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FACHGEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen fahrzeuginternen Wärmetauscher einer Wärmepumpe eines Fahrzeugs sowie ein Element zur Verbindung eines Sammlerpaares des Wärmetauschers.
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STAND DER TECHNIK
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In der Patentliteratur 1 wird ein Wärmetauscher einer Klimaanlage in der Art einer Wärmepumpe eines motorisierten Fahrzeugs offenbart. Bei diesem (als Kondensator oder Verdampfer fungierenden) Wärmetauscher sind zwei Sammler miteinander derart verbunden, dass sie mit derselben Endseite der vor- und nachgeschalteten Rohrgruppen verbunden sind, die jeweils eine Vielzahl aufeinander gestapelter Kühlmittel-Zirkulationsrohre aufweisen. Teile der Innenräume der beiden Sammler sind über ein Verbindungselement miteinander verbunden.
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Damit wird zur Verbesserung der Effizienz des Wärmeaustausches mit der geblasenen Luft eine Gegenstromstruktur gebildet, bei der ein aus der vorgeschalteten Rohrgruppe eingeflogenen Kühlmittels in Richtung der nachgeschalteten Rohrgruppe fließt.
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Bei der Verwendung als fahrzeuginterner Wärmetauscher lässt sich die Temperatur der ins Fahrzeuginnere hineingeblasenen (Warm- oder Kalt-)Luft vereinheitlichen.
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LITERATURVERZEICHNIS
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PATENTLITERATUR
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- PATENTLITERATUR 1: JP 11-142087 A
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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AUFGABEN DER ERFINDUNG
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Wie nachfolgend beschrieben, gibt es eine mögliche Herangehensweise, bei der ein fahrzeuginterner Wärmetauscher als Kondensator zum Wärmen und Blockieren einer Lufteinlassöffnung bei der Kühlung eingesetzt wird, damit das Kühlmittel in Gasform fließt und kaum ein Wärmeaustausch mit der Luft stattfindet. Bei dieser Herangehensweise können gegenüber der Struktur, bei der das Kühlmittel bei der Kühlung den fahrzeuginternen Wärmetauscher umgeht, die Kosten reduziert werden.
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Wird der in der Patentliteratur 1 beschriebene Wärmetauscher bei dieser Herangehensweise eingesetzt, wird im Verbindungselement jedoch nur eine Öffnung ausgebildet. Der Anteil an der Querschnittsfläche der Öffnung, der die Sammler miteinander verbindet, ist gegenüber der gesamten Querschnittsfläche des vorgeschalteten Kanals zu klein. Daher wird der Verdichtungsverlust des Kühlmittels beim Fließen durch die Verbindungsöffnung erhöht, was die Kühlungsleistung verschlechtert.
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In Anbetracht eines derartigen herkömmlichen Problems wurde die vorliegende Erfindung entwickelt. Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Kühlungsleistung dadurch entsprechend zu erhöhen, dass ein Verdichtungsverlust selbst dann unterdrückt wird, wenn ein oben beschriebener fahrzeuginterner Wärmetauscher eingesetzt wird.
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LÖSUNGEN DER PROBLEME
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Zur Lösung eines derartigen herkömmlichen Problems bei einem erfindungsgemäßen fahrzeuginternen Wärmetauschers einer Klimaanlage eines Fahrzeugs: werden eine vorgeschaltete Rohrgruppe und eine nachgeschaltete Rohrgruppe, die jeweils eine Vielzahl aufeinander gestapelter Kühlmittel-Zirkulationsrohre aufweisen, in eine Luftströmungsrichtung einer fahrzeuginternen Luftstrecke ausgerichtet; und mindestens Teile der Innenräume eines Sammlerpaares miteinander und mit derselben Endseite der Zirkulationsrohre der jeweiligen Rohrgruppe über eine Verbindungsöffnung derart verbunden sind, dass sie miteinander verbunden sind. Eine gesamte Querschnittfläche der die Innenräume miteinander verbindenden Verbindungsöffnung ist derart gewählt, dass ein Anteil an der gesamten Querschnittsfläche der Verbindungsöffnung gegenüber einer gesamten Querschnittsfläche eines Kanals auf einer am weitesten vorgeschalteten Seite der vorgeschalteten Rohrgruppe im Bereich von 38 bis 93% liegt.
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Bei einem Verbindungselement zwischen Sammlern eines erfindungsgemäßen fahrzeuginternen Wärmetauschers sind außerdem eine vorgeschaltete Rohrgruppe und eine nachgeschaltete Rohrgruppe, die jeweils eine Vielzahl aufeinander gestapelter Kühlmittel-Zirkulationsrohre aufweisen, in eine Luftströmungsrichtung einer fahrzeuginternen Luftstrecke ausgerichtet; und das Verbindungselement ist zwischen zwei Sammlern verbunden, die mit derselben Endseite der Kühlmittel-Zirkulationsrohre der jeweiligen Rohrgruppe verbunden sind, und verbindet mindestens Teile der Innenräume eines Sammlerpaares miteinander. Das Verbindungselement umfasst eine Vielzahl Vorsprünge, die derart ausgebildet sind, dass sie von beiden Seiten einer flachen Ebene eines plattenförmigen Verbindungselements hervorstehen, wobei die Vorsprünge die Rohrwände der beiden Sammler durchdringen und mit ihnen verbunden sind; sowie Verbindungsöffnungen, die innerhalb der Vorsprünge ausgebildet sind, wobei die Verbindungsöffnungen die Innenräume miteinander verbinden.
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WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
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Mit dem erfindungsgemäßen fahrzeuginternen Wärmetauscher einer Klimaanlage eines Fahrzeugs ist die gesamte Querschnittsfläche der die Innenräume der Sammler miteinander verbindenden Verbindungsöffnungen derart gewählt, dass ihr Anteil an der gesamten Querschnittsfläche der Verbindungsöffnung auf einer am weitesten vorgeschalteten Seite der vorgeschalteten Rohrgruppe im Bereich von 38 bis 93% liegt. Der Verdichtungsverlust des durch die Verbindungsöffnungen fließenden Kühlmittels kann daher in hinreichendem Maße reduziert und dabei eine Erhöhung der Bearbeitungskosten und eine Verschlechterung der Kraft unterdrückt werden. So kann die Kühlungsleistung entsprechend aufrecht erhalten werden.
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Außerdem können mit dem Sammler-Verbindungselement des erfindungsgemäßen fahrzeuginternen Wärmetauschers zwei Sammler ohne Schwierigkeiten über das Verbindungselement miteinander verbunden werden und mit einer Vielzahl in den Vorsprüngen ausgebildeter Verbindungsöffnung der Verdichtungsverlust des durch die Verbindungsöffnungen fließenden Kühlmittels in hinreichendem Maße reduziert werden. So kann die Kühlungsleistung entsprechend aufrecht erhalten werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Diagramm einer Kühlmittelströmung bei der Wärmung in einem Kältekreislauf einer Klimaanlage eines Fahrzeugs, die mit einem erfindungsgemäßen fahrzeuginternen Wärmetauscher ausgestattet ist.
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2 ist ein Diagramm einer Kühlmittelströmung bei der Kühlung in einem Kältekreislauf der Klimaanlage.
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3 ist eine Frontalansicht des fahrzeuginternen Wärmtauschers von der nachgeschalteten Seite in Luftströmungsrichtung.
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4 ist eine Seitenansicht aus der Richtung des Pfeils A der 3.
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5 ist eine Querschnittsansicht aus der Richtung des Pfeils B-B der 3.
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6 ist eine Seitenansicht aus der Richtung eines Pfeils C der 3.
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7 ist eine Unteransicht zweier Sammler, die am oberen Ende des fahrzeuginternen Wärmetauschers angeordnet sind.
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8 ist eine Seiten- und Querschnittsansicht eines mit beiden Enden des Sammlerpaares verbundenen Deckels.
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9 ist eine Plan- und Frontalansicht zweier Sammler, die am unteren Ende des fahrzeuginternen Wärmetauschers angeordnet sind.
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10 ist eine Plan- und Frontalansicht eines Verbindungselements, das zwei Sammler miteinander verbindet, die am unteren Ende des fahrzeuginternen Wärmetauschers angeordnet sind, sowie zwei unterschiedliche beispielhafte Verfahren zu dessen Ausbildung.
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11 ist eine Querschnittsansicht aus der Richtung des Pfeils D-D der 3.
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12 zeigt Plan- und Querschnittsansichten eines mit einem Ende eines am unteren Ende des fahrzeuginternen Wärmetauschers angeordneten Sammlerpaares verbundenen Verbindungsstücks.
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13 ist eine schematische Perspektivansicht einer Kühlmittelströmung im fahrzeuginternen Wärmetauscher.
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14 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen einem Anteil der Querschnittsfläche einer Gegenöffnung und einem Verdichtungsverlust.
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15 ist ein Diagramm der Beziehung zwischen einem Verdichtungsverlust und einer COP-Rate bei der Kühlung.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 und 2 zeigen einen Umriss eines Kältekreislaufs einer Fahrzeugs-Klimaanlage von der Art einer Wärmepumpe, die mit einem erfindungsgemäßen fahrzeuginternen Wärmetauscher ausgestattet ist. Hierbei ist anzumerken, dass ein Kältekreislauf, auf den der erfindungsgemäße Wärmetauscher angewendet wird, nicht auf diese Ausführungsform beschränkt ist.
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Die Klimaanlage ist derart konfiguriert, dass sie einen Verdichter 1, einen einer Luftstrecke 51 im Fahrzeuginneren nachgeschalteten ersten fahrzeuginternen Wärmetauscher 2, einen außerhalb des Fahrzeuginneren angeordneten fahrzeugexternen Wärmetauscher 3 sowie einen der Luftstrecke 51 vorgeschalteten zweiten fahrzeuginternen Wärmetauscher 4 im Fahrzeuginneren.
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Am vorgeschalteten Ende der Luftstrecke 51 ist ein Gebläse 52 angeordnet. Am Lüftungsloch des Wärmetauschers 2 ist ein Dämpfer 53 montiert, der das Lüftungsloch frei eröffnet und schließt.
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Ein erstes Kühlmittelrohr 5 erstreckt sich über den Wärmetauscher 2 von einer Kühlmittel-Austrittsöffnung des Verdichters 1 zum Wärmetauscher 3. In der Mitte des ersten Kühlmittelrohrs 5 sind ein erstes Expansionsventil 6 und ein erstes Regelventil 7 angeordnet. Ein zweites Kühlmittelrohr 8 erstreckt sich vom fahrzeuginternen Wärmetauscher 3 zur Kühlmittel-Absaugöffnung des Verdichters 1. In der Mitte des zweiten Kühlmittelrohrs 8 sind ein erstes Schaltventil 9 und ein Akkumulator 10 angeordnet.
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Außerdem ist zwischen der nachgeschalteten Seite des ersten Expansionventils 6 des ersten Kühlmittelrohrs 5 und einem zwischen dem fahrzeugexternen Wärmetauscher 3 und dem ersten Schaltventil 9 liegenden Teil ein drittes Kühlmittelrohr 11 derart verbunden, dass es diese miteinander verbindet. Im dritten Kühlmittelrohr 11 ist ein zweites Schaltventil 12 angeordnet. Je mehr sich der Streckenwiderstand des ersten Expansionsventils 6 gegenüber dem Streckenwiderstand des zweiten Schaltventils 12 bei geöffnetem zweiten Schaltventil 12 erhöht, wird das erste Expansionsventil 6 im Wesentlichen geschlossen. Es lässt sich jedoch zwangsweise eröffnen. So werden das erste Expansionsventil 6 und das zweite Schaltventil 12 selektiv eröffnet.
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Ein viertes Kühlmittelrohr 13 ist derart angeordnet, dass es sich von der nachgeschalteten Seite des ersten Regelventils 7 des ersten Kühlmittelrohrs 5 her verzweigt und sich zum zweiten fahrzeuginternen Wärmetauscher 4 erstreckt. Im vierten Kühlmittelrohr 13 sind ein drittes Schaltventil 14, ein zweites Regeventil 15, ein Hochtemperaturabschnitt 16A eines internen Wärmetauschers 16 und ein zweites Expansionsventil 17 angeordnet.
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Ein fünftes Kühlmittelrohr 18, das sich vom Wärmetauscher 4 zu einem zwischen dem ersten Schaltventil 9 und dem Akkumulator 10 erstreckt, ist damit verbunden. Im fünften Kühlmittelrohr 18 sind ein viertes Schaltventil 19 und ein Niedertemperaturabschnitt 16B des internen Wärmetauschers 16 angeordnet. Im internen Wärmetauscher 16 wird zwischen dem durch den Hochtemperaturabschnitt 16A fließenden heißen Kühlmittel und dem durch den Niedertemperaturabschnitt 16B fließenden kalten Kühlmittel ausgetauscht.
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Außerdem ist ein sechstes Kühlmittelrohr 20 derart angeordnet, dass es sich von der vorgeschalteten Seite des ersten Regelventils 6 des ersten Kühlmittelrohrs 5 zur nachgeschalteten Seite des Regelventils 15 des vierten Kühlmittelrohrs 13 erstreckt. Im sechsten Kühlmittelrohr 20 ist ein fünftes Schaltventil 21 angeordnet.
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Als nächstes wird der Betrieb der Klimaanlage skizziert.
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Bei der Wärmung werden Dämpfer 53, erstes Expansionsventil 6 und erstes Schaltventil 9 eröffnet und zweites Schaltventil 12, drittes Schaltventil 14, viertes Schaltventil 19 und fünftes Schaltventil 21 geschlossen.
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Wie in der 1 gezeigt, fließt das vom Verdichter 1 verdichtete heiße gasförmige Hochdruckkühlmittel in den ersten fahrzeuginternen Wärmetauscher 2, tauscht mit der vom Gebläse 52 geblasenen Luft die Wärme aus (Wärmeabfuhr) und wird verdichtet und verflüssigt. Mit dem Wärmeaustausch wird die Luft gewärmt. Die gewärmte Luft wird ins Fahrzeuginnere hineingeblasen, um das Fahrzeuginnere zu wärmen.
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Dann fließt das flüssige Kühlmittel durch das erste Expansionsventil 6, wird in einen gemischten gasförmigen-flüssigen Zustand entkomprimiert, und fließt über das erste Regelventil 7 in den fahrzeuginternen Wärmetauscher 3 hinein. Im fahrzeuginternen Wärmetauscher 3 tauscht das Kühlmittel mit der Außenluft aus (Wärmeabsorption) und wird verdampft (vergast). Dann kommt das Kühlmittel über das erste Schaltventil 9 und den Akkumulator 10 zur Ansaugöffnung des Verdichters 1 zurück und wird verdichtet. Der Zyklus wiederholt sich.
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Bei der Kühlung werden dabei das zweite Schaltventil 12, das dritte Schaltventil 14 und das vierte Schaltventil 19 eröffnet und der Dämpfer 53, das erste Expansionsventil 6, das erste Schaltventil 9 und das fünfte Schaltventil 21 geschlossen.
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Wie in der 2 gezeigt, fließt das vom Verdichter 1 verdichtete Kühlmittel durch den ersten fahrzeuginternen Wärmetauscher 2 hindurch. Da der Dämpfer 53 jedoch geschlossen ist, wird die zum Wärmetauscher 2 geblasene Luft blockiert. So erfolgt kaum ein Wärmeaustausch zwischen Kühlmittel und geblasener Luft (Kühlung). Das Kühlmittel fließt in heißem, Hochdruckzustand heraus und über das zweite Schaltventil 12 in den fahrzeuginternen Wärmetauscher 3 hinein.
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Der Wärmetauscher 3 fungiert als Kondensator. Das gasförmige Kühlmittel tauscht mit der Außenluft Wärme aus (Wärmeabfuhr) und wird verdichtet und verflüssigt. Das flüssige Kühlmittel fließt über das dritte Schaltventil 14, das Regelventil 15 und den Niedertemperaturabschnitt 16A des internen Wärmetauschers 16 zum zweiten Expansionsventil 17. Das flüssige Kühlmittel wird vom zweiten Expansionsventil 17 in einen gemischten gasförmigen-flüssigen Zustand entkomprimiert, und fließt in den zweiten fahrzeuginternen Wärmetauscher 4 hinein. Im zweiten fahrzeuginternen Wärmetauscher 4 tauscht das Kühlmittel mit der vom Gebläse 52 geblasenen Luft Wärme aus (Wärmeabsorption) und wird vergast. Die durch den Wärmeaustausch gekühlte Luft wird ins Fahrzeuginnere hineingeblasen, um das Fahrzeuginnere zu kühlen.
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Bei der Entfeuchtung wird dabei der Dämpfer 53 im oben beschriebenen Kühlungszustand als einfache Möglichkeit eröffnet. So wird die zur Reduzierung der Feuchtigkeit vom zweiten fahrzeuginternen Wärmetauscher 4 gekühlte und verdichtete Luft vom nachgeschalteten ersten fahrzeuginternen Wärmetauscher 2 aufgewärmt. So kann Luft mit relativ geringer Feuchtigkeit ins Fahrzeuginnere geführt werden. Zur Verbesserung der Kühlungs- und Entfeuchtungsfunktion des Wärmetauschers 4 kann außerdem das im sechsten Kühlmittelrohr 20 angeordnete fünfte Schaltventil 21 eröffnet werden, um den Durchfluss des in den Wärmetauscher 4 hineingeblasenen Kühlmittels zu erhöhen.
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Wie oben beschrieben, fungiert der erste fahrzeuginterne Wärmetauscher 2 bei der Wärmung als Kondensator und lässt bei der Kühlung das Kühlmittel dabei ohne Wärmeaustausch mit der Luft fließen. Die Konfiguration des ersten fahrzeuginternen Wärmetauschers 2 wird nachfolgend beschrieben.
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3 ist eine Frontalansicht des zweiten fahrzeuginternen Wärmtauschers 2 von der nachgeschalteten Seite in Luftströmungsrichtung. 4 ist eine Ansicht aus der Richtung des Pfeils A der 3. 5 ist eine Querschnittsansicht aus der Richtung des Pfeils B-B der 3. 6 ist eine Seitenansicht aus der Richtung eines Pfeils C der 3.
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Jede einer Vielzahl Kühlmittel-Zirkulationsrohre 101 weist den Querschnitt eines abgeflachten Kanals auf. Die Vielzahl Zirkulationsrohre 101 ist über eine Rippe 102 aufeinandergestapelt (in der Zeichnung wird nur der obere Teil gezeigt), um ein Paar Rohrgruppen 103A und 103B zu bilden. Die beiden Rohrgruppen 103A und 103B stehen einander gegenüber. Die beiden Rohrgruppen 103A und 103B sind so voneinander beabstandet, dass sie zwei Reihen bilden, und sind der Luftstrecke 51 in Luftströmungsrichtung vor- und nachgeschaltet. Die jeweiligen Zirkulationsrohre 101 und die Rippe 102 werden durch Hartlöten oder dgl. befestigt.
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Beiderseits der Rohrgruppen 103A, 103B sind in Rohrachsenrichtung der Rohrgruppen 103A, 103B jeweils zwei zylindrische Sammler in zwei Reihen angeordnet. Der zylindrische Sammler erstreckt sich in Stapelrichtung (bei dieser Ausführungsform die in der Zeichnung dargestellte seitliche Richtung) der Zirkulationsrohre 11.
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Zwei Sammler 104B und 104B sind auf einer Seite (Oberseite in der Zeichnung) in Achsenrichtung der Zirkulationsrohre 101 angeordnet. Wie in der 7 gezeigt, liegen die beiden Sammler 104A und 104B jeweils in einer Form vor, in der eine Vielzahl Öffnungen 104a zur Einführung eines Endabschnitts (oberen Endabschnitts) der Zirkulationsrohre 101 der jeweiligen Rohrgruppen geöffnet sind. Die Endabschnitte (oberen Endabschnitte in der Zeichnung) der Zirkulationsrohre 101 der jeweiligen Rohrgruppen 103A und 103B werden in die Vielzahl entsprechender Öffnungen 104a der Sammler 104A, 104B eingeführt und durch Hartlöten befestigt.
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Außerdem werden die jeweiligen Öffnungsenden auf beiden Seiten der Sammler 104A, 104B in zwei zylindrischen Eingriffsabschnitten 105a in einem ovalen Deckel 105 miteinander in Eingriff gebracht und zusammengefügt, so wie es in der 8 dargestellt wird, und werden durch Hartlöten befestigt.
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Zwei Sammler 106B und 106B sind auf der anderen Seite (Unterseite in der Zeichnung) in Achsenrichtung der Zirkulationsrohre 101 angeordnet. Die beiden Sammler 106A und 106B liegen jeweils in einer Form vor, in der eine Vielzahl Öffnungen 106a zur Einführung der anderen Endabschnitte (untere Endabschnitte in der Zeichnung) der Zirkulationsrohre 101 der jeweiligen Rohrgruppen 103A und 103B geöffnet und gleich den Sammlern 104A und 104B sind. Die anderen Endabschnitte (unteren Endabschnitte) der Zirkulationsrohre 101 der jeweiligen Rohrgruppen 103A und 103B werden in die Vielzahl entsprechender Öffnungen 106a der Sammler 106A, 106B eingeführt und durch Hartlöten befestigt.
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Außerdem ist der Innenraum jedes Sammlers 106A, 106B in einem Zwischenabschnitt in Achsenrichtung in eine Vielzahl Räume (zwei bei dieser Ausführungsform) durch eine scheibenförmiges Trennelement 106b unterteilt. Das Trennelement 106b wird durch Hartlöten an der Innenwand jedes der beiden Sammler 106A und 106B befestigt.
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Außerdem ist in jeder der Innenwände eine Vielzahl einander gegenüberliegender Vorsprungs-Durchgangsöffnungen 106c in einem der durch das Trennelement 106b der Sammler 106A, 106B geteilten Abschnitte ausgebildet (rechts in der Zeichnung).
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Wie in 10(A) und (B) dargestellt, ist außerdem ein Verbindungselement 107 mit einer Platte und Vorsprüngen 107a ausgebildet, die jeweils eine Verbindungsöffnung 107b enthalten und von beiden Seiten des flachen Abschnitts der Platte hervorstehen. Wie in der 11 dargestellt, durchdringen die Vorsprünge 107a des Verbindungselements 107 die Durchgangsöffnungen 106c der Sammler 106A, 106B und werden durch Hartlöten befestigt.
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Die Vorsprünge 107a der Verbindungsplatte 107 können durch Bilden zweier Platten, die jeweils durch Abgraten ausgebildet sind, um von der Oberfläche einer Seite hervorzustehen, und Überlagern der Platten in entgegengesetzte Richtungen und Hartlöten, usw., wie in der 10(C) dargestellt.
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Wie in der 10(D) dargestellt, kann auch ein allgemein bekanntes Bearbeitungsverfahren verwendet werden, bei der zunächst eine Platte abgegratet wird, damit es von der Oberfläche einer Seite davon hervorsteht, und dann aus der anderen Richtung abgegratet wird, damit sie von der anderen Seite hervorsteht.
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Außerdem kann dadurch, dass der Außendurchmesser des Vorsprungs 107a kleiner ausgebildet wird als der Abstand zwischen angrenzenden Zirkulationsrohren 101 (Höhe der Rippe 102), kann der Vorsprung 107b zwischen den angrenzenden Zirkulationsrohren 101 aufgenommen werden, wie in der 11 dargestellt, wodurch eine Störung zwischen den angrenzenden Zirkulationsrohren 101 und dem Vorsprung 107b verhindert werden kann.
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Die Öffnungsenden auf einer Seite (rechts in der Zeichnung) in Achsenrichtung der Sammler 106A und 106B sind in zwei zylindrische Eingriffsabschnitte eines Deckels 108 eingepasst, die auf dieselbe Weise ausgebildet sind wie der Deckel 105 der 7, und abgedichtet und durch Hartlöten befestigt.
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Die Öffnungsenden auf der anderen Seite (links in der Zeichnung) in Achsenrichtung der Sammler 106A und 106B sind in zwei zylindrische Eingriffsabschnitte 109a eines Verbindungsstücks 109 eingepasst, die in Achsenrichtung geöffnet ist, wie in der 12 dargestellt, und durch Hartlöten befestigt.
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Bei einem Paar zylindrischer Eingriffsabschnitte 109b des Verbindungsstücks 109 greift ein Kühlmittel-Zuflussrohr 110 auf einer der Seite, auf der die Sammler 106A und 106B montiert sind, gegenüberliegenden Seite in einen der zylindrischen Eingriffsabschnitte 109b (z. B. auf der nachgeschalteten Seite in Luftströmungsrichtung) ein und ein Kühlmittel-Abflussrohr 111 greift in den anderen (auf der vorgeschalteten Seite in Luftströmungsrichtung) ein; sie sind durch Hartlöten befestigt.
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Außerdem sind an beiden Enden in Stapelungsrichtung der Rohrgruppen 103A, 103B, 106A, 106B Verstärkungsbleche 112 jeweils durch Hartlöten befestigt, wie in der 3 dargestellt.
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Die Kühlmittelströmung im ersten fahrzeuginternen Wärmetauscher 3, der gemäß der vorstehenden Beschreibung ausgebildet ist, wird durch die Pfeile der 13 gekennzeichnet.
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Das Kühlmittel fließt vom Zuflussrohr 110 in den Sammler 106A auf der unteren Seite hinein. Das Kühlmittel fließt in die unteren Öffnungen einer Vielzahl Zirkulationsrohre 101 (erste Rohrgruppe 103Au) hinein und nähert sich dabei einem ersten Sammlerraum 106Au vor dem Trennblech 106b, und fließt aufwärts durch die erste Rohrgruppe 103Au.
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Außerdem fließt das Kühlmittel von den oberen Öffnungen der ersten Rohrgrupe 103Au in den oberen Sammler 104A hinein. Das Kühlmittel fließt dann aus den oberen Öffnungen in eine Vielzahl Zirkulationsrohre 101 (zweite Rohrgruppe 103Ad) auf der Innenseite (rechts in der Zeichnung) hinein und fließt abwärts durch die zweite Rohrgruppe 103Ad.
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Dann fließt das Kühlmittel aus den unteren Öffnungen der zweiten Rohrgruppe 103Ad in einen ersten Sammlerraum 106Ad hinein, der auf einer Innenseite des Trennblechs 106b liegt.
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Dann fließt das Kühlmittel durch die Verbindungsöffnungen 107b in den Vorsprüngen 107a des Verbindungselements 7 und nähert sich dem zweiten Sammlerraum 106Ad. Das Kühlmittel fließt vom Trennblech 106b des angrenzenden Sammlers 106B in einen dritten Sammlerraum 106Bu auf der Innenseite.
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Das Kühlmittel fließt in die unteren Öffnungen einer Vielzahl Zirkulationsrohre 101 (dritte Rohrgruppe 103Bu) hinein und nähert sich dabei einem dritten Sammlerraum 106Bu und fließt aufwärts durch die dritte Rohrgruppe 103Bu.
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Außerdem fließt das Kühlmittel von den oberen Öffnungen der dritten Rohrgrupe 103Bu in den Sammler 104B hinein. Das Kühlmittel fließt dann abwärts aus den oberen Öffnungen der Zirkulationsrohre 101 (vierte Rohrgruppe 103Bd) auf der Vorderseite (links in der Zeichnung) durch eine vierte Rohrgruppe 103Bd.
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Dann fließt das Kühlmittel aus den unteren Öffnungen der vierten Rohrgruppe 103Bd in einen vierten Sammlerraum 106Bd vor dem Trennblech 106b hinein, und aus dem Abflussrohr 111 hinaus.
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Wenn der fahrzeuginterne Wärmetauscher 2 bei der Wärmung als Verdichter fungiert, kommt das Kühlmittel beim oben beschriebenen Fließen des Kühlmittels durch die jeweiligen Zirkulationsrohre 101 der beiden Rohrgruppen 103A, 103B in Kontakt mit den Außenflächen der jeweiligen Rohre 101 und führt durch Wärmeaustausch mit der durchfließenden geblasenen Luft Wärme ab. Außerdem führt das Kühlmittel durch Wärmeaustausch mit der von der geblasenen Luft gekühlten Rippe 102 ab, die auf ähnliche Weise die Außenflächen kontaktiert. Dadurch wird das Kühlmittel effizient gekühlt, verdichtet und verflüssigt.
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Dann überlappen sich durch den Gegenstrom-Kühlmittelkanal auf der Vorderseite (links in der 13) ein Bereich nahe dem Kühlmitteleinlass, wo das heiße gasförmige Kühlmittel in hoher Dichte fließt, in der nachgeschalteten Rohrgruppe 103A in Luftströmungsrichtung und ein Bereich nahe dem Kühlmittelausaß, wo verdichtetes kühles Kühlmittel in der in Luftströmungsrichtung vorgeschalteten Rohrgruppe 103B fließt, entlang der Luftströmungsrichtung.
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Andererseits wird ein Unterschied zwischen der Temperatur (oder Gas-Flüssigkeit-Verhältnis) des durch die in Luftströmungsrichtung nachgeschaltete Rohrgruppe 103A fließenden Kühlmittels und der Temperatur (oder Gas-Flüssigkeit-Verhältnis) des durch die vorgeschaltete Rohrgruppe 13B fließenden Kühlmittels näher der gegenüberliegenden Seite (Innenseite) kleiner.
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Das heißt, dass im ganzen Bereich eines Querschnitts der Luftstrecke ein Durchschnittswert (Durchschnittstemperatur oder durchschnittliches Gas-Flüssigkeit-Verhältnis) der Kühlmitteltemperatur (Gas-Flüssigkeit-Verhältnis) der nachgeschalteten Rohrgruppe 103A in Luftströmungsrichtung und die Kühlmitteltemperatur (Gas-Flüssigkeit-Verhältnis) der nachgeschalteten Rohrgruppe 13B einheitlich ist. Dadurch wird, während die Temperatur der ins Fahrzeuginnere geblasenen Warmluft beim Fließen durch den Wärmetauscher 2 und beim Wärmeaustausch vereinheitlicht wird, kann eine komfortable Wärmung erfolgen.
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Bei der Kühlung ist der Dämpfer 53 andererseits geschlossen, wobei die zum Wärmetauscher 2 geblasene Luft blockiert wird, wie oben beschrieben. So erfolgt kein erheblicher Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und der geblasenen (kühlen) Luft, und dieses fließt in gasförmigem Zustand bei hohem Druck und hoher Temperatur. Dies liegt daran, dass die Aufwärmung der vom zweiten fahrzeuginternen Wärmetauscher 4 gekühlten Luft durch den ersten fahrzeuginternen Wärmetauscher 2 unterdrückt wird. Gegenüber dem System, bei dem das Kühlmittel den ersten fahrzeuginternen Wärmetauscher 2 umgeht, können ein Umgehungsventil und -kanal wegfallen, was zu Kostenersparnissen führt.
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Bei einer derartigen Herangehensweise besteht das Problem in einer Verschlechterung der Kühlungsleistung, wenn beim Fließen des gasförmigen Hochdruck-Kühlmittels durch den fahrzeuginternen Wärmetauscher bei der Kühlung der Verdichtungsverlust erhöht wird.
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Der vorliegende Anmelder konzentrierte sich auf den Umstand, dass ein Druckverlust in den Gegenöffnungen (Verbindungsöffnungen 107b des Verbindungselements 107), der das gasförmige Kühlmittel vom vorgeschalteten in den nachgeschalteten Sammler fließen ließ, die Kühlungsleitung erheblich beeinflusste. Aus Experimenten und Simulationen erhielt der Anmelder die nachfolgenden Ergebnisse.
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14 zeigt das Verhältnis zwischen dem Anteil der gesamten Querschnittsfläche der Gegenöffnungen (Verbindungsöffnungen 107b des Verbindungselements 107) relativ zur gesamten Querschnittsfläche der am weitesten vorgeschalteten Kanäle (Rohrgruppe 103Au) (Querschnittsflächenanteil der Gegenöffnungen) und dem Verdichtungsverlust.
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Wenn ein Hochdruck-Kühlmittel bei der Kühlung fließt, weist ein Verdichtungsverlust die Besonderheit auf, dass er einen höheren Wert aufweist, wenn der Querschnittsflächenanteil der Gegenöffnungen kleiner ist, und mit der Zunahme des Querschnittsflächenanteils der Gegenöffnungen erheblich abnimmt.
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Andererseits wurde herausgestellt, wie in der 15 gezeigt, dass eine COP-Rate (Leistungskoeffizient) (Kühlungsleistung/Energieverbrauch), die die Kühlungsleistung bei der Kühlung angibt, mit einer Zunahme des Verdichtungsverlustes gesenkt wurde, und dass eine COP-Rate beinahe konstant blieb, wenn der Verdichtungsverlust einen bestimmten Wert erreichte oder überstieg. Im Einzelnen begann ein Querschnittsflächenanteil der Gegenöffnungen, dass der Verdichtungsverlust einen Wert (etwa 0,60 [MPa]) erreichte, bei der die COP-Rate beinahe konstant wird, etwa 38%.
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Daher ist offensichtlich, dass in einem Bereich, in dem der Querschnittsflächenanteil weniger als 38% beträgt, selbst bei einer Erhöhung des Querschnittsflächenanteils die Verbesserung der COP-Rate infolge einer Abnahme des Verdichtungsverlustes nicht erreicht wird, und dass in einem Bereich, in dem der Querschnittsanteil 38% oder höher beträgt, eine einer Zunahme des Querschnittsflächenanteils entsprechende Verbesserung der COP-Rate infolge einer Abnahme des Verdichtungsverlustes erreicht wird.
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Ferner, wie in der 14 dargestellt, selbst wenn der Querschnittsanteil 93% übersteigt, bleibt der Verdichtungsverlust bei der Kühlung beinahe konstant, und eine weitere Verbesserung der COP-Rate ist nicht zu erwarten. Das heißt, dass Anzahl und Querschnittsfläche der Verbindungsöffnungen 107b unnötig erhöht werden, was zu einer Erhöhung der Bearbeitungskosten und einer Schwächung führt.
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Andererseits weist ein Verdichtungsverlust bei der Verdichtung des Kühlmittels bei der Wärmung die Besonderheit auf, dass selbst bei einem kleinen Querschnittsflächenanteil der Gegenöffnungen der Verdichtungsverlust gegenüber dem Fall des Fließens eines Hochdruck-Kühlmittels bei der Kühlung extrem gering ist, und einer Zunahme des Querschnittsanteils entsprechend allmählich abnimmt, wie in der 14 dargestellt.
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Wie oben beschrieben, ist ein Verdichtungsverlust bei der Wärmung von Natur aus gering, und eine Abnahme der COP-Rate bei der Wärmung infolge eines Verdichtungsverlustes ist gegenüber dem Fall des Kühlens vernachlässigbar gering.
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In Anbetracht der vorstehenden Ergebnisse wurde festgestellt, dass der Querschnittsflächenanteil der Gegenöffnungen [= (gesamte Querschnittsfläche der Verbindungsöffnungen 107b)/(gesamte Querschnittsfläche der Rohrgruppe 103Au)] im Bereich von 38% bis 93% eingestellt wurde.
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Durch die Einstellung eines derartigen Querschnittsflächenanteils kann eine gute Kühlungsleistung selbst dann gewährleistet werden, wenn ein gasförmiges Hochdruck-Kühlmittel durch Blockieren der geblasenen Luft bei der Kühlung zum Fließen gebracht wird, sowie bei der Wärmung, wenn der erste fahrzeuginterne Wärmetauscher 2 als Kondensator fungiert. Ferner können eine Erhöhung der Bearbeitungskosten und eine Schwächung unterdrückt werden.
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Außerdem kann durch den Einsatz des oben beschriebenen Verbindungselements 107 der zweite Sammlerraum 106Ad und der dritte Sammlerraum 106Bu leicht miteinander zu verbinden sind. Der oben beschriebene Querschnittsflächenanteil der Gegenöffnungen kann daher erreicht werden, wodurch eine gute Kühlungsleistung und die Stärke gewährleistet werden.
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Außerdem ist die gesamte Querschnittsfläche der am weitesten vorgeschalteten Rohrgruppe 103Au größer eingestellt als die Querschnittsfläche des Einlassrohrs 110. Dadurch wird ein Verdichtungsverlust auch dann unterdrückt, wenn das Kühlmittel vom Einlassrohr 110 in die Rohrgruppe 103Au hineinfließt. Daher kann ein Verdichtungsverlust des fahrzeuginternen Wärmetauschers 2, sowie eine Verschlechterung der Kühlungsleistung, möglichst unterdrückt werden.
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Außerdem wird der Kanal durch die Teilung des Sammlerinneren mit einem Trennblech derart umgewandelt, dass die Kühlmittelströmung zwei Kanäle in der vorgeschalteten Rohrgruppe 103A aufweist und zwei Kanäle in der nachgeschalteten Rohrgruppe 103B aufweist. Durch Erhöhen der Anzahl dieser Umwandlungen kann die Vereinheitlichung der Temperatur der oben beschriebenen geblasenen Luft unterstützt werden. Als einfache Möglichkeit können jedoch zwei Strecken, die ganze vorgeschaltete und die ganze nachgeschaltete Rohrgruppe, vorgesehen werden, ohne den Sammler zu teilen. Alternativ kann eine größere Anzahl Kanäle z. B. durch Wählen einer höheren Anzahl Trennungen vorgesehen werden.
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Ferner ist statt der Rippe 102 auch eine Konfiguration annehmbar, bei der Flachrippen in einer Vielzahl Reihen vertikal angeordnet sind und die jeweiligen Zirkulationsrohre durchdringen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verdichter
- 2
- 1. fahrzeuginterner Wärmetauscher
- 4
- 2. fahrzeuginterner Wärmetauscher
- 5
- 1. Kühlmittelrohr
- 6
- 1. Expansionsventil
- 7
- 1. Regelventil
- 8
- 2. Kühlmittelrohr
- 9
- 1. Schaltventil
- 10
- Akkumulator
- 11
- 3. Kühlmittelrohr
- 12
- 2. Schaltventil
- 13
- 4. Kühlmittelrohr
- 14
- 3. Schaltventil
- 15
- 2. Regelventil
- 16
- interner Wärmetauscher
- 17
- 2. Expansionsventil
- 18
- 5. Kühlmittelrohr
- 19
- 4. Schaltventil
- 51
- Luftstrecke
- 52
- Gebläse
- 53
- Dämpfer
- 101
- Kühlmittel-Zirkulationsrohr
- 102
- Rippe
- 103A, 103B
- Rohrgruppe
- 104A, 104B
- Sammler
- 106A, 106B
- Sammler
- 106b
- Trennblech
- 106c
- Durchgangsöffnung Vorsprung
- 107
- Verbindungselement
- 107a
- Vorsprung
- 107b
- Verbindungsöffnung
- 106Bu
- 3. Sammlerraum
