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Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager eines Kältemittelkreislaufes einer Fahrzeugklimaanlage, bei welcher der Kältemittelkreislauf für einen Betrieb sowohl im Kälteanlagenmodus als auch für einen Wärmepumpenmodus ausgebildet ist.
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Bei einem Betrieb eines Kältemittelkreislaufes im Luftwärmepumpenmodus wird der für den Kälteanlagenmodus betriebene Wärmeübertrager als Wärmepumpenverdampfer eingesetzt. Ferner sind nach dem Stand der Technik als Kondensatoren eingesetzte Wärmeübertrager mit einem Unterkühlungsabschnitt und einem integrierten Hochdruck-Kältemittelsammler ausgeführt. Im Kälteanlagenmodus wird das in dem Hochdruck-Kältemittelsammler abgeschiedene flüssige Kältemittel durch den Unterkühlungsabschnitt geleitet. Wird auch im Luftwärmepumpenmodus der Unterkühlungsabschnitt mit Kältemittel durchströmt, werden aufgrund der erheblich größeren Dichte des expandierten Kältemittels hohe Druckverluste erzeugt, die die Effizienz des Wärmepumpensystems negativ beeinflussen.
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Zur Lösung dieses Problems schlägt die
DE 10 2014 112 343 A1 einen Wärmeübertrager für einen Kältemittelkreislauf einer Fahrzeugklimaanlage vor, bei welcher der Kältemittelkreislauf sowohl in einem Kälteanlagenmodus als auch in einem Wärmepumpenmodus betreibbar ist. Dieser bekannte Wärmeübertrager weist einen Kondensationsbereich, einen Unterkühlungsabschnitt und einen Hochdruck-Kältemittelsammler auf, wobei der Kondensationsbereich zweiflutig und der Unterkühlungsabschnitt einflutig mittels in jeweils zwei Sammelrohren angeordneten Trennelementen ausgebildet ist. Im Kälteanlagenmodus wird das Kältemittel aus dem Kondensationsbereich über den Hochdruck-Kältemittelsammler in den Unterkühlungsabschnitt geleitet und von dort aus dem Wärmeübertrager abgeführt. Im Luftwärmepumpenmodus wird das aus dem Kondensationsbereich abgeführt Kältemittel nicht in den Hochdruck-Kältemittelsammler geführt, sondern über eine den Unterkühlungsabschnitt umgehende Bypassleitung einem Kältemittelanschluss des Unterkühlungsabschnittes zugeführt.
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Damit werden die Druckverluste im Wärmepumpenmodus verringert, jedoch ist ein entsprechend höherer konstruktiver und Bauraum beanspruchender Aufwand am und im Umfeld des Wärmeübertragers umzusetzen. Weiter schränken die Druckverluste hinsichtlich der Leistungsfähigkeit der Komponenten sowie einer maximalen Wärmeaufnahme durch das Kältemittel aus der Luft und damit das Verdampfungspotenzial des Kältemittels ein.
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Auch die
DE 11 2012 003 649 T5 beschreibt einen Wärmeübertrager eines Kältemittelkreislaufes einer Fahrzeugklimaanlage, bei welcher der Kältemittelkreislauf sowohl in einem Kälteanlagenmodus als auch in einem Wärmepumpenmodus betreibbar ist. Dieser Wärmeübertrager besteht aus einem einflutigen Kondensationsbereich und einem einflutigen Unterkühlungsabschnitt, wobei im Kälteanlagenmodus das Kältemittel zuerst durch den Kondensationsbereich und anschließend durch den Unterkühlungsabschnitt geführt wird, während im Wärmepumpenmodus nur der Kondensationsbereich durchströmt wird. In dem zugehörigen Kältemittelkreislauf ist ein Niederdruck-Kältemittelsammler stromaufwärts eines Kältemittelverdichters angeordnet.
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Ferner offenbart die
DE 10 2004 043 471 A1 ein Wärmeübertragermodul mit einem Kondensator, einem Unterkühler, einem Modulator als Hochdruck-Kältemittelsammler sowie einem Ölkühler zum Kühlen von Motoröl. Mit diesem Wärmeübertragermodul soll die Kapazität des Modulators vergrößert werden, ohne die maximalen Außenabmessungen des Wärmeübertragermoduls zu vergrößern. Um dies zu erreichen, werden der Kondensator, der Unterkühler und der Ölkühler im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung der Luft, die durch den Kondensator, den Unterkühler und den Ölkühler strömt, angeordnet.
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Schließlich ist aus der
DE 10 2019 200 846 A1 ein Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager eines Kältemittelkreislaufes einer Fahrzeugklimaanlage bekannt. Dieser Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager ist zweiflutig sowohl für einen Kälteanlagen-Betrieb als auch für einen Wärmepumpen-Betrieb ausgeführt. Zur Anpassung an den jeweils benötigten Kältemittelbedarf wird dieser Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager entweder einflutig oder zweiflutig mit Kältemittel durchströmt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Wärmeübertrager eines Kältemittelkreislaufes einer für den Betrieb sowohl im Kälteanlagenmodus als auch im Luftwärmepumpenmodus ausgebildeten Fahrzeugklimaanlage anzugeben, mit welchem eine maximale Wärmeleistung aus der Umgebungsluft übertragbar ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Ein solcher Wärmeübertrager eines Kältemittelkreislaufes einer für den Betrieb sowohl im Kälteanlagenmodus als auch im Wärmepumpenmodus ausgebildeten Fahrzeugklimaanlage umfasst folgende Komponenten:
- - einen Kondensationsbereich mit wenigstens einer Flut und einem ersten Kältem ittelanschluss,
- - einen Unterkühlungsabschnitt mit wenigstens einer Flut und mit einem zweiten Kältemittelanschluss,
- - einen Hochdruck-Kältemittelsammler, welcher zur Durchführung des Kälteanlagenmodus einerseits ein Ventilorgan zur Realisierung einer gerichteten Kältemittelströmung aus dem Kondensationsbereich in den Hochdruck-Kältemittelsammler und andererseits eine erste Ausgangsfluidverbindung zum Unterkühlungsabschnitt aufweist, wobei das Kältemittel über den ersten Kältemittelanschluss dem Kondensationsbereich zugeführt, aus dem Kondensationsbereichs über das Ventilorgan dem Hochdruck-Kältemittelsammler zugeführt, aus dem Hochdruck-Kältemittelsammler über die erste Ausgangsfluidverbindung dem Unterkühlungsabschnitt zugeführt und über den zweiten Kältemittelanschluss aus dem Unterkühlungsabschnitt abgeführt wird, und
- - ein Expansionsorgan, welches zur Durchführung des Luftwärmepumpenmodus zur Realisierung einer gerichteten Kältemittelströmung aus dem Unterkühlungsabschnitt in den Kondensationsbereich einerseits mit dem Hochdruck-Kältemittelsammler und andererseits mit dem Kondensationsbereich verbunden ist, wobei das Kältemittel mittels des zweiten Kältemittelanschlusses dem Unterkühlungsabschnitt zugeführt, aus dem Unterkühlungsabschnitt über die erste Ausgangsfluidverbindung dem Hochdruck-Kältemittelsammler zugeführt, aus dem Hochdruck-Kältemittelsammler über das Expansionsorgan in den Kondensationsbereichs geführt und über den ersten Kältemittelanschluss aus dem Kondensationsbereich abgeführt wird.
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Bei diesem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager wird auch im Wärmepumpenmodus, vorzugsweise im Luftwärmepumpenmodus zweiphasiges oder flüssiges Kältemittel in den Unterkühlungsabschnitt geführt, so dass hierdurch die Druckverluste niedrig bleiben. Entsprechend kann ein geringerer konstruktiver und Bauraum beanspruchender Aufwand am bzw. im Umfeld des Wärmeübertragers realisiert werden. Vergleichbar mit dem Kälteanlagenbetrieb wird auch im Luftwärmepumpenmodus die komplette Komponente durchströmt ohne Totvolumina durch etwaige Bypassvarianten zu schaffen. Speziell auf das Kältemittelmanagement bezogen ist eine Einlagerung von Kältemittel in inaktive Bauteilabschnitte ausgeschlossen.
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Wird der erfindungsgemäße Wärmeübertrager im Kälteanlagenmodus betrieben, bleibt die Unterkühlungs-Einstellbarkeit erhalten und somit ist auch der Effizienzvorteil bezüglich des Unterkühlungsabschnittes im Kälteanlagenmodus gewährleistet.
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Weiterbildungsgemäß ist das Expansionsorgan als thermisches oder elektrisches Expansionsventil ausgebildet. Alternativ ist eine rein mechanische Variante in der einfachsten Ausbildung als Rückschlagventil mit integrierter Fixdrossel (FOT) vorgesehen.
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Der Einsatz eines thermischen oder elektronischen Expansionsventils führt in vorteilhafter Weise dazu, dass gezielte Betriebszustände bzw. Kältemittelzustände am Eintritt oder Austritt der Kondensatorfläche, die im Luftwärmepumpenmodus einer Verdampfungsfläche entspricht, eingestellt werden können. Auf diese Weise können bspw. gezielt Vereisungsvermeidungskonzepte oder auch die Beeinflussung der Druckverluste zur Realisierung einer ganzflächigen Wärmeaufnahme aus der Umgebung umgesetzt werden.
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Der Vorteil einer Verwendung einer Fixdrossel (FOT) als Expansionsorgan besteht darin, dass mit diesem Kompromiss einer funktionalen Variante die Bauraum- sowie Kostensituation entspannt werden können.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Wärmeübertrager weitere folgende Komponenten umfasst:
- - ein erstes und zweites Sammelrohr mit jeweils mindestens einem Trennelement zur Unterteilung des Sammelrohrs in wenigstens zwei voneinander unabhängige Teilbereiche, derart dass der Kondensationsbereich zumindest einflutig und der Unterkühlungsabschnitt einflutig durchströmbar ist, wobei
- - der erste Kältemittelanschluss an dem den Strömungspfad des Kondensationsbereichs definierenden Teilbereich des ersten Sammelrohres angeordnet ist, und
- - der zweite Kältemittelanschluss an dem den Strömungspfad des Unterkühlungsabschnittes definierenden Teilbereich des ersten oder zweiten Sammelrohres angeordnet ist.
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Dies stellt einen standardmäßigen Aufbau des Wärmeübertragers dar, so dass kostengünstig marktübliche Komponenten einsetzbar und Gleichteilstrategien über eine breite Produktpalette umsetzbar sind.
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Nach einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Hochdruck-Kältemittelsammler mittels einer Eingangsfluidverbindung mit dem den Strömungspfad des Kondensationsbereichs definierenden Teilbereich des ersten Sammelrohres oder mit dem den Strömungspfad des Kondensationsbereichs definierenden Teilbereich des zweiten Sammelrohres verbunden, wobei das Ventilorgan im Bereich der Eingangsfluidverbindung angeordnet ist. Mit einer solchen Maßnahme wird ein handelsüblicher Wärmeübertrager kostengünstig zum erfindungsgemäßen Wärmeübertrager aufgerüstet.
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Ist nach der ersten Alternative der Hochdruck-Kältemittelsammler auf der gleichen Seite des Wärmeübertragers wie das erste Sammelrohr angeordnet, so weist der Kondensationsbereich eine gerade Anzahl an Fluten auf, ist also 2-flutig oder 4-flutig usw. Ist dagegen gemäß der zweiten Alternative der Hochdruck-Kältemittelsammler auf der gleichen Seite des Wärmeübertragers wie das zweite Sammelrohr angeordnet, so weist der Kondensationsbereich eine ungerade Anzahl an Fluten auf, ist also 1-flutig oder 3-flutig usw. Eine Variation der Flutigkeit ist eine Maßnahme in der Auslegung des Bauteils zur Beeinflussung von Druckverlust und Leistung und spielt insbesondere im Zusammenhang mit der Dimensionierung der Netzfläche eine Rolle. Mit zunehmender Netzfläche des Bauteils ist die Tendenz zu einem Anstieg der Flutigkeit gegeben.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Hochdruck-Kältemittelsammler eine zweite Ausgangsfluidverbindung aufweist, welche mit dem den Strömungspfad des Kondensationsbereichs definierten Teilbereich des ersten Sammelrohres oder mit dem den Strömungspfad des Kondensationsbereichs definierenden Teilbereich des zweiten Sammelrohres verbunden ist und in welcher das Expansionsorgan angeordnet ist. Diese beiden Alternativen korrespondieren mit den zuvor aufgeführten Alternativen hinsichtlich der Anordnung des Hochdruck-Kältemittelsammlers am ersten oder zweiten Sammelrohr.
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Auch diese Aufrüstungsmaßnahme ist ausgehend von einem handelsüblichen Wärmeübertrager kostengünstig realisierbar.
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Vorzugsweise ist das Expansionsorgan außerhalb des Hochdruck-Kältemittelsammlers demontierbar angeordnet, wobei bei demontiertem Expansionsorgan die zweite Ausgangsfluidverbindung des Hochdruck-Kältemittelsammlers mittels eines Adapters verschlossen und folglich inaktiv gesetzt wird. Das Expansionsorgan kann insbesondere direkt an dem Kältemittelsammler demontierbar angeordnet werden.
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Damit ist es in einfacher Weise möglich, entsprechend einem Baukastenprinzip den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager in einfacher Weise für den ausschließlichen Betrieb im Kälteanlagenmodus abzurüsten.
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Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager kann als kompakte Baugruppe aufgebaut werden, indem der Kondensationsbereich, der Unterkühlungsabschnitt und der Hochdruck-Kältemittelsammler mechanisch verbunden werden. Ferner ist es natürlich auch möglich, die Komponenten des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers, also den Kondensationsbereich zusammen mit dem Unterkühlungsabschnitt als Komponente, sowie die Komponenten Hochdruck-Kältemittelsammler, Ventilorgan sowie das Expansionsorgan über entsprechende Fluidleitungen zu verbinden.
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Für die Anordnung des Unterkühlungsabschnittes relativ zum Kondensationsbereich bestehen zwei Alternativen. So kann der Unterkühlungsabschnitt in Fahrzeughochrichtung gesehen entweder unterhalb oder oberhalb des Kondensationsbereichs des in einem Fahrzeug montierten Wärmeübertragers angeordnet werden. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass insbesondere die Unterkühlstrecke in einer Position zu liegen kommt, die in allen Betriebs- bzw. Fahrzuständen des eine solche Anlage aufweisenden Fahrzeugs einen möglichst der Umgebungstemperatur entsprechenden Luftstrom bei ggf. maximaler Luftmenge gewährleistet.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers,
- 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers in einer Teildarstellung,
- 3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers in einer Teildarstellung,
- 4 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers,
- 5 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers, und
- 6 ein beispielhaftes Schaltbild eines Kältemittelkreislaufes einer Fahrzeugklimaanlage mit einem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager gemäß den 1 bis 5.
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Der Wärmeübertrager 3 gemäß 1 ist ein Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager für einen Kältemittelkreislauf einer Fahrzeugklimaanlage, wobei dieser Kältemittelkreislauf sowohl für einen Kälteanlagenbetrieb als auch für einen Wärmepumpenbetrieb, insbesondere für einen Luft-Wärmepumpenbetrieb ausgebildet ist. Im Kälteanlagenbetrieb, kurz AC-Betrieb genannt, arbeitet der Wärmeübertrager 3 als Kondensator oder Gaskühler, während im Wärmepumpenbetrieb der Wärmeübertrager 3 die Funktion eines Verdampfers übernimmt.
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Der Wärmeübertrager 3 gemäß 1 weist zwischen einem ersten Sammelrohr 3.7 und einem zweiten Sammelrohr 3.8 einen Kondensationsbereich 3.1 und einen Unterkühlungsabschnitt 3.2 auf. Mehrere Wärmeübertragerrohre (in 1 nicht dargestellt) zwischen dem ersten Sammelrohr 3.7 und dem zweiten Sammelrohr 3.8 sind derart angeordnet, dass ein Ende eines Wärmeübertragerrohrs mit dem ersten Sammelrohr 3.7 und das andere Ende mit dem zweiten Sammelrohr 3.8 verbunden ist. Ein Trennelement 3.70 im ersten Sammelrohr 3.7 und ein Trennelement 3.80 im zweiten Sammelrohr 2.8 sind auf gleicher Höhe derart angeordnet, dass das erste Sammelrohr 3.7 bezogen auf die Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) im in ein Fahrzeug eingebauten Zustand in einen oberen Teilbereich 3.71 und einen unteren Teilbereich 3.72 geteilt wird. In entsprechender Weise wird auch das zweite Sammelrohr 3.8 in einen oberen Teilbereich 3.81 und einen unteren Teilbereich 3.82 geteilt.
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Die beiden oberen Teilbereiche 3.71 und 3.81 der beiden Sammelrohre 3.7 und 3.8 bilden zusammen mit den verbundenen Wärmeübertragerrohren den Kondensationsbereich 3.1, während die beiden unteren Teilbereiche 3.72 und 3.82 der beiden Sammelrohre 3.7 und 3.8 mit den damit verbundenen Wärmeübertragerrohren den Unterkühlungsabschnitt 3.2 bilden.
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Ein erster Kältemittelanschluss 3.10 ist am ersten Sammelrohr 3.7 in dessen oberen Teilbereich 3.71 angeordnet, über den Kältemittel dem Wärmeübertrager 3 zugeführt oder aus dem Wärmeübertrager 3 abgeführt wird.
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Ein zweiter Kältemittelanschluss 3.20 ist ebenso am ersten Sammelrohr 3.7, jedoch in dessen unteren Teilbereich 3.72 angeordnet, über den ebenfalls Kältemittel dem Wärmeübertrager zugeführt oder aus dem Wärmeübertrager 3 abgeführt wird.
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Der Wärmeübertrager 3 weist ferner einen Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 auf, welcher eine Eingangsfluidverbindung 3.31 und eine erste Ausgangsfluidverbindung 3.32 aufweist. Die Eingangsfluidverbindung 3.31 endet im oberen Teilbereich 3.81 des zweiten Sammelrohres 3.8 und weist ein als Rückschlagventil ausgebildetes Ventilorgan 3.4 auf. Dieses Ventilorgan 3.4 ist derart eingebaut, dass ausschließlich eine gerichtete Kältemittelströmung aus dem oberen Teilbereich 3.81 des zweiten Sammelrohres 3.8 in den Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 möglich ist. Die erste Ausgangsfluidverbindung 3.32 des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3 endet im unteren Teilbereich 3.82 des zweiten Sammelrohres 3.8, so dass Kältemittel aus dem Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 in den Unterkühlungsabschnitt 3.2 abströmen kann.
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Der Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 weist auch eine zweite Ausgangsfluidverbindung 3.33 auf, die im oberen Teilbereich 3.81 des zweiten Sammelrohres 3.8 endet. In dieser zweiten Ausgangsfluidverbindung 3.33 ist ein als rein mechanisches, thermisches oder elektrisches Expansionsventil 3.50 ausgebildetes absperrbares Expansionsorgan 3.5 angeordnet, so dass Kältemittel aus dem Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 über dieses Expansionsorgan 3.5 in den oberen Teilbereich 3.81 des zweiten Sammelrohres 3.8 strömen kann.
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Im Folgenden wird der Strömungsverlauf des Kältemittels im Wärmeübertrager 3 im AC-Betrieb und im Luft-Wärmepumpenbetrieb erläutert. Die Strömungsrichtung des Kältemittels im AC-Betrieb wird mit den in durchgezogenen Linien dargestellten Pfeilen angezeigt. Die mit gestrichelten Linien dargestellten Pfeile zeigen den Kältemittelfluss im Luft-Wärmepumpenbetrieb des Wärmeübertragers 3.
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Im AC-Betrieb tritt das auf Hochdruck verdichtete Kältemittel über den ersten Kältemittelanschluss 3.10 in den oberen Teilbereich 3.71 des ersten Sammelrohres 3.7 ein, strömt anschließend in den Kondensationsbereich 3.1, wo es abkühlt und/oder kondensiert und anschließend in den oberen Teilbereich 3.81 des zweiten Sammelrohres 3.8. Von dort strömt das Kältemittel über die Eingangsfluidverbindung 3.31 über das in Durchflussrichtung eingebaute und öffnende Ventilorgan 3.4 in den Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3. In dem Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 wird das flüssige Kältemittel von dem dampfförmigen Kältemittel getrennt, wobei sich das flüssige Kältemittel im unteren Bereich des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3 sammelt. Damit das flüssige Kältemittel von dort in den Unterkühlungsabschnitt 3.2 abfließen kann, ist die erste Ausgangsfluidverbindung 3.32 des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3 in dessen unteren Bereich bezogen auf die Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) angeordnet, welcher bzgl. der Höhe dem Bereich des Unterkühlungsabschnittes 3.2 entspricht. Das flüssige Kältemittel strömt aus dem Unterkühlungsabschnitt 3.2 in den unteren Teilbereich 3.72 des ersten Sammelrohres 3.7 und tritt über den zweiten Kältemittelanschluss 3.20 aus dem Wärmeübertrager 3 aus.
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Im Luft-Wärmepumpenbetrieb wird das auf Hochdruck verdichtete Kältemittel, welches zuvor bspw. über ein Heizregister eines Kältemittelkreislaufes Wärme an einen in einen Fahrzeuginnenraum geführten Zuluftstrom abgegeben hat und daher im hochdichten zweiphasigen oder flüssigen Zustand ist, dem zweiten Kältemittelanschluss 3.20 zugeführt. Aus dem unteren Teilbereich 3.72 des ersten Sammelrohres 3.2 strömt das Kältemittel über den Unterkühlungsabschnitt 3.2 in den unteren Teilbereich 3.82 des zweiten Sammelrohres 3.8 und von dort über die erste Ausgangsfluidverbindung 3.32 in den Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3. Über einen optionalen Prallkörper oder eine Segmentierungskomponente direkt im Anschluss an die erste Ausgangsfluidverbindung 3.32 kann im Bedarfsfall vermieden werden, dass zweiphasiges Kältemittel direkt in die zweite Ausgangsfluidverbindung 3.33 strömt.
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Aus dem Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 wird das flüssige Kältemittel in die zweite Ausgangsfluidverbindung 3.33 geleitet, wo es mittels des dort installierten Expansionsorgans 3.5 in den oberen Teilbereich 3.81 des zweiten Sammelrohres 3.8 entspannt wird. Ein Einströmen von Kältemittel in die erste Eingangsfluidverbindung 3.31 wird aufgrund des als Rückschlagventil ausgeführten Ventilorgans 3.4 verhindert.
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Aus dem oberen Teilbereich 3.81 des zweiten Sammelrohres 3.8 strömt das entspannte und gasförmige Kältemittel weiter in den Kondensationsbereich 3.1, der in diesem Fall als Verdampfer arbeitet, welcher Wärme aus der Umgebungsluft aufnimmt, und wird von dort in den oberen Teilbereich 3.71 des ersten Sammelrohres 3.7 geleitet. Über den ersten Kältemittelanschluss 3.10 tritt das dampfförmige Kältemittel aus dem Wärmeübertrager aus.
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Der mit dem Bezugszeichen K bezeichnete Bereich des Wärmeübertragers 3 ist in einer kompakten Bauweise ausgeführt. Dies bedeutet, dass der Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 zusammen mit dem Kondensationsbereich 3.1, dem Unterkühlungsabschnitt 3.2 und den zugehörigen Sammelrohren 3.7 und 3.8 in einer einzigen Baugruppe integriert sind. Hierbei ist das Expansionsorgan 3.5 innerhalb des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3 angeordnet, oder ist als Anbauteil mit dem Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 verbunden.
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Gemäß 1 ist der Unterkühlungsabschnitt 3.2 bezogen auf die Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) eines Fahrzeugs unterhalb des Kondensationsbereichs 3.1 angeordnet. Es ist auch möglich, den Unterkühlungsabschnitt 3.2 bezogen auf die Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) oberhalb des Kondensationsbereichs 3.1 anzuordnen. In diesem Fall verbindet die erste Ausgangsfluidverbindung 3.32 den unteren Bereich des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3 mit dem nunmehr oben liegenden Unterkühlungsabschnitt 3.2, wobei die Ausgangsfluidverbindung 3.32 als Steigrohr ausgebildet ist. Entsprechend dieser alternativen Ausführungsweise ist die Anpassung der Lage der Anschlüsse im Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 vorzunehmen.
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Das Ventilorgan 3.4 und das Expansionsorgan 3.5 können als 3/2-Wegeventil zusammengefasst werden, wobei in Abhängigkeit des Betriebsmodus unterschiedliche Strömungsrichtungen freigegeben werden.
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Die 2 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Wärmeübertragers 3 nach 1, wobei in 2 der Wärmeübertrager 3 mit den Komponenten zweites Sammelrohr 3.8 und Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 mit dem Ventilorgan 3.4 und dem Expansionsorgan 3.5 nur teilweise dargestellt ist.
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Im Unterschied zu dem Wärmeübertrager 3 nach 1 ist der Wärmeübertrager 3 nach 2 mit einer Fixdrossel (auch FOT (Fixed Orifice Tube) genannt) 3.51 anstelle eines thermischen oder elektrischen Expansionsventils 3.50 ausgebildet. Diese Fixdrossel 3.51 ist mit einer in Strömungsrichtung (gestrichelt dargestellt Pfeile) automatisch öffnender bzw. schließender Expansionsöffnung ausgeführt und daher schematisch als Rückschlagventil dargestellt, das eine zielführende Expansionsöffnung bei Durchfluss freigibt. Im AC-Modus ist ein Durchfluss von Kältemittel durch die zweite Ausgangsfluidverbindung 3.33 aufgrund der Sperrwirkung des Rückschlagventils gesperrt.
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Um den Wärmeübertrager gemäß den 1 und 2 für unterschiedliche Verwendungen in einem Kältemittelkreislauf einer Fahrzeugklimaanlage zu qualifizieren ist das Expansionsorgan 3.5 zusammen mit der zweiten Ausgangsfluidverbindung 3.33 als Anbauteil ausgeführt. Ein solcher Wärmeübertrager 3 ist entsprechend von 3 in einer Teildarstellung schematisch angedeutet. Bei einem solchen Wärmeübertrager 3 werden nach der Demontage des Expansionsorgans 3.5 und der zugehörigen zweiten Ausgangsfluidverbindung 3.33 die Anschlussöffnungen der zweiten Ausgangsfluidverbindung 3.33 mit dem Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 und dem oberen Teilbereich 3.81 des zweiten Sammelrohres 3.8 mittels Adaptern 3.61 und 3.62 verschlossen. Alternativ wird nur das Expansionsorgan 3.5 demontiert und durch einen einfachen, jedoch nicht dargestellten und weiter ausgeführten Verschlusskörper ein Kältemittefluss unterbunden, d. h. der Strömungsweg wird gesperrt.
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Dies bietet den Vorteil, dass bei einem Einsatz in einem Kältemittelkreislauf, welcher ausschließlich für einen AC-Betrieb ausgebildet ist, eine einfache Umrüstung des Wärmeübertragers 3 ermöglicht wird. Damit wird ein Baukastensystem realisiert, welches aus einem sogenannten Basis-Wärmeübertrager gemäß 3 besteht, welcher für den ausschließlichen AC-Betrieb einsetzbar ist und in einfacher Weise mittels des Expansionsorgans 3.5 der zugehörigen Ausgangsfluidverbindung 3.33 derart aufrüstbar ist, dass dieser sowohl für den AC-Betrieb als auch für den Luft-Wärmepumpenbetrieb geeignet ist.
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Falls bei dem Wärmeübertrager 3 gemäß 3 das Ventilorgan 3.4 zusammen mit der Eingangsfluidverbindung 3.31 derart in dem Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 mechanisch verbaut ist, dass in einfacher Weise ein Ausbau möglich ist, kann für den ausschließlichen Einsatz im AC-Betrieb auf das Ventilorgan 3.4 als Rückschlagventil verzichtet werden.
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Eine weitere alternative Ausführungsform eines Wärmeübertragers 3 zeigt 4, bei welcher der Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 an einem anderen Einbauort im Fahrzeug als der Kondensator mit Kondensationsbereich 3.1 und Unterkühlungsabschnitt 3.2, im folgenden SC (Subcool)-Kondensator 3.0 genannt, montiert ist.
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Der Kondensationsbereich 3.1 des Wärmeübertragers 3 gemäß den 1 bis 4 ist einflutig dargestellt. Es ist jedoch auch möglich diesen Kondensationsbereich 3.1 3-flutig, 5-flutig usw. auszuführen. Maßgebend ist hierbei, dass nach dem Durchströmen der letzten Flut des Kondensationsbereichs das Kältemittel in den oberen Teilbereich 3.81 des zweiten Sammelrohrs 3.8 eintritt.
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Gemäß 4 wird dieser SC-Kondensator 3.0 über drei externe und demontierbare Fluidleitungen 3.310, 3.320 und 3.330 mit dem Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 verbunden. Diese drei Fluidleitungen 3.310, 3.320 und 3.330 verbinden als demontierbare Kälteleitungen den SC-Kondensator 3.0 mit dem Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3. Die Fluidleitung 3.310 entspricht der Eingangsfluidverbindung 3.31 des Wärmeübertragers 3 nach 1 und enthält das als Rückschlagventil ausgebildete Ventilorgan 3.4. Die Fluidleitung 3.320 entspricht der ersten Ausgangsfluidverbindung 3.32 des Wärmeübertragers 3 nach 1. Schließlich entspricht die Fluidleitung 3.330 der zweiten Ausgangsfluidverbindung 3.33 und enthält das Expansionsorgan 3.5.
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Der Vorteil dieses Wärmeübertragers 3 gemäß 4 besteht darin, dass einerseits auf einfache Weise größere Sammelbehältervolumina abseits des Kühlerpaketes vorgesehen werden können. Andererseits ist durch reines Tauschen der Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 eine reine AC-Lösung bzw. die Luft-Wärmepumpenvariante eines Wärmeübertragers 3 darstellbar, die zumeist in einer solchen Ausführungsweise schraubbar umgesetzt werden kann.
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Eine letzte alternative Ausführungsform eines Wärmeübertragers 3 zeigt 5, bei welchem im Unterschied zum Wärmeübertrager 3 nach 1 der Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 nicht auf der Seite des Wärmeübertragers 3 wie das zweite Sammelrohr 3.8 angeordnet ist, sondern auf der gleichen Seite wie das erste Sammelrohr 3.7. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass der Kondensationsbereich 3.1 2-flutig, also mit einer ersten Flut 3.11 von einer zweiten Flut 3.12 ausgebildet ist und der zweite Kältemittelanschluss 3.20 im unteren Teilbereich 3.82 des zweiten Sammelrohres 3.8 angeordnet ist.
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Im Detail ist dieser Wärmeübertrager 3 nach 5 folgendermaßen aufgebaut:
- Der Wärmeübertrager 3 gemäß 5 weist zwischen einem ersten Sammelrohr 3.7 und einem zweiten Sammelrohr 3.8 den 2-einflutigen Kondensationsbereich 3.1 und einen Unterkühlungsabschnitt 3.2 auf. Mehrere Wärmeübertragerrohre (in 5 nicht dargestellt) zwischen dem erstens Sammelrohr 3.7 und dem zweiten Sammelrohr 3.8 sind derart angeordnet, dass ein Ende eines Wärmeübertragerrohrs mit dem ersten Sammelrohr 3.7 und das andere Ende mit dem zweiten Sammelrohr 3.8 verbunden ist.
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Das erste Sammelrohr 3.7 weist ein erstes Trennelement 3.70 und ein zweites Trennelement 3.70' auf, während das zweite Sammelrohr 3.8 ein einziges Trennelement 3.80 aufweist. Das in Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) gesehen unterste Trennelement 3.70 des ersten Sammelrohres 3.7 bildet zusammen mit dem in der Regel in gleicher Höhe angeordneten Trennelement 3.80 den Unterkühlungsabschnitt 3.2. Das weitere Trennelement 3.70` trennt den Raum oberhalb des Trennelementes 3.70 zur Bildung des 2-einflutigen Kondensationsbereichs 3.1 in zwei Teilbereiche 3.71 und 3.71'.
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Damit bilden die beiden oberen Teilbereiche 3.71 und 2.71' des ersten Sammelrohres 3.7 und der obere Teilbereich 3.81 des zweiten Sammelrohres 3.8 zusammen mit den verbundenen Wärmeübertragerrohren den Kondensationsbereich 3.1 mit den beiden Fluten 3.11 und 3.12, während die beiden unteren Teilbereiche 3.72 und 3.82 der beiden Sammelrohre 3.7 und 3.8 mit den damit verbundenen Wärmeübertragerrohren den Unterkühlungsabschnitt 3.2 bilden.
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Ein erster Kältemittelanschluss 3.10 ist am ersten Sammelrohr 3.7 in dessen obersten Teilbereich 3.71 angeordnet, über den Kältemittel dem Wärmeübertrager 3 zugeführt oder aus dem Wärmeübertrager 3 abgeführt wird.
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Ein zweiter Kältemittelanschluss 3.20 ist am zweiten Sammelrohr 3.8, jedoch in dessen unteren Teilbereich 3.82 angeordnet, über den ebenfalls Kältemittel dem Wärmeübertrager zugeführt oder aus dem Wärmeübertrager 3 abgeführt wird.
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Der Wärmeübertrager 3 weist ferner einen Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 auf, welcher eine Eingangsfluidverbindung 3.31 und eine erste Ausgangsfluidverbindung 3.32 aufweist. Die Eingangsfluidverbindung 3.31 endet im direkt über dem Unterkühlungsabschnitt 3.2 angeordneten Teilbereich 3.71' des ersten Sammelrohres 3.7 und ist verbunden mit der Flut 3.12 des Kondensationsbereichs 3.1 und weist ein als Rückschlagventil ausgebildetes Ventilorgan 3.4 auf. Dieses Ventilorgan 3.4 ist derart eingebaut, dass ausschließlich eine gerichtete Kältemittelströmung aus dem oberen Teilbereich 3.71' des ersten Sammelrohres 3.7 in den Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 möglich ist. Die erste Ausgangsfluidverbindung 3.32 des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3 endet im unteren Teilbereich 3.72 des ersten Sammelrohres 3.7, so dass Kältemittel aus dem Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 in den Unterkühlungsabschnitt 3.2 abströmen kann.
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Der Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 weist auch eine zweite Ausgangsfluidverbindung 3.33 auf, die im direkt über dem Unterkühlungsabschnitt 3.2 angeordneten Teilbereich 3.7 V des ersten Sammelrohres 3.7 endet und mit der Flut 3.12 des Kondensationsbereichs 3.1 in Verbindung steht. In dieser zweiten Ausgangsfluidverbindung 3.33 ist ein als rein mechanisches, thermisches oder elektrisches Expansionsventil 3.50 ausgebildetes absperrbares Expansionsorgan 3.5 angeordnet, so dass Kältemittel aus dem Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 über dieses Expansionsorgan 3.5 in den oberen Teilbereich 3.71' des ersten Sammelrohres 3.7 strömen kann.
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Im Folgenden wird der Strömungsverlauf des Kältemittels im Wärmeübertrager 3 im AC-Betrieb und im Luft-Wärmepumpenbetrieb erläutert. Die Strömungsrichtung des Kältemittels im AC-Betrieb wird mit den in durchgezogenen Linien dargestellten Pfeilen angezeigt. Die mit gestrichelten Linien dargestellten Pfeile zeigen den Kältemittelfluss im Luft-Wärmepumpenbetrieb des Wärmeübertragers 3.
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Im AC-Betrieb tritt das auf Hochdruck verdichtete Kältemittel über den ersten Kältemittelanschluss 3.10 in den obersten, die Flut 3.11 des Kondensationsbereichs 3.1 definierenden Teilbereich 3.71 des ersten Sammelrohres 3.7 ein, strömt anschließend durch die beiden Fluten 3.11 und 3.12 des Kondensationsbereich 3.1, wo es abkühlt und/oder kondensiert und anschließend in den oberen Teilbereich 3.71' des ersten Sammelrohres 3.7. Von dort strömt das Kältemittel über die Eingangsfluidverbindung 3.31 über das in Durchflussrichtung eingebaute und öffnende Ventilorgan 3.4 in den Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3. In dem Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 wird das flüssige Kältemittel von dem dampfförmigen Kältemittel getrennt, wobei sich das flüssige Kältemittel im unteren Bereich des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3 sammelt. Damit das flüssige Kältemittel von dort in den Unterkühlungsabschnitt 3.2 abfließen kann, ist die erste Ausgangsfluidverbindung 3.32 des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3 in dessen unteren Bereich bezogen auf die Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) angeordnet, welcher bzgl. der Höhe dem Bereich des Unterkühlungsabschnittes 3.2 entspricht. Das flüssige Kältemittel strömt aus dem Unterkühlungsabschnitt 3.2 in den unteren Teilbereich 3.82 des zweiten Sammelrohres 3.8 und tritt über den zweiten Kältemittelanschluss 3.20 aus dem Wärmeübertrager 3 aus.
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Im Luft-Wärmepumpenbetrieb wird das auf Hochdruck verdichtete Kältemittel, welches zuvor bspw. über ein Heizregister eines Kältemittelkreislaufes Wärme an einen in einen Fahrzeuginnenraum geführten Zuluftstrom abgegeben hat und daher im hochdichten zweiphasigen oder flüssigen Zustand ist, dem zweiten Kältemittelanschluss 3.20 zugeführt. Aus dem unteren Teilbereich 3.82 des zweiten Sammelrohres 3.8 strömt das Kältemittel über den Unterkühlungsabschnitt 3.2 in den unteren Teilbereich 3.72 des ersten Sammelrohres 3.7 und von dort über die erste Ausgangsfluidverbindung 3.32 in den Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3. Über einen optionalen Prallkörper oder eine Segmentierungs- bzw. Umlenkungskomponente direkt im Anschluss an die erste Ausgangsfluidverbindung 3.32 kann im Bedarfsfall vermieden werden, dass zweiphasiges Kältemittel direkt in die zweite Ausgangsfluidverbindung 3.33 strömt.
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Aus dem Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 wird das flüssige Kältemittel in die zweite Ausgangsfluidverbindung 3.33 geleitet, wo es mittels des dort installierten Expansionsorgans 3.5 in den mit der Flut 3.12 des Kondensationsbereichs 3.1 in Verbindung stehenden Teilbereich 3.71' des ersten Sammelrohres 3.7 entspannt wird. Ein Einströmen von Kältemittel in die erste Eingangsfluidverbindung 3.31 wird aufgrund des als Rückschlagventil ausgeführten Ventilorgans 3.4 verhindert.
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Aus dem oberen Teilbereich 3.7 V des ersten Sammelrohres 3.7 strömt das entspannte und gasförmige Kältemittel weiter in die Flut 3.12 und anschließend in die Flut 3.11 des Kondensationsbereichs 3.1, der in diesem Fall als Verdampfer arbeitet, wo Wärme aus der Umgebungsluft aufgenommen wird. Das Kältemittel strömt aus der Flut 3.11 in den obersten Teilbereich 3.71 des ersten Sammelrohres 3.7 und tritt von dort über den ersten Kältemittelanschluss 3.10 aus dem Wärmeübertrager aus.
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Gemäß 5 ist der Unterkühlungsabschnitt 3.2 bezogen auf die Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) eines Fahrzeugs unterhalb des Kondensationsbereichs 3.1 angeordnet. Es ist auch möglich, den Unterkühlungsabschnitt 3.2 bezogen auf die Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) oberhalb des Kondensationsbereichs 3.1 anzuordnen. In diesem Fall verbindet die erste Ausgangsfluidverbindung 3.32 den unteren Bereich des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3 mit dem nunmehr oben liegenden Unterkühlungsabschnitt 3.2, wobei die erste Ausgangsfluidverbindung 3.32 als Steigrohr ausgebildet ist. Entsprechend dieser alternativen Ausführungsweise ist die Anpassung der Lage der Anschlüsse im Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 vorzunehmen.
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Der Kondensationsbereich 3.1 des Wärmeübertragers 3 gemäß den 5 ist 2-flutig dargestellt. Es ist jedoch auch möglich diesen Kondensationsbereich 3.1 4-flutig oder 6-flutig usw. auszuführen. Maßgebend ist hierbei, dass nach dem Durchströmen der letzten Flut des Kondensationsbereichs das Kältemittel in den untersten Teilbereich 3.71' des ersten Sammelrohrs 3.7 eintritt.
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Die in Bezug auf den Wärmeübertrager 3 nach 1 beschriebenen alternativen Ausführungsformen sind natürlich auch bei dem Wärmeübertrager 3 gemäß 5 realisierbar.
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Schließlich ist es auch möglich, den Unterkühlungsabschnitt 3.2 des Wärmeübertragers 3 gemäß den 1 bis 5 mehrflutig auszuführen. In Abhängigkeit der Flutigkeit des Unterkühlungsabschnittes 3.2 und des Kondensationsbereichs 3.1 befindet sich der zweite Kältemittelanschluss 3.20 entweder am ersten Sammelrohr 3.7 oder am zweiten Sammelrohr 3.8.
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Das Ventilorgan 3.4 und das Expansionsorgan 3.5 können als 3/2-Wegeventil zusammengefasst werden, wobei in Abhängigkeit des Betriebsmodus unterschiedliche Strömungsrichtungen freigegeben werden.
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Auf die Darstellung weiterer in der Regel im Wärmeübertrager 3 gemäß den 1 bis 5 untergebrachter Einzelkomponenten wie bspw. Siebe und Filter wird verzichtet, da diese für das Grundkonzept der Bauteilfunktion eine untergeordnete Rolle spielen.
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Darüber hinaus wurde auch auf die Berücksichtigung und Einbindung von Sensorik verzichtet, die jedoch im Bedarfsfall an den entsprechenden Stellen zu berücksichtigen ist, wie es bspw. ein Druck- und/oder Temperatursensor stromabwärts des Expansionsorgans 3.5 sein kann, um auf diese Weise den Eintrittszustand, insbesondere jedoch die Temperatur des Kältemittels in Bezug auf die erfasste Umgebungstemperatur passend einzustellen. Der Grundfunktion der Komponente und ihr Durchströmungsprinzip ist die Sensorik in Analogie der oben erwähnten Zusatzbauteile untergeordnet.
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Die 6 zeigt die Schaltungsanordnung eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 3 gemäß den 1 bis 5 in einem Kältemittelkreislauf 2 einer Fahrzeugklimaanlage 1.
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Der in 6 dargestellte Kältemittelkreislauf 2 ist sowohl in einem Kälteanlagenbetrieb (kurz AC-Betrieb genannt) als auch in einem Wärmepumpenbetrieb als Heizbetrieb und in einem Reheat-Betrieb betreibbar.
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Der Heizbetrieb wird entweder mit einem als Verdampfer eingesetzten und entsprechend den 1 bis 5 aufgebauten äußeren Wärmeübertrager 3 oder mit einem Chiller 7 durchgeführt, welcher mit einem Kühlmittelkreislauf 7.0 zur Kühlung, bspw. einer Hochvoltbatterie thermisch verbunden ist. Mit dem Chiller 7 wird ein Fluid-Wärmepumpenbetrieb mit bspw. einem Wasser-Glykol-Gemisch als Fluid durchgeführt, während der äußere Wärmeübertrager 3 als Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager für den Luft-Wärmepumpenbetrieb eingesetzt wird.
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Für den Heizbetrieb ist in einem Heizzweig 2.2 ein als Wärmequelle arbeitender Wärmeübertrager 5 angeordnet, mit welchem ein Zuluftstrom L direkt durch ein Heizregister oder indirekt durch einen indirekten Kondensator oder indirekten Gaskühler erwärmbar ist. Der Wärmeübertrager 5 kann als Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager oder als Wasser-Kältemittel-Wärmeübertrager ausgeführt werden.
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Dieser Wärmeübertrager 5 ist zusammen mit einem Innenraum-Verdampfer 4 in einem Klimagerät 1.1 verbaut, wobei zur Konditionierung des in einen Fahrzeuginnenraum geführten Zuluftstroms L dieser zunächst über den Innenraum-Verdampfer 4 und anschließend über den Wärmeübertrager 5 geführt ist.
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Ferner ist in dem Klimagerät 1.1 gemäß 6 in dem Zuluftstrom L stromabwärts des Wärmeübertragers 5 beispielhaft ein Hochvolt-PTC-Zuheizer als elektrisches Heizelement 8 angeordnet.
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Der Kältemittelkreislauf 2 gemäß 6 besteht aus folgenden Komponenten:
- - dem Klimagerät 1.1 mit dem Innenraum-Verdampfer 4 und dem Wärmeübertrager 5 als Heizregister, wobei der Innenraum-Verdampfer 4 in einem Verdampferzweig 4.1 und der Wärmeübertrager 5 in einem Heizzweig 2.2 angeordnet ist,
- - einem Kältemittelverdichter 6,
- - einem gemäß den 1 bis 5 ausgebildeten äußeren Wärmeübertrager 3 als zweiflutigen Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager mit einem Kondensationsbereich 3.1 und einem Unterkühlungsabschnitt 3.2,
- - einem inneren Wärmeübertrager 9,
- - einem in dem Verdampferzweig 4.1 angeordneten und dem Innenraum-Verdampfer 4 stromaufwärtsseitig vorgeschalteten Verdampfer-Expansionsorgan AE1,
- - einem dem Verdampferzweig 4.1 nachgeschalteten Rückschlagventil R1, welches über den niederdruckseitigen Abschnitt des inneren Wärmeübertragers 9 mit der Saugseite des Kältemittelverdichters 6 fluidverbunden ist,
- - einem Chiller-Zweig 7.1 mit dem Chiller 7, einem diesem vorgeschalteten Chiller-Expansionsorgan AE2, wobei der Chiller 7 neben der Kühlung bspw. einer elektrischen Komponente des Fahrzeugs auch zur Realisierung einer Wasser-Wärmepumpenfunktion unter Nutzung der Abwärme mindestens einer elektrischen Komponente eingesetzt wird,
- - einem AC- und Wärmepumpenzweig 2.1, welcher einerseits mit dem zweiten Kältemittelanschluss 3.20 des äußeren Wärmeübertrager 3 und über den hochdruckseitigen Abschnitt des inneren Wärmeübertragers 9 unter Bildung eines Abzweigpunktes Ab1 mit dem Verdampferzweig 4.1 und dem Chillerzweig 7.1 verbunden ist, so dass im AC-Betrieb der AC- und Wärmepumpenzweig 2.1 stromaufwärts des Wärmeübertragers 3 über ein Absperrventil A4 mit dem Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters 6 fluidverbindbar ist und stromabwärts über den hochdruckseitigen Abschnitt des inneren Wärmeübertragers 9 und den Abzweigpunkt Ab1 mit dem Verdampferzweig 4.1 und dem Chillerzweig 7.1 fluidverbindbar ist,
- - einem Heizzweig 2.2 mit dem Wärmeübertrager 5, wobei der Heizzweig 2.2 stromaufwärts über ein Absperrventil A3 mit dem Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters 6 und stromabwärts über ein Absperrventil A1 mit dem Abzweigpunkt Ab1 und damit mit dem Verdampferzweig 4.1 und dem Chillerzweig 7.1 fluidverbindbar ist,
- - einem Reheatzweig 2.3 mit einem Reheat-Expansionsorgan AE3, wobei dieser Reheatzweig 2.3 stromabwärts mit dem ersten Kältemittelanschluss 3.10 des Wärmeübertragers 3 unter Bildung eines Abzweigpunktes Ab2 und stromaufwärts mit dem Heizzweig 2.2, also dem Wärmeübertrager 5 fluidverbunden ist,
- - einem Wärmepumpenrückführzweig 2.4 mit dem Absperrventil A2 und einem Rückschlagventil R2, wobei der Wärmepumpenrückführzweig 2.4 stromaufwärts mit dem äußeren Wärmeübertrager 3, also mit dessen erstem Kältemittelanschluss 3.10 und stromabwärts mit dem niederdruckseitigen Abschnitt des inneren Wärmeübertragers 9 fluidverbindbar ist, und
- - einem Absaugzweig 2.5 mit einem Absperrventil A5, wobei der Absaugzweig 2.5 stromabwärts über einen Abzweigpunkt Ab3 mit dem Absperrventil A2 und dem Rückschlagventil R2 des Wärmepumpenrückführzweiges 2.4 fluidverbunden ist.
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Mit den beiden Absperrventilen A3 und A4 wird der Kältemittelstrom, ausgehend von der Hochdruckseite des Kältemittelverdichters 6, in Abhängigkeit des Zustandes dieser beiden Absperrventile A3 und A4 entweder bei offenem Absperrventil A4 und gesperrtem Absperrventil A3 in den äußeren Wärmeübertrager 3 zur Durchführung eines AC-Betriebs geleitet oder strömt bei offenem Absperrventil A3 und geschlossenem Absperrventil A4 zur Durchführung eines Heizbetriebs mittels einer Wärmepumpenfunktion in den Heizzweig 2.2.
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Im AC-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 1 strömt das auf Hochdruck verdichtete Kältemittel ausgehend von dem Kältemittelverdichter 6 bei offenem Absperrventil A4 über den ersten Kältemittelanschluss 3.10 in den Kondensationsbereich 3.1 des Wärmeübertragers 3, anschließend über das als Rückschlagventil ausgeführt Ventilorgan 3.4 in den Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 und schließlich über den Unterkühlungsabschnitt 3.2 aus dem zweiten Kältemittelanschluss 3.20 in den Hochdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 9 und wird schließlich mittels des Verdampfer-Expansionsorgans AE1 in den Innenraum-Verdampfer 4 und/oder mittels des Chiller-Expansionsorgans AE2 in den Chiller 7 entspannt. Aus dem Chiller-Zweig 7.1 strömt das Kältemittel in den Niederdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 9 zurück zum Kältemittelverdichter 6, während das Kältemittel aus dem Verdampferzweig 4.1 über das Rückschlagventil R1 strömt und anschließend in den Niederdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 9 ebenso zurück zum Kältemittelverdichter 6 fließen kann.
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In diesem AC-Betrieb ist der Heizzweig 2.2 mittels des Absperrventils A3 abgesperrt. Zur Rückholung von Kältemittel aus dem inaktiven Heizzweig 2.2 wird das Absperrventil A5 des Absaugzweiges 2.5 geöffnet und das Kältemittel kann über das Absperrventil A5 und das Rückschlagventil R2 bei gleichzeitig geschlossenem Absperrventil A2 in Richtung des Kältemittelverdichters 6 strömen.
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Ein Heizbetrieb in Form eines Wärmpumpenbetriebs des Kältemittelkreislaufs 2 der Fahrzeugklimaanlage 1 wird mittels wenigstens einer Wärmequelle durchgeführt.
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Im Wärmepumpenbetrieb des Kältemittelkreislaufes 2 gemäß 6 wird ein dem Fahrzeuginnenraum zugeführte Zuluftstrom L mittels des Wärmeübertragers 5 erwärmt und anschließend über das elektrische Heizelement 8 geführt, bevor der Zuluftstrom L in den Fahrzeuginnenraum strömen kann. Mit dem elektrischen Heizelement 8 wird der Zuluftstrom L bei Bedarf zusätzlich erwärmt.
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Im Heizbetrieb des Kältemittelkreislaufs 2 wird unter Einsatz des Wärmeübertragers 3 als Wärmepumpenverdampfer zur Realisierung einer Luft-Wärmepumpe oder unter Einsatz des Chillers 7 zur Realisierung einer Wasser-Wärmepumpe das Absperrventil A4 geschlossen und das Absperrventil A3 geöffnet, so dass heißes Kältemittel, wie bspw. R1234yf in den Heizzweig 2.2 strömen kann.
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Zur Durchführung der Heizfunktion mittels des Wärmeübertragers 3 als Wärmepumpenverdampfer strömt das Kältemittel aus dem Wärmeübertrager 5 bei geöffnetem Absperrventil A1 und geschlossenem Reheat-Expansionsorgan AE3 in den AC- und Wärmepumpenzweig 2.1 und von dort über den zweiten Kältemittelanschluss 3.20 in den Unterkühlungsabschnitt 3.2 des Wärmeübertragers 3. Mittels des als Wärmepumpen-Expansionsventil fungierenden Expansionsorgan 3.5 wird das Kältemittel zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft in den Kondensationsbereich 3.1 entspannt und strömt anschließend über den ersten Kältemittelanschluss 3.10 in den Wärmepumpenrückführzweig 2.4 und anschließend zurück zum Kältemittelverdichter 6. Die Expansionsorgane AE1 und AE2 bleiben dabei geschlossen, ebenso das Absperrventil A5.
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Zur Durchführung der Heizfunktion mittels des Chillers 7 strömt das mittels des Kältemittelverdichters 6 verdichtete Kältemittel über den Heizzweig 2.2 in den Wärmeübertrager 5 zur Abgabe von Wärme an den Zuluftstrom L und wird anschließend über das geöffnete Absperrventil A1 mittels des Chiller-Expansionsorgans AE2 in den Chiller 7 zur Aufnahme von Abwärme der in dem Kühlmittelkreislauf 7.0 angeordneten elektrischen und/oder elektronischen Komponenten entspannt. Bei dieser Heizfunktion sind das Reheat-Expansionsorgan AE3 und das Absperrventil A5 geschlossen, während das Absperrventil A2 geöffnet ist. Über das Absperrventil A2 wird im Wasser-Wärmepumpenbetrieb ausgelagertes Kältemittel aus dem AC- und Wärmepumpenzweig 2.1 absaugt und über das Rückschlagventil R2 dem Kältemittelverdichter 6 zugeführt. In diesem Heizbetrieb verhindert das Rückschlagventil R1 ein Einströmen von Kältemittel in den Verdampferzweig 4.1 ermöglich aber andererseits, bei entsprechender Niederdrucklage ein Absaugen von Kältemittel aus dem Verdampferzweig 4.1.
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Wird ein Kombinationsbetrieb aus Wasser- und Luft-Wärmepumpe realisiert, so ist neben dem Expansionsorgan 3.5 des Wärmeübertragers 3 auch das Chiller-Expansionsorgan AE2 über ein Steuergerät aktiv mit eingebunden und beide werden zur Einstellung und zum Erreichen der Zielgrößen entsprechend angesteuert.
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Bei einem Reheat-Betrieb wird der in den Fahrzeuginnenraum zugeführte Zuluftstrom L mittels des Innenraum-Verdampfers 4 zunächst gekühlt und damit entfeuchtet, um anschließend mit der dem Zuluftstrom L entzogenen Wärme sowie der dem Kältemittel über den Kältemittelverdichter 6 zugeführten Wärme mittels des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 5 den Zuluftstrom L zumindest teilweise wieder zu erwärmen.
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Ein Reheat-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 1 wird in Abhängigkeit der Wärmebilanz auf unterschiedliche Weise durchgeführt.
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So werden bei ausreichender Heizleistung im Kältemittelkreislauf 2 der Wärmeübertrager 5 und der Innenraum-Verdampfer 4 mit Kältemittel durchströmt, indem der Wärmeübertrager 5 stromabwärtsseitig mittels des geöffneten Ventilorgans A1 über das Verdampfer-Expansionsorgan AE1 mit dem Innenraum-Verdampfer 4 fluidverbunden wird, wobei das dem Chiller 7 zugeordnete Chiller-Expansionsorgan AE2 und ebenso wie das Expansionsorgan 3.5 des Wärmeübertragers 3 gesperrt ist. Aus dem Innenraum-Verdampfer 4 strömt das Kältemittel über das Rückschlagventil R1 in den niederdruckseitigen Abschnitt des inneren Wärmeübertrager 9 wieder zurück zum Kältemittelverdichter 6.
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Bei einem Wärmemangel im Kältemittelkreislauf 2, d.h. bei einem Heizleistungsdefizit am Wärmeübertrager 5, werden zur Wärmeaufnahme zusätzlich zum Innenraum-Verdampfer 4 auch der Chiller 7 durch Öffnen des Chiller-Expansionsorgans AE2 und/oder der äußere Wärmeübertrager 3 als Wärmepumpenverdampfer parallel geschaltet.
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Bei einem Wärmeüberschuss im Reheat-Betrieb wird neben der Wärmeabgabe an den Zuluftstrom L über den Wärmeübertrager 5 zusätzlich über den äußeren Wärmeübertrager 3 Wärme an die Umgebung des Fahrzeugs abgegeben, bevor das Kältemittel über den Innenraum-Verdampfer 4 wieder zurück zum Kältemittelverdichter 6 strömt. Hierzu kann bei Bedarf mittels des Reheat-Expansionsorgans AE3 das Kältemittel zur Kondensation auf einen über dem Verdampfungsdruck liegenden Zwischendruck entspannt und anschließend mittels des Verdampfer-Expansionsorgans AE1 in den Innenraum-Verdampfer 4 auf Niederdruck expandiert werden.
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BEZUGSZEICHEN
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- 1
- Fahrzeugklimaanlage
- 1.1
- Klimagerät
- 2
- Kältemittelkreislauf der Fahrzeugklimaanlage 1
- 2.1
- AC- und Wärmepumpenzweig
- 2.2
- Heizzweig
- 2.3
- Reheatzweig
- 2.4
- Wärmepumpenrückführzweig
- 2.5
- Absaugzweig
- 3
- Wärmeübertrager
- 3.0
- SC-Kondensator
- 3.1
- Kondensationsbereich des Wärmeübertragers 3
- 3.10
- erster Kältemittelanschluss des Kondensationsbereichs 3.1
- 3.11
- erste Flut des Kondensationsbereichs 3.1
- 3.12
- zweite Flut des Kondensationsbereichs 3.1
- 3.2
- Unterkühlungsabschnitt des Wärmeübertragers 3
- 3.20
- zweite Kältemittelanschluss des Unterkühlungsabschnittes 3.2
- 3.3
- Hochdruck-Kältemittelsammler
- 3.31
- Eingangsfluidverbindung des Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3
- 3.310
- Fluidleitung
- 3.32
- erste Ausgangsfluidverbindung des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3
- 3.320
- Fluidleitung
- 3.33
- zweite Ausgangsfluidverbindung des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3
- 3.330
- Fluidleitung
- 3.4
- Ventilorgan
- 3.5
- Expansionsorgan des Wärmeübertragers 3
- 3.50
- thermisches oder elektrisches Expansionsventil
- 3.51
- Fixdrossel
- 3.61
- Adapter
- 3.62
- Adapter
- 3.7
- erstes Sammelrohr des Wärmeübertragers 3
- 3.70
- Trennelement des ersten Sammelrohres 3.7
- 3.70'
- Trennelement des ersten Sammelrohres 3.7
- 3.71
- Teilbereich des ersten Sammelrohres 3.7
- 3.71'
- Teilbereich des ersten Sammelrohres 3.7
- 3.72
- Teilbereich des ersten Sammelrohres
- 3.8
- zweites Sammelrohr des Wärmeübertragers 3
- 3.80
- Trennelement des zweiten Sammelrohres
- 3.81
- Teilbereich des zweiten Sammelrohres
- 3.82
- Teilbereich des zweiten Sammelrohres
- 4
- Innenraum-Verdampfer
- 4.1
- Verdampferzweig
- 5
- Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager
- 6
- Kältemittelverdichter
- 7
- Chiller
- 7.0
- Kühlmittelkreislauf des Chillers 8
- 7.1
- Chillerzweig
- 8
- elektrisches Heizelement
- 9
- innerer Wärmeübertrager
- A1
- Absperrventil
- A2
- Absperrventil
- A3
- Absperrventil
- A4
- Absperrventil
- A5
- Absperrventil
- Ab1
- Abzweigpunkt
- Ab2
- Abzweigpunkt
- Ab3
- Abzweigpunkt
- AE1
- absperrbares Verdampfer-Expansionsorgan
- AE2
- absperrbares Chiller-Expansionsorgan
- AE3
- absperrbares Reheat-Expansionsorgan
- K
- Teilbereich des Wärmeübertragers 3
- R1
- Rückschlagventil
- R2
- Rückschlagventil
