauscher 14 im Kältemittelkreislauf 10 eingebunden, da über den Einlass 38 dem Wärmetauscher 14 Kältemittel zugeführt wird, welches über den Auslass 40 wieder abgegeben wird.
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Die Bypass-Einrichtung 36 gemäß der gezeigten Ausführungsform weist insgesamt vier Anschlüsse auf, die mit dem Einlass 38, dem Verteiler 30, dem Sammler 32 sowie dem Auslass 40 verbunden sind, sodass die Bypass-Einrichtung 36 die Strömung des Kältemittels steuern kann, wie nachfolgend noch erläutert wird.
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Des Weiteren weist die Bypass-Einrichtung 36 gemäß der gezeigten Ausführungsform ein erstes Ventil 42 auf, welches von einem ersten Antrieb 44 angesteuert wird, sowie ein zweites Ventil 46, das von einem zweiten Antrieb 48 angesteuert wird.
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In der gezeigten Ausführungsform handelt es sich bei dem ersten Ventil 42 um ein 3/2-Wege-Ventil, das zwischen dem Einlass 38 und dem Verteiler 30 angeordnet ist. Bei dem zweiten Ventil 46 handelt es sich um ein vom zweiten Antrieb 48 angesteuertes Schließventil. Alternativ kann es sich bei dem zweiten Ventil 46 um ein Rückschlagventil handeln, sodass das Kältemittel nur in eine Richtung durch das zweite Ventil 46 strömen kann.
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Zwischen dem ersten Ventil 42 und dem zweiten Ventil 46 ist zudem eine Bypass-Leitung 50 ausgebildet, deren Funktion nachfolgend anhand der 2 und 3 erläutert wird.
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Ferner weist der Kältemittelkreislauf 10 eine Steuer- bzw. Regeleinheit 52 auf, die die Bypass-Einrichtung 36 steuert bzw. regelt, insbesondere die Antriebe 44, 48 ansteuert. Die Steuer- bzw. Regeleinheit 52 steuert bzw. regelt die Bypass-Einrichtung 36 in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur und/oder Druckdifferenz im Kältemittelkreislauf 10.
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Aus der 1 geht ferner hervor, dass der Verteiler 30 einen Verteileranschluss 54 aufweist, über den der Verteiler 30 mit der Bypass-Einrichtung 36 verbunden ist. Der Verteileranschluss 54 ist über die Länge des Verteilers 30 gesehen im Wesentlichen mittig angeordnet, sodass sich das dem Verteiler 30 zugeführte Kältemittel homogen auf die einzelnen Kanäle 28 verteilen lässt.
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Die Rückführleitung 34 ist dagegen an einem Längsende 56 des Sammlers 32 angeordnet, sodass sich das im Sammler 32 sammelnde Kältemittel vollständig über die Rückführleitung 34 zurückgeführt werden kann. Hierdurch ist sichergestellt, dass keine Rückstände im Wärmetauscher 14 verbleiben, insbesondere im Sammler 32.
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Anhand der 2 und 3 werden zwei unterschiedliche Betriebsmodi des Wärmetauschers 14 beschrieben, die mit der Bypass-Einrichtung 36 eingestellt werden können.
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In 2 ist ein erster Betriebsmodus gezeigt, bei dem das erste Ventil 42 vom ersten Antrieb 44 derart angesteuert ist, dass das über den Einlass 38 des Wärmetauschers 14 einströmende Kältemittel über die Bypass-Leitung 50 direkt zum Auslass 40 umgeleitet wird. Dies geht aus den entsprechenden Pfeilen hervor. Das zweite Ventil 46 ist hierbei zumindest in eine Strömungsrichtung geschlossen, wodurch sichergestellt ist, dass das über die Bypass-Leitung 50 umgelenkte Kältemittel nicht in die Rückführleitung 34 und den Sammler 32 strömen kann.
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Demnach gelangt im ersten Betriebsmodus kein Kältemittel in den Verteiler 30, sodass auch der Wärmetauscherbereich 26 des Wärmetauschers 14 nicht vom Kältemittel durchströmt ist. Hierdurch ist sichergestellt, dass das gasförmige, dem Wärmetauscher 14 zugeführte Kältemittel nicht im Wärmetauscherbereich 26 kondensiert.
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Das vom Verdichter 12 ausgehende gasförmige Kältemittel, welches unter hohem Druck steht, wird demnach direkt bis zu den Druckminderungseinheiten 20, 22 weitergeleitet (siehe 1), wodurch sich eine entsprechend hohe Druckdifferenz zwischen dem Wärmetauscher 14 und dem Verdampfer 16 bzw. der Kühlvorrichtung 18 ergibt. Diese hohe Druckdifferenz stellt sicher, dass eine große Kältemittelmenge über die Druckminderungseinheiten 20, 22 dem Verdampfer 16 bzw. der Kühlvorrichtung 18 zugeführt werden.
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In 3 ist der zweite Betriebsmodus gezeigt, bei dem das erste Ventil 42 vom ersten Antrieb 44 derart angesteuert ist, dass das über den Einlass 38 einströmende Kältemittel in den Verteiler 30 geleitet wird, sodass der Wärmetauscherbereich 26 vom Kältemittel durchströmt ist. Das Kältemittel strömt demnach durch die einzelnen Kanäle 28, sodass das gasförmige Kältemittel mit der den Wärmetauscher 14 durchströmenden Umgebungsluft wechselwirkt und größtenteils kondensiert. Das kondensierte Kältemittel wird dann über die Kanäle 28 im unteren Bereich des Wärmetauscherbereichs 26 zum Sammler 32 geführt und dort gesammelt. Anschließend wird das gesammelte größtenteils flüssige Kältemittel über die Rückführleitung 34 und das vom zweiten Antrieb 48 geöffnete zweite Ventil 46 zum Auslass 40 weitergeleitet, über den das Kältemittel den Wärmetauscher 14 verlässt. Die Strömungsrichtungen sind wieder durch die entsprechenden Pfeile dargestellt.
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Generell lässt sich demnach die Strömung des Kältemittels im Wärmetauscher 14 über die Ventile 42, 46 einstellen, weswegen die Ventile 42, 46 auch als Verstellelemente angesehen werden können, die von den entsprechenden Antrieben 44, 48 angesteuert werden.
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Ferner lässt sich die Bypass-Einrichtung 36 so ansteuern, dass ein Teil des Kältemittels über die Bypass-Leitung 50 und ein anderer Teil durch den Wärmetauscherbereich 26 strömt. Die entsprechenden Mengen werden dabei über die Steuer- bzw. Regeleinheit 52 eingestellt, da die die Bypass-Einrichtung 36, insbesondere die Antriebe 44, 48 und die Ventile 42, 46, entsprechend ansteuert. Hierbei kann die Steuer- bzw. Regeleinheit 52 insbesondere auf die Druckdifferenz im Kältemittelkreislauf 10 regeln, wodurch sichergestellt ist, dass die gewünschte Druckdifferenz vorliegt, die eine große Kältemittelmenge im Verdampfer 16 bzw. der Kühlvorrichtung 18 einströmen lässt.
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In 4 ist eine alternative Ausführungsform des Wärmetauschers 14 gezeigt, wobei der Wärmetauscher 14 nur teilweise dargestellt ist.
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In 4 ist die Bypass-Einrichtung 36 in einem Anschlusselement 58 angeordnet, welches zudem den Einlass 38 sowie den Auslass 40 umfasst. Bei dem Anschlusselement 58 kann es sich um ein Aluminiumteil handeln, das beispielsweise in einem Lötofen hergestellt worden ist, vorzugsweise mittels der NOCOLOK®-Technologie.
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Darüber hinaus ist in der gezeigten Ausführungsform gezeigt, dass der Verteiler 30 und der Sammler 32 in einem gemeinsamen Gehäusebauteil 60 ausgebildet sind, wobei der Verteiler 30 und der Sammler 32 über eine Trennwand 62 voneinander getrennt sind. Die vom Sammler 32 ausgehende Rückführleitung 34 ist ebenfalls in dem gemeinsamen Gehäusebauteil 60 ausgebildet, welches auch als „Header“ bezeichnet wird.
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Das derart ausgebildete Gehäusebauteil 60 ist in 7 in einer Schnittdarstellung detailliert gezeigt. Die einzelnen Kanäle 28, die als Flachrohre ausgebildet sein können, werden jeweils in eine klammerförmige elastische Lasche 63 eingesteckt, die wiederum mit einem C-förmigen Abschnitt des Gehäusebauteils 60 zusammenwirken. Die einzelnen Kanäle 28 pressen dabei Klemmabschnitte der klammerförmigen Lasche 63 zwischen sich und den Innenseiten des C-förmigen Abschnitts ein, sodass eine fluiddichte Verbindung entsteht.
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Das Gehäusebauteil 60 sowie das Anschlusselement 58 können ferner einteilig miteinander ausgebildet sein, sodass das einteilig miteinander ausgebildete Element lediglich mit dem Wärmetauscherbereich 26 sowie den entsprechenden Leitungen des Kältemittelkreislaufs 10 verbunden werden muss, um den Wärmetauscher 14 auszubilden.
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Ferner sind zwischen den einzelnen Kältemittel führenden Kanälen 28 Lamellen 64 vorgesehen, die Wärmeübertragung des Wärmetauscherbereichs 26 verbessern.
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In der gezeigten Ausführungsform ist die Bypass-Einrichtung 36 unterschiedlich zur ersten Ausführungsform ausgebildet, da die Bypass-Einrichtung 36 ein Verstellelement 66 anstatt der Ventile 42, 46 aufweist.
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Bei dem Verstellelement 66 handelt es sich beispielsweise um einen Zylinder, der in seiner Mantelfläche vier Öffnungen 68, 70, 72, 74 hat, die dem Einlass 38, dem Verteiler 30, dem Sammler 32 sowie dem Auslass 40 zugeordnet sind. Die Öffnungen 68 bis 74 weisen eine unterschiedliche Größe auf, deren Funktion nachfolgend anhand der 5 und 6 erläutert wird.
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Darüber hinaus weist das Verstellelement 66 eine Trennwand 76 auf, die den Innenraum des Verstellelements 66 in zwei Bereiche unterteilt, wobei über die Öffnungen 68 und 70 Zugang zum ersten Bereich und über die Öffnungen 72 und 74 Zugang zum zweiten Bereich möglich ist.
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Generell ist das Verstellelement 66 im Anschlusselement 58 aufgenommen, wodurch es geschützt ist.
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Die in der 4 gezeigte Stellung der Bypass-Einrichtung 36, insbesondere des Verstellelements 66, entspricht dem zweiten Betriebsmodus des Wärmetauschers 14, der bereits anhand der ersten Ausführungsform beschrieben worden ist. Diese Stellung ist in 5 detailliert gezeigt, auf die nachfolgend Bezug genommen wird.
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Im zweiten Betriebsmodus kann das über den Einlass 38 zugeführte Kältemittel durch die Öffnung 68, den ersten Bereich des Verstellelements 66 und die Öffnung 70 strömen, sodass das Kältemittel durch das Verstellelement 66 in den Verteiler 30 strömt. Das Kältemittel strömt dann durch die einzelnen Kanäle 28 des Wärmetauscherbereichs 26, wobei es mit der den Wärmetauscherbereich 26 durchströmenden Luft wechselwirkt und im Wesentlichen kondensiert. Das kondensierte Kältemittel wird anschließend im Sammler 32 gesammelt und über die Rückführleitung 34 der Bypass-Einrichtung 36 zugeführt. Das flüssige Kältemittel strömt dann über die Öffnung 72, durch den zweiten Bereich des Verstellelements 66 und durch die Öffnung 74 zum Auslass 40. Hiernach strömt das im Wesentlichen flüssige Kältemittel zu den Druckminderungseinheiten 20, 22 (siehe 1). Die Strömungsrichtung des Kältemittels ist gestrichelt dargestellt.
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Eine Mischung der beiden Ströme innerhalb des Verstellelements 66 wird im zweiten Betriebsmodus und der gezeigten Stellung des Verstellelements 66 durch die Trennwand 76 verhindert.
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In 6 ist der erste Betriebsmodus gezeigt, in dem die Bypass-Einrichtung 36 die Bypass-Leitung 50 ausbildet, die in der gezeigten Ausführungsform im Wesentlichen durch die Öffnung 74 ausgebildet ist.
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Das über den Einlass 38 der Bypass-Einrichtung 36 zugeführte Kältemittel strömt aufgrund des verstellten Verstellelements 66 in die Öffnung 74 im Verstellelement 66, die am größten ist. Über die Öffnung 74 steht der Einlass 38 mit dem zweiten Bereich des Verstellelements 66 in Strömungsverbindung und wird innerhalb des zweiten Bereichs derart umgelenkt, dass es über die gleiche Öffnung 74 zum Auslass 40 gelenkt wird. Die Strömung des Kühlfluids ist gestrichelt dargestellt.
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Die weiteren Öffnungen 68, 70, 72 liegen in der verstellten Stellung jeweils an Gehäusewänden des Anschlusselements 58 an, sodass sie verschlossen sind und kein Kältemittel über diese Öffnungen 68, 70, 72 austreten kann.
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Das Verstellelement 66 wird in diese Stellung durch einen ansteuerbaren Antrieb 78 verstellt, der in der gezeigten Ausführungsform ein elektromagnetischer Antrieb ist. Der Antrieb 78 wird durch die Steuer- bzw. Regeleinheit 52 angesteuert, die hier nicht dargestellt ist.
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Der Antrieb 78 umfasst eine elektromagnetische Spule 80 sowie ein magnetisches Element 82, welches mit dem Verstellelement 66 gekoppelt ist. Bei einem Stromdurchfluss durch die Spule 80 wirkt das erzeugte Magnetfeld mit dem magnetischen Element 82 derart zusammen, dass das Verstellelement 66 in die in 6 gezeigte Stellung verstellt wird.
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Der Antrieb 78 umfasst ferner eine Feder 84, die ebenfalls mit dem Verstellelement 66 gekoppelt ist. Die Feder 84 wirkt auf das Verstellelement 66 derart ein, dass sie das Verstellelement 66 in die in 5 gezeigte zweite Stellung beaufschlagt, in der Wärmetauscherbereich 26 fluiddurchströmt ist. Die Feder 84 stellt demnach eine sogenannte Fail-Safe-Stellung des Antriebs 78 bereit, sofern der Antrieb 78 das Verstellelement 66 nicht mehr wie gewünscht verstellen kann.
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Die Federkraft der Feder 84 sowie die Antriebskraft der Spule 80 und des magnetischen Elements 82 sind aufeinander abgestimmt, sodass das Verstellelement 66 entgegen der Federkraft der Feder 84 in die Stellung des ersten Betriebsmodus (siehe 6) verstellt werden kann.
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In der gezeigten Ausführungsform des Wärmetauschers 14 ist es zudem in einfacher Weise möglich, dass der Wärmetauscherbereich 26 teilweise fluiddurchströmt ist. Dies kann dadurch eingestellt werden, dass das Verstellelement 66 vom Antrieb 78 nicht in die Endstellungen verstellt wird, die in den 5 und 6 gezeigt sind, sondern in eine Mittelstellung. Hierdurch kann Kältemittel sowohl über die Bypass-Leitung 50 als auch durch den Wärmetauscherbereich 26 strömen. Hierzu müssen die Öffnungen 68 bis 74 entsprechend angepasst sein. Die Verstellung des Verstellelements 66 kann insbesondere stufenlos erfolgen.
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Die Steuerung der Bypass-Einrichtung 36, insbesondere der Antriebe erfolgt generell über die Steuer- bzw. Regeleinheit 52. Die Steuer- bzw. Regeleinheit 52 steuert bzw. regelt die Bypass-Einrichtung 36 in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur und/oder der Druckdifferenz im Kältemittelkreis 10.
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Mit dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher 14 sowie dem Kältemittelkreislauf 10, der den Wärmetauscher 14 umfasst, ist es somit möglich, den Druck innerhalb des Kältemittelkreislaufs 10 zu Beginn schnell ansteigen zu lassen, indem der Wärmetauscherbereich 26 des Wärmetauschers 14 zeitweise nicht fluiddurchströmt ist.
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Im weiteren Verlauf kann die Überbrückung des Wärmetauscherbereichs 26 schrittweise zurückgefahren werden, sodass eine hohe Druckdifferenz vorliegt und gleichzeitig Kältemittel teilweise in den Wärmetauscher 14 gelangt, sodass flüssiges Kältemittel dem Verdampfer 16 bzw. der Kühlvorrichtung 18 zugeführt werden kann. Insgesamt ist hierdurch ein Kältemittelkreislauf 10 geschaffen, der trotz niedriger Umgebungstemperaturen schnell die gewünschte Druckdifferenz im Normalbetrieb erreicht.
