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Die Erfindung betrifft eine Verdampferanordnung für eine Klimatisierungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs mit einer Mehrzahl von als Luft/Kältemittel-Wärmeübertragerebenen ausgebildeten Verdampferebenen, die luft- und kältemittelseitig seriell zueinander geschaltet sind, wobei die kältemittelseitig letzte Verdampferebene einflutig und wenigstens eine weitere Verdampferebene mehrflutig ausgebildet ist.
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Die Erfindung betrifft weiter eine Klimatisierungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine von einem Luftstrom durchströmbare, derartige Verdampferanordnung, eine Mehrzahl von ansteuerbaren Kältekreisorganen sowie eine Steuereinrichtung zur automatisierten Ansteuerung der Kältekreisorgane.
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Die Erfindung betrifft schließlich ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Klimatisierungseinrichtung.
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Die genannte Druckschrift offenbart einen Verdampfer für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage mit mehreren Verdampferebenen, die hintereinander von einem Luftstrom durchströmbar sind. Der Kältekreis der Klimaanlage im Betriebszustand umfasst weitere, z.T. steuerbare Kältekreisorgane wie z.B. einen Kompressor, einen Kondensator, Entspannungsorgane, Gebläse etc. Als Verdampferebene wird hier eine im Wesentlichen senkrecht zum Luftstrom stehende Schicht eines Luft/Kältemittel-Wärmeübertragers bezeichnet, in welcher Kältemittel in Durchströmungsleitungen im Wesentlichen ebenenparallel strömt. Die Durchströmungsleitungen können beispielsweise als Rundrohre, Scheiben oder Flachrohre ausgebildet sein. Von einer Verdampferebene in die nächste Verdampferebene gelangt das Kältemittel über im Wesentlichen parallel zum Luftstrom verlaufende Verbindungsleitungen, die als Flach- oder Rundrohre oder als einfache Durchbrüche in Trennwänden zwischen den Verdampferebenen ausgebildet sein können. Die genannte Druckschrift offenbart einen Verdampfer in kompakter Bauart, d.h. einen Verdampfer, bei dem mehrere Verdampferebenen, insbesondere zwei Verdampferebenen, in einem Verdampfermodul integriert sind. Die vorliegende Erfindung bezieht sich jedoch auch auf Anordnungen, bei denen separate Verdampfermodule mit einer oder mehreren Ebenen luftseitig hintereinander angeordnet sind.
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Bei einer in der genannten Druckschrift offenbarten Ausführungsform ist die zweite, d.h. die kältemittelseitig letzte Verdampferebene einflutig ausgebildet, während die kältemittelseitig davor angeordnete Verdampferebene zweiflutig ausgebildet ist. Mehrflutige Ausgestaltung einer Verdampferebene bedeutet, dass die Durchströmungsleitungen jeder Verdampferebene so angeordnet sind, dass das Kältemittel bei der Durchströmung der Verdampferebene mindestens einmal seine Strömungsrichtung umkehrt. So wird beispielsweise eine Verdampferebene, deren Kältemitteleingang sich an ihrem in Montageendlage oberen Rand befindet und deren Durchströmungsleitungen das Kältemittel zunächst abwärts zum unteren Rand und dann wieder aufwärts zum oberen Rand führen, wo sich ein Kältemittelausgang befindet, als zweiflutige Verdampferebene bezeichnet. Eine Verdampferebene hingegen, die vom Kältemittel vom Kältemitteleingang am oberen oder unteren Rand zum Kältemittelausgang am unteren bzw. oberen Rand ohne Richtungsumkehr durchströmt wird, wird als einflutige Verdampferebene bezeichnet. Die mehrflutige Durchströmung von Verdampferebenen hat den Vorteil einer homogeneren Temperaturverteilung über die Verdampferebene. Die vorgenannte Variante mit einer einflutigen Verdampferebene wird daher in der genannten Druckschrift lediglich theoretisch offenbart ohne weiter thematisiert zu werden.
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Bei Klimatisierungsanordnungen für Kraftfahrzeuge, deren Verdampferanordnungen bei einer Betriebstemperatur unter 0 °C betrieben werden sollen, treten naturgemäß Probleme mit der Vereisung des Wärmeübertragers auf. An der Außenwand des Wärmeübertragers anfrierendes Kondenswasser führt zur Verengung der Luftkanäle, durch welche der Luftstrom den Wärmeübertrager durchströmt, wodurch die Klimatisierungsleistung deutlich reduziert wird. Es ist daher bekannt, derartige Klimatisierungsvorrichtungen mit abwechselnden Betriebs- und Abtauzyklen zu betreiben. Während der Betriebszyklen wird im Verdampfer Kältemittel verdampft, wobei die hierfür notwendige Verdampfungswärme dem Luftstrom entzogen und dieser somit gekühlt wird. Während der Abtauintervalle erfolgt keine Kältemittelverdampfung oder eine reduzierte Kältemittelverdampfung auf höherem Temperaturniveau, so dass an der Außenwand anhaftendes Eis abtauen kann. Dabei hat sich jedoch gezeigt, dass insbesondere im unteren Verdampferbereich die Abtauung verzögert erfolgt. Dies liegt insbesondere daran, dass im oberen Verdampferbereich anfallendes Kondenswasser beim Ablaufen abkühlt und im unteren Bereichen anfriert. Die Länge der Abtauintervalle muss sich, um eine vollständige Abtauung zu gewährleisten, an der Eisschichtdicke im unteren Verdampferbereich orientieren. Aufgrund der mit jedem Abtauvorgang verbundenen Einbuße an Klimakomfort im Fahrzeuginneren wäre es jedoch wünschenswert, die Abtauintervalle insgesamt verkürzen oder die Betriebsintervalle verlängern zu können.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Verdampferanordnung derart weiterzubilden, dass beim Betrieb unter 0 °C kürzere Abtauintervalle bzw. längere Betriebsintervalle möglich werden. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein entsprechendes Steuerverfahren für Klimatisierungseinrichtungen zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die kältemittelseitig letzte, einflutige Verdampferebene in Montageendlage von oben nach unten mit Kältemittel durchflutbar ist. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass die kältemittelseitig letzte, einflutige Verdampferebene oder zumindest ihr Wärme zwischen Kältemittel und Luft übertragender Bereich einen Kältemitteleingang am in Montageendlage oberen Rand und einen Kältemittelausgang am in Montageendlage unteren Rand aufweist.
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Die Aufgabe wird weiter durch eine Klimatisierungseinrichtung nach Anspruch 6 gelöst, insbesondere durch eine Klimatisierungeinrichtung, umfassend eine von einem Luftstrom durchströmbare, erfindungsgemäße Verdampferanordnung, eine Mehrzahl von ansteuerbaren Kältekreisorganen sowie eine Steuereinrichtung zur automatisierten Ansteuerung der Kältekreisorgane.
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Die Aufgabe wird weiter in Verbindung mit den Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 7 dadurch gelöst, dass die erfindungsgemäße Klimatisierungseinrichtung durch Ansteuerung ihrer Klimakreisorgane mittels der Steuereinrichtung abwechselnd mehrere Betriebs- und Enteisungszyklen durchläuft, wobei in früheren Betriebszyklen eine geringere Überhitzung des Kältemittels eingestellt wird als in späteren Betriebszyklen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Solange das Kältemittel eine Verdampferebene in noch teilweise flüssigem Zustand durchströmt, verdampft es im Wesentlichen bei konstanter Temperatur. Nach vollständiger Verdampfung geht es jedoch in die Überhitzung. Wärmeübertragung vom Luftstrom zum kälteren Kältemitteldampf führt daher nicht zu weiterer Verdampfung sondern zu einer Temperaturerhöhung des Kältemitteldampfs. Diesen Zusammenhang nutzt die vorliegende Erfindung gezielt aus. Die kältemittelseitig letzte Verdampferebene wird erfindungsgemäß zum einen einflutig und zum anderen von oben nach unten durchströmt. Die Überhitzung, die naturgemäß im Wesentlichen am Ende ihres Durchströmungsweges durch die Verdampferanordnung auftritt, tritt bei der erfindungsgemäßen Anordnung also im Wesentlichen im unteren Bereich der kältemittelseitig letzten Verdampferebene auf und zwar über deren gesamte Breite. Dies führt dazu, dass in diesem Bereich, der, wie oben erläutert, für das Ansetzen von Eis besonders anfällig ist, während der Betriebszyklen eine höhere Temperatur anliegt als in anderen Verdampferbereichen, so dass einer übermäßigen Eisbildung hier gezielt vorgebeugt wird. Aufgrund der gezielt erzeugten Temperatur-Inhomogenität wird also der bisherigen Inhomogenität der Vereisung entgegengewirkt, so dass sich über den Verdampfer eine homogenere Vereisung einstellt. Anders ausgedrückt: die bei bekannten Vorrichtungen entstehende, übermäßige Vereisung des unteren Verdampferbereichs wird vermieden. Folglich können die Abtauintervalle kürzer ausfallen. Alternativ oder zusätzlich können die Betriebsintervalle verlängert werden. Beide Maßnahmen führen zu einem verbesserten Klimakomfort im Innenraum des Kraftfahrzeugs.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die kältemittelseitig erste Verdampferebene auch die luftseitig erste Verdampferebene und der kältemittelseitig letzte Verdampferebene auch die luftseitig letzte Verdampferebene ist. Aufgrund der bei Durchströmung der Verdampferanordnung sukzessive eintretenden Abkühlung des Luftstroms ist die luftseitig letzte Verdampferebene besonders vereisungsgefährdet. Daher ist es vorteilhaft, die Wirkung der vorliegenden Erfindung insbesondere hier zum Einsatz zu bringen.
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Denkbar und bei einer günstigen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, dass der kältemittelseitig letzten, einflutigen Verdampferebene eine kältemittelseitig vorletzte, ebenfalls einflutige Verdampferebene luft- und kältemittelseitig vorgeschaltet ist. Dies kann insbesondere bei Verdampferanordnungen mit zwei getrennten Verdampfermodulen dadurch ausgeführt sein, dass das luft- und kältemittelseitig erste Verdampfermodul mehrflutig ausgebildet ist und das luft- und kältemittelseitig zweite Verdampfermodul zwei jeweils einflutige Verdampferebenen aufweist.
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Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens kann die Klimatisierungseinrichtung durch Ansteuerung ihrer Kältemittel-Leitorgange mittels der Steuereinrichtung abwechselnd mehrere Betriebs- und Enteisungszyklen durchläuft, wobei in früheren Betriebszyklen eine geringer Überhitzung des Kältemittels eingestellt wird als in späteren Betriebszyklen. Hierzu kann insbesondere zwischen der kältemittelseitig letzten, einflutigen Verdampferebene und der wenigstens einen weiteren, mehrflutigen Verdampferebene ein steuerbares Drosselorgan angeordnet sein, durch dessen Ansteuerung die Überhitzung eingestellt wird. Eine Einstellung der Überhitzung ist jedoch alternativ oder zusätzlich auch durch Ansteuerung anderer Klimakreisorgane möglich. Dem liegt insgesamt die Erkenntnis zugrunde, dass die Vereisung zunächst schneeartig anfällt. Erst nach mehreren Betriebs- und Abtauzyklen bildet sich eine kompaktere Eisschicht. Die schneeartige Vereisung kann in normalen Abtauzyklen relativ leicht beseitigt werden. Problematisch ist die Beseitigung der kompakten Eisschicht, weshalb es als besonders günstig angesehen wird, die erfindungsgemäße Abtauunterstützung insbesondere in diesen problematischen Fällen einzusetzen.
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Bei komplexeren Systemen kann allerdings auch vorgesehen sein, dass die Klimatisierungseinrichtung einen Vereisungssensor aufweist und dass das steuerbare Drosselorgan derart angesteuert wird, dass sich während Betriebszyklen, in denen der Vereisungssensor eine schneeartige Vereisung der kältemittelseitig letzten Verdampferebene erkennt, eine geringere Überhitzung des Kältemittels einstellt als während Betriebszyklen, in denen der Vereisungssensor eine kompakte Vereisung der kältemittelseitig letzten Verdampferebene erkennt. Dem liegt derselbe Gedanke zugrunde wie oben erläutert, wobei jedoch die schneeartige oder kompakte Vereisung durch den Vereisungssensor explizit erkannt wird.
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In Fällen, in denen die beiden letzten Verdampferebenen jeweils einflutig ausgebildet sind, wird das steuerbare Drosselorgan günstiger Weise zwischen der kältemittelseitig vorletzten, einstufigen Verdampferebene und der wenigstens einen weiteren, mehrstufigen Verdampferebene angeordnet. Auf diese Weise lässt sich die Überhitzung in den beiden letzten, jeweils einflutigen Verdampferebenen gezielt einstellen, so dass gewünschte Temperaturgradienten über die Verdampferhöhe sehr genau eingestellt werden können. Der Fachmann wird verstehen, dass es hierfür besonders vorteilhaft ist, wenn die beiden letzten, jeweils einflutigen Verdampferebenen in entgegengesetzter Richtung vom Kältemittel durchströmbar sind bzw. durchströmt werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Es zeigen:
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1: eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verdampferanordnung und
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2: eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verdampferanordnung.
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Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten auf gleiche oder analoge Elemente hin.
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1 zeigte eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verdampferanordnung 10, bei der zwei Verdampferebenen 11, 12 in einem gemeinsamen Verdampfermodul, welches die erfindungsgemäße Verdampferanordnung 10 darstellt, integriert sind. Der Luftstrompfeil 20 deutet die Richtung des Luftstroms an, von welchem die Verdampferanordnung 10 in Montageendzustand und bei Betrieb durchströmt wird. Die Kältemittelpfeile 30 deuten den Strom des Kältemittels an, welcher im Betriebsfall die Verdampferanordnung 10 durchströmt.
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Bei der Ausführungsform von 1 strömt das Kältemittel seitlich (links in 1) durch einen Kältemitteleingang 111 am oberen Rand in die erste Verdampferebene 11 ein. Diese ist vierflutig ausgebildet, d.h. dass das Kältemittel die erste Verdampferebene 11 in vier senkrechten Passagen mit jeweils umgekehrter Strömungsrichtung durchströmt. Hierzu sind in der ersten Verdampferebene 11 drei senkrechte, in 1 gestrichelt dargestellte senkrechte Trennwände 112 vorgesehen, die in ihrem unteren bzw. oberen Randbereich jeweils einen Durchbruch aufweisen, der eine Richtungsumkehr des Kältemittelstroms zulässt. Bei der gezeigten Ausführungsform strömt das Kältemittel zunächst in einer ersten Passage abwärts, in einer zweiten Passage aufwärts, in einer dritten Passage wieder abwärts und in einer vierten Passage schließlich erneut aufwärts. Von dort tritt es durch nicht gesondert dargestellte Leitungsmittel in die zweite Verdampferebene 12 ein, die einflutig ausgebildet ist. Das Kältemittel wird hier am oberen Rand über die Breite der zweiten Verdampferebene 12 verteilt und strömt ausschließlich abwärts, wo es die zweite Verdampferebene in einem zentralen Ausgang 121 verlässt. Bei der gezeigten Ausführungsform ist zwischen den beiden Verdampferebenen 11, 12 ein steuerbares Drosselorgan 40, beispielsweise ein Expansionsventil, angeordnet, mit der, wie im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert, die Überhitzung des Kältemittels in der zweiten Verdampferebene gezielt gesteuert werden kann.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform, bei der die Verdampferanordnung 10 insgesamt vier Verdampferebenen 11a, 12a, 11b, 12b aufweist, die in zwei Verdampfermodulen 10a, 10b integriert sind. Das erste Verdampfermodul 10a weist die Verdampferebenen 11a und 12a auf, die beide mehrflutig ausgebildet sind. Insbesondere ist die erste Verdampferebene 11a des ersten Verdampfermoduls 10a vierflutig ausgebildet, wohingegen seine zweite Verdampferebene 12a dreiflutig ausgebildet ist. Das Kältemittel tritt durch den Kältemitteleingang 111a seitlich (links in 2) am oberen Rand in die erste Verdampferebene 11a ein und strömt zunächst in einer ersten Passage abwärts, dann in einer zweiten Passage aufwärts, anschließend in einer dritten Passage wieder abwärts und schließlich in einer vierten Passage erneut aufwärts. Hier tritt es über nicht näher dargestellte Leitungsmittel in die zweite Verdampferebene 12a ein wo es zunächst in einer ersten Passage abwärts, alsdann in einer zweiten Passage aufwärts und schließlich in einer dritten Passage abwärts strömt und die zweite Verdampferebene 12a am unteren Rand durch einen zentralen Kältemittelausgang 121a verlässt. Von dort wird es zu einem Kältemitteleingang 111b des zweiten Verdampfermoduls 10b geleitet, wobei es ein steuerbares Drosselorgan 40, beispielsweise ein Expansionsventil, passiert. Das zweite Verdampfermodul 10b weist ebenfalls zwei Verdampferebenen 11b, 12b auf, die beide jeweils einflutig ausgebildet sind. Hinter dem zentralen Kältemitteleingang 111b am unteren Rand der ersten Verdampferebene 11b des zweiten Verdampfermoduls 10b strömt das Kältemittel ausschließlich nach oben, wo es in die zweite Verdampferebene 12b überströmt und dort ausschließlich nach unten strömt um die zweite Verdampferebene 12b durch den Kältemittelausgang 121b zu verlassen. Bezüglich der Funktionsweise und Wirkung der erfindungsgemäßen Anordnung und des bevorzugten Betriebsverfahrens wird auf den obigen, allgemeinen Teil der Beschreibung verwiesen.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere ist die Erfindung nicht auf Verdampfer im eigentlichen Klimagerät des Kraftfahrzeugs beschränkt. Auch andere Verdampfer einer komplexer gestalteten Klimatisierungseinrichtung, beispielsweise wenigstens temporär als Verdampfer arbeitende Wärmeübertrager, insbesondere im Front-End des Kraftfahrzeugs, sollen ausdrücklich mit umfasst sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verdampferanordnung
- 10a, b
- Verdampfermodul
- 11, 11a, b
- erste Verdampferebene
- 111, 111a, b
- Kältemitteleingang
- 12, 12a, b
- zweite Verdampferebene
- 112, 112a
- Trennwand
- 121, 121a, b
- Kältemittelausgang
- 122a, b
- Trennwand
- 20
- Luftpfeil
- 30
- Kältemittelpfeil
- 40
- steuerbares Drosselorgan
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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