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Die Erfindung betrifft einen Niederdruck-Sammler für eine Kälteanlage eines Fahrzeugs sowie eine Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem einen erfindungsgemäßen Niederdruck-Sammler aufweisenden Kältemittelkreislauf.
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Bei einer Kälteanlage, bei welcher zur Drosselung das Expansionsorgan mit einem konstanten Öffnungsquerschnitt ausgeführt ist, also nach dem sogenannten Orifice-Prinzip arbeitet, befindet sich der Sammler auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs. Darüber hinaus sind auch Systeme mit Expansionsorganen mit variablem Querschnitt bekannt, bspw. mit dem Betriebsmedium R744 arbeitend, die aufgrund des transkritischen Anlagenbetriebs auf diese Ausführung des Kältemittelspeichers zurückgreifen. Expansionsorgane mit variablem Querschnitt finden auch aus effizienzsteigenden Gründen Berücksichtigung. Das in einen solchen Niederdruck-Sammler eintretende Kältemittel enthält neben der gasförmigen auch eine flüssige Phase. Der Niederdruck-Sammler stellt eine Phasentrenn- und Einlagerungsfunktion sicher, so dass am Eintritt des Kältemittelverdichters (bei Systemen ohne inneren Wärmeübertrager) ausschließlich gasförmiges Kältemittel bzw. Kältemittel mit geringsten Flüssigkeitsanteilen oder eben mit definiertem Dampfgehalt anliegt. Ein bekannter Kältemittelkreislauf 1.1 einer Kälteanlage 1 mit einem solchen Niederdruck-Sammler 10 zeigt 5 mit einem in Strömungsrichtung R angeordneten Kältemittelverdichter 2, einem Gaskühler oder Kondensator 3, einem Hochdruckabschnitt eines inneren Wärmeübertragers 4, einem Expansionsorgan 5, einem Verdampfer 6, dem Niederdruck-Sammler 10 und einem Niederdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 4. Der Niederdruck-Sammler 10 ist somit zwischen dem Ausgang des Verdampfers 6 und dem Eingang des Niederdruckabschnittes des inneren Wärmeübertragers 4 in den Kältemittelkreislauf 1.1 geschaltet.
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Ein gattungsgemäßer Niederdruck-Sammler für einen Kältemittelkreislauf einer Kälteanlage eines Fahrzeugs mit einem einen Einlassanschluss und einen Auslassanschluss für ein Kältemittel aufweisenden Behälter und einem in dem Behälter angeordneten Rohrsystem ist in der
DE 102 52 063 A1 offenbart. Dieser bekannte Niederdruck-Sammler ist mit einem elektrischen Heizelement zum Heizen des in dem Behälter gespeicherten flüssigen Kältemittels ausgebildet. Das Heizelement ist als flexibler und plattenförmiger Dünnplatten-Heizkörper mit mehrlagigen Filmelementen ausgebildet, so dass dieser mit Ringbändern auf der Außenseite des zylinderförmigen Behälters befestigt werden kann. Eine Wasserabflussvorrichtung ist bei diesem bekannten Niederdruck-Sammler nicht vorgesehen.
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Die
DE 10 2013 110 561 A1 beschreibt einen Kältemittelkreislauf zur Kühlung eines Fahrzeuginnenraums oder eines Fahrzeugaggregats, welches eine Wasserabflussvorrichtung zum Auffangen von an dem Aggregat entstehenden Kondenswassers aufweist. Die Wasserabflussvorrichtung ist mit einer Ablaufleitung zum Leiten des aufgefangenen Kondenswassers durch einen Wärmetauscher ausgebildet. Dieser Wärmetauscher ist als Luft-Wasser-Wärmetauscher ausgebildet, so dass das Kondenswasser Wärme von einem Luftstrom aufnehmen kann. Die bekannte Wasserabflussvorrichtung ist unterhalb des Aggregats angeordnet und als Schale oder als Wanne ausgebildet.
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Aus der
DE 10 2013 214 267 A1 ist ein Kältemittelkreislauf mit Wärmepumpenfunktion für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug bekannt. Um diese Wärmepumpen-Anlage bei tiefen Temperaturen effizienter betreiben zu können, wird insbesondere beim Anfahren der Wärmepumpen-Anlage ein Heizelement innerhalb eines Niederdruck-Sammlers angeordnet. Mit einem solchen Heizelement wird das Kältemittel im Niederdruck-Sammler erwärmt und somit teilweise verdampft, wodurch ein schnellerer Druckaufbau im Hochdruckabschnitt des Kältemittelkreislaufs ermöglicht wird.
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Ferner wird in dieser
DE 10 2013 214 267 A1 darauf hingewiesen, dass bei einem solchen Niederdruck-Sammler mit einem Heizelement dieses nicht notwendigerweise innerhalb des Sammlers anzuordnen ist, sondern alternativ nach Art einer Heizspule auch um den Sammler herum angeordnet werden kann.
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Der Vollständigkeit halber sei noch auf die
DE 28 12 876 A1 verwiesen, aus der eine Heizvorrichtung für eine Starterbatterie zum Aufrechterhalten einer für die Batterie günstigen Arbeitstemperatur mit einem von der Batterie selbst gespeisten und einem mit dieser in Kontakt stehendem Heizelement bekannt ist.
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Da ein Niederdruck-Sammler im Kälteanlagenmodus mit Verdampfungsdruck bzw. Verdampfungstemperatur beaufschlagt wird, können Temperaturen von 0 °C und kleineren Temperaturwerten auftreten. Dies führt dazu, dass Luft an der Oberfläche des Niederdruck-Sammlers abgekühlt und entfeuchtet wird und daher die Gefahr des Aufbaus einer Eisschicht auf der Oberfläche des Gehäuses des Niederdruck-Sammlers besteht. Eine solche Eisschicht kann über die Fahrzeugbetriebsdauer deutlich anwachsen. Eine solche anwachsende Eisschicht kann, je nach Einbaulage, möglicherweise zu einer Verspannung zwischen einem Karosserieblech und dem mit demselben verbundenen Niederdruck-Sammler führen. Das während einer Fahrzeugbetriebspause sich ansammelnde Tauwasser kann möglicherweise zur Korrosion am Niederdruck-Sammler, primär jedoch an angrenzenden Bauteilen sowie der Karosserie führen.
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Auch im Wärmepumpenmodus treten Verdampfungstemperaturen von teilweise deutlich unter 0°C auf. Auch hier kann es zum Entfeuchten der den Niedertemperatur-Sammler umgebenden Luft bzw. des ihn umströmenden Luftstroms kommen und sich an dessen Oberfläche das anfallende Kondensat in Form einer Eisschicht niederschlagen, analog zum oben beschriebenen Vorgang der Kondensatabscheidung beim Kälteanlagenbetrieb.
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Es ist Aufgabe der Erfindung einen Niederdruck-Sammler anzugeben, bei welchem eine Eisbildung auf der Oberfläche von dessen Gehäuse reduziert bzw. verhindert wird. Ferner ist es Aufgabe, eine Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem einen erfindungsgemäßen Niederdruck-Sammler aufweisenden Kältemittelkreislauf anzugeben.
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Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch einen Niederdruck-Sammler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Ein solcher Niederdruck-Sammler für einen Kältemittelkreislauf einer Kälteanlage eines Fahrzeugs mit einem einen Einlassanschluss und einen Auslassanschluss für ein Kältemittel aufweisenden Behälter und mit einem in dem Behälter angeordneten Rohrsystem, wobei der Niederdruck-Sammler mit einem elektrischen Heizelement ausgebildet ist, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass
- - eine Wasserabflussvorrichtung für auf der einer Umfangsfläche des Behälters sich niederschlagendes Kondensat vorgesehen ist, und
- - die Wasserabflussvorrichtung als Abtauwassersammeltrichter mit einer Abflussöffnung ausgeführt und unterhalb des Niederdruck-Sammlers angeordnet ist, wobei eine Trichterform des Abtauwassersammeltrichters bezüglich einer durch die Abflussöffnung in Fahrzeughochrichtung verlaufenden Symmetrieachse unsymmetrisch ist.
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Mit einem solchen elektrischen Heizelement, bspw. als elektrisches Widerstandsheizelement ausgeführt, lässt sich ein dauerhaftes Bilden einer Eisschicht auf der Oberfläche des Gehäuses des Niederdruck-Sammlers verhindern. Ein solches elektrisches Heizelement kann sowohl über ein Niedervolt-Bordnetz von 12 V oder 48 V als auch über ein Hochvolt-Bordnetz versorgt werden.
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Ferner kann ein solches elektrisches Heizelement eine korrosionshemmende Maßnahme für den Niederdruck-Sammler darstellen. Damit entfällt auch eine bauteilseitige Oberflächenbehandlung. Primär sind vorteilhaft weder Verspannungen noch daraus resultierende akustische Nachteile zu erwarten.
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Durch die Anordnung des Heizelementes auf der Umfangsfläche des Gehäuses lässt sich direkt eine Eisbildung auf der Oberfläche des Gehäuses mit minimalen Energieaufwand verhindern.
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Um einen unkontrollierten Abfluss oder ein Ansammeln bzw. Aufstauen von Tauwasser zu verhindern, ist eine Wasserabflussvorrichtung für sich auf der Umfangsfläche des Gehäuses niederschlagendes Kondensat vorgesehen. Die Wasserabflussvorrichtung ist mit einem Sammeltrichter oder in einer trichterähnlichen Form ausgebildet. Diese Wasserabflussvorrichtung kann auch vom Niederdruck-Sammler auf die Fahrzeugkarosserie übertragen und funktional in dieser ausgebildet werden.
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Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch eine Kälteanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4.
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Eine solche Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf für einen AC-Betrieb umfasst
- - einen Kältemittelverdichter,
- - einen Kondensator oder Gaskühler
- - wenigstens einen Verdampfer mit einem zugeordneten Expansionsorgan,
- - einen inneren Wärmeübertrager, und
- - einen erfindungsgemäßen Niederdruck-Sammler, welcher stromabwärts dem Verdampfer nachgeschaltet ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine schematische Seitenansicht eines nicht erfindungsgemäßen Niederdruck-Sammlers mit einem Heizband,
- 2 eine Draufsicht auf den Niederdruck-Sammler nach 1,
- 3 eine schematische Seitenansicht eines weiteren nicht erfindungsgemäßen Niederdruck-Sammlers mit einem Heizband
- 4 eine schematische Seitenansicht eines Niederdruck-Sammlers mit einem Heizband als Ausführungsbeispiel, und
- 5 ein Kältemittelkreislauf mit einem Niederdruck-Sammler gemäß den 1 bis 4.
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Der nicht erfindungsgemäße Niederdruck-Sammler 10 gemäß 1 besteht aus einem zylinderförmigen Behälter 10.1 zur Aufnahme eines Rohrsystems mit einem Eingangsanschluss 10.10 und einem Ausgangsanschluss 10.11.
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Im mittleren Bereich des Behälters 10.1 ist auf dessen Mantelfläche (Umfangsfläche) 10.12 ein Heizband 10.20 als elektrisches Heizelement 10.2 angeordnet, welches den Behälter 10.1 entsprechend von 2 auf dessen Mantelfläche 10.12 anliegend kreisförmig umschließt. Dieses Heizband 10.20 ist über elektrische Anschlussleitungen mit einer Spannungsversorgungseinheit 11 verbunden, um hiermit den Behälter 10.1, insbesondere dessen Mantelfläche 10.12 zu erwärmen. Diese Spannungversorgungseinheit 11 kann ein Niedervolt-Bordnetz eines Fahrzeugs mit 12 V oder 48 V oder auch ein Hochvolt-Bordnetz darstellen.
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Mit diesem als Heizband 10.20 ausgeführten elektrischen Heizelement 10.2 wird die Bildung einer Eisschicht auf der Oberfläche des Behälters 10.1 des Niederdruck-Sammlers 10 verhindert.
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Je nach anzutreffender Umgebungsfeuchte ist somit die Bestromungsdauer des Heizbandes 10.20 unterschiedlich lange ausführbar. Es können ggf. hierfür die Sensorwerte eines Fahrzeugfeuchtesensors zur Detektion der Umgebungsfeuchte herangezogen werden. Je höher der Wert der absoluten bzw. relativen Feuchte gemessen wird, desto länger oder häufiger ist das Heizelement 10.2 zuzuschalten, um eine Vereisung des Sammlergehäuses zu unterbinden.
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Nach 1 wird das beim Beheizen des Niederdruck-Sammlers 10 entstehende Abtauwasser in einem Abtauwassersammelbehälter 10.30 als Wasserabflussvorrichtung 10.3 gesammelt. Dieser Abtauwassersammelbehälter 10.30 ist becherförmig ausgeführt und umschließt einen unteren Abschnitt des Behälters 10.1 des Niederdruck-Sammlers 10. Der Boden 10.31 des Abtauwassersammelbehälters 10.30 ist trichterförmig ausgeführt, so dass das Abtauwasser mittig im tiefsten Punkt gesammelt wird, wo sich eine Abflussöffnung befindet, an welcher ein Abflussschlauch 10.32 angeschlossen ist. Dieser Abflussschlauch 10.32 kann an beliebiger Stelle aus den „verwinkelten“ Ecken des Fahrzeugs an die Umgebung geführt werden. Dieser Abflussschlauch 10.32 sollte so im Fahrzeug geführt werden, dass stehendes Wasser im Abflussschlauch 10.32 und ein Rückstau im Abtauwassersammelbehälter 10.30 vermieden wird dadurch eine kontinuierliche Wasserabfuhr sichergestellt ist.
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Der nicht erfindungsgemäße Niederdruck-Sammler 10 gemäß 3 unterscheidet sich von demjenigen gemäß 2 in einer anderen Ausgestaltung der Wasserabflussvorrichtung 10.3, weist aber ebenso ein als Heizband 10.20 ausgebildetes elektrisches Heizelement 10.2 auf, welches ebenso an eine Spannungsversorgungseinheit 11 angeschlossen ist.
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Diese Wasserabflussvorrichtung 10.3 ist als Abtauwassersammeltrichter 10.4 trichterförmig ausgeführt und unterhalb des Niederdruck-Sammlers 10 angeordnet. Diese Ausgestaltung der Wasserabflussvorrichtung 10.3 stellt eine fahrzeugseitige Lösung zur Kondensatabfuhr dar, während die Wasserabflussvorrichtung 10.3 nach 1 eine bauteilseitige Lösung darstellt.
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An der tiefsten mittigen Stelle des Abtauwassersammeltrichters 10.4 ist eine Abflussöffnung angeordnet, an welche ein Abflussschlauch 10.40 angeschlossen ist, mit welchem ein kontinuierlicher Wasserabfluss gewährleistet ist.
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Die Lage der Abflussöffnungen des Abtauwassersammelbehälter 10.30 und des Abtauwassersammeltrichter 10.4 gemäß den 1 und 3 kann neben der symmetrischen Ausführung auch in beliebig asymmetrischer Weise gestaltet und/oder positioniert werden, vorausgesetzt die Abflussöffnung befindet sich stets am niedrigsten Punkt dieser Wasserabflussvorrichtungen 10.3.
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Das Karosserieumfeld des Niederdruck-Sammlers 10 ist derart gestaltet, dass alle Wandungen ein Gefälle in Richtung des Abtauwassersammeltrichters aufweisen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel des Niederdruck-Sammlers 10 nach 4 ist eine weitere Ausgestaltung einer Wasserabflussvorrichtung 10.3 dargestellt, welche sich von derjenigen gemäß den 1 und 3 unterscheidet.
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Auch diese Wasserabflussvorrichtung 10.3 nach 4 ist als Abtauwassersammeltrichter 10.5 entsprechend desjenigen nach 3 ausgeführt, jedoch mit dem Unterschied, dass die Trichterform nicht zwangsläufig symmetrisch, sondern bezüglich einer im Idealfall senkrechten (jedoch sind Neigungswinkel der Symmetrieachse A des Niederdrucksammlers bis zu +/-20° sind möglich) in Fahrzeughochrichtung verlaufenden Symmetrieachse A unsymmetrisch ist, wobei diese Symmetrieachse A nicht mit der Symmetrieachse S des Niederdruck-Sammlers 10 zusammenfällt. Dieser Abtauwassersammeltrichter 10.5 ist entsprechend desjenigen nach 3 ebenso unterhalb des Niederdruck-Sammlers 10 angeordnet und stellt damit eine fahrzeugseitige Lösung zur Kondensatabfuhr dar. Um einen kontinuierlichen Wasserabfluss zu gewährleisten, ist das Karosserieumfeld des Niederdruck-Sammlers 10 derart ausgestaltet, dass alle vorhandenen Wandungen ein Gefälle in Richtung des Abtauwassersammeltrichters 10.5 aufweisen. Am tiefsten Punkte dieses Abtauwassersammeltrichters 10.5 ist für das Abtauwasser eine Abflussöffnung 10.50 vorgesehen, an die auch ein Abflussschlauch oder eine Abflussleitung angeschlossen werden kann.
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Bei karosserieseitigen Lösungen ist im Bedarfsfall ggf. vorteilhaft, im Umfeld des Abtauwassersammeltrichters 10.5 aufgrund der erhöhten Kondenswasserbeaufschlagung eine korrosionshemmende Beschichtung vorzusehen.
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Ein solcher erfindungsgemäßer Niederdruck-Sammler 10 gemäß 4 wird in einem Kältemittelkreislauf 1.1 für den AC-Betrieb einer Kälteanlage 1 gemäß 5 eingesetzt. Mit einem solchen, dessen äußere Oberfläche beheizbarer Niederdruck-Sammler 10 erfolgt kein Einfluss auf die Betriebsweise des Kältemittelkreislaufs 1.1, sondern es wird lediglich eine Eisbildung auf der Oberfläche des Behälters 10.1 des Niederdruck-Sammlers 10 vermieden.
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Die Erwärmung der Oberfläche des Behälters 10.1 mittels des elektrischen Heizelementes 10.2 erfolgt sowohl während des Betriebs des Kältemittelkreislaufs 1.1 als auch bei abgeschalteten Kältemittelkreislauf 1.1 und bei stehendem Fahrzeug, in beiden Fällen jedoch direkt im Anschluss an einen aktiven Betrieb des Kältemittelkreislaufs 1.1
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Der Kältemittelkreislauf 1.1 kann beliebig mit Zusatzbauteilen, wie weiteren Verdampfern erweitert werden. Auch beliebige Funktionserweiterungen, bspw. eine Batteriekühlung und eine Wärmepumpenfunktion sind natürlich bei einem solchen Kältemittelkreislauf 1.1 möglich.
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Alternativ zur Beheizung des Niederdruck-Sammlers 10 ist es möglich, eine ganzheitliche Oberflächenisolation am Niederdrucksammler 10 vorzunehmen. Eine vorteilhafte Ausgestaltung einer Wasserabflussvorrichtung 10.3 ist dennoch vorzusehen, damit eine Ansammlung eines bspw. an Klimaleitungen anfallenden Kondensats in ungünstiger Weise im (Karosserie-) Umfeld des Niederdruck-Sammlers 10 verhindert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kälteanlage
- 1.1
- Kältemittelkreislauf
- 2
- Kältemittelverdichter
- 3
- Kondensator oder Gaskühler
- 4
- innerer Wärmeübertrager
- 5
- Expansionsorgan
- 6
- Verdampfer
- 10
- Niederdruck-Sammler
- 10.1
- Behälter des Niederdruck-Sammlers 10
- 10.10
- Eingangsanschluss des Niederdruck-Sammlers 10
- 10.11
- Ausgangsanschluss des Niederdruck-Sammlers 10
- 10.12
- Mantelfläche (Umfangsfläche) des Behälters 10.1
- 10.2
- elektrisches Heizelement
- 10.20
- Heizband
- 10.3
- Wasserabflussvorrichtung
- 10.30
- Abtauwassersammelbehälter
- 10.31
- trichterförmiger Boden des Abtauwassersammelbehälters 10.30
- 10.32
- Abflussschlauch des Abtauwassersammelbehälters 10.30
- 10.4
- Abtauwassersammeltrichter
- 10.40
- Abflussschlauch des Abtauwassersammeltrichters 10.4
- 10.5
- Abtauwassersammeltrichter
- 10.50
- Abflussöffnung des Abtauwassersammeltrichters 10.5
- 11
- Spannungsversorgungseinheit
- A
- Symmetrieachse des Abtauwassersammeltrichters 10.5
- R
- Strömungsrichtung des Kältemittels
- S
- Symmetrieachse des Niederdruck-Sammlers 10
