DE19747567A1 - Verflüssiger mit integriertem Sammelbehälter - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verflüssiger, an wel­ chem ein Sammelbehälter zum Abtrennen und Bevorraten von Kühl­ mittel integral angebracht ist, und zwar für ein Kühlsystem zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug.

Kühlsysteme für ein Kraftfahrzeug, bei welchem ein Kühlmittel­ sammelbehälter integral an einem Verflüssiger angebracht ist, um Montageraum zu sparen, sind bereits bekannt. Ein derartiger Typ eines Kühlsystems ist beispielsweise in der US-A-5 546 761 offenbart. Der bei diesem Typ eines Kühlsystems verwendete Ver­ flüssiger ist ein Verflüssiger, der allgemein als Mehrstromver­ flüssiger bezeichnet wird. Der Verflüssiger besteht allgemein aus einem Paar von Wasserkästen und einem Kern mit mehreren Rohren, durch welche Kühlmittel strömt, die horizontal zwischen den zwei Wasserkästen angeordnet sind. Ein Kühlmitteleinlaß­ anschluß ist am oberen Abschnitt von einem der Wasserkästen (einem ersten Wasserkasten) angeordnet, und ein Kühlmittelaus­ laßanschluß ist an einem unteren Abschnitt derselben Wasser­ kastens angeordnet. Trennelemente sind in jedem Wasserkasten angeordnet, um einen Raum in diesem Wasserkasten in mehrere Räume derart zu unterteilen, daß vom Einlaßanschluß zuströmen­ des Kühlmittel durch die Rohre des Kerns in Serpentinenweise strömt und aus dem Auslaßanschluß ausströmt. Ein Kühlmittel- Sammeltank ist am anderen Wasserkasten (einem zweiten Wasser­ kasten) angebracht, an welchem die Einlaß- und Auslaßanschlüsse nicht angeordnet sind. Der zweite Wasserkasten und der Sammel­ behälter kommunizieren miteinander durch ein erstes Verbin­ dungsloch, das an einem unteren Abschnitt des zweiten Wasser­ kastens gebildet ist. Das in dem Kern kondensierte Kühlmittel strömt in den Sammeltank durch das erste Verbindungsloch und wird in gasförmige und flüssige Teile darin getrennt. Ein zwei­ tes Verbindungsloch ist in einer Position unter dem ersten Ver­ bindungsloch gebildet, und die ersten und zweiten Verbindungs­ löcher sind durch ein Trennelement in den zweiten Wasserkasten getrennt. Das flüssige Kühlmittel in dem Sammelbehälter strömt in den zweiten Wasserkasten durch das zweite Verbindungsloch und strömt außerdem in einen Unterkühlungsabschnitt des Kerns, wo das flüssige Kühlmittel unterkühlt wird. Daraufhin strömt das unterkühlte flüssige Kühlmittel aus dem Auslaßanschluß aus, der an einem unteren Abschnitt des ersten Wasserkastens ange­ ordnet ist.

Bei dem wie vorstehend beispielhaft ausgeführten Verflüssiger sind sowohl der Einlaßanschluß wie der Auslaßanschluß am ersten Wasserkasten angeordnet und der Sammelbehälter ist in den zwei­ ten Wasserkasten integriert. Es ist jedoch mitunter schwierig, sowohl den Einlaßanschluß sowie den Auslaßanschluß am selben Wasserkasten anzuordnen, um den speziellen Auslegungsanforde­ rungen an Leitungen und Rohre für das Kühlsystem in einem Motorraum zu entsprechen.

Die vorliegende Erfindung ist angesichts der vorstehend genann­ ten Probleme gemacht worden. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen Verflüssiger mit inte­ griertem Sammelbehälter für ein Kühlsystem zu schaffen, der den speziellen Auslegungsanforderungen in einem Motorraum ent­ spricht, und insbesondere einen Verflüssiger mit integriertem Sammelbehälter zu schaffen, in welchen Einlaß- und Auslaß­ anschlüsse an jeweiligen Wasserkästen angeschlossen sind (der Einlaßanschluß an dem ersten Wasserkasten und der Auslaß­ anschluß an dem zweiten Wasserkasten) und ein Sammelbehälter in den Wasserkasten integriert ist, der einen Einlaßanschluß auf­ weist (der erste Wasserkasten). Eine geeignete Menge des Kühl­ mittels muß in das Kühlsystem mit dem Verflüssiger mit inte­ griertem Sammelbehälter gefüllt werden, der den vorstehend genannten Aufbau hat. Die vorliegende Erfindung schafft eine Sammelbehälterstruktur, in welcher eine geeignete Kühlmittel­ menge gefüllt werden kann, während das untergekühlte Kühlmittel konstantgehalten wird.

Bei dem Verflüssiger mit integriertem Sammelbehälter gemäß der vorliegenden Erfindung sind ein erster und ein zweiter Wasser­ kasten an beide Enden eines Wärmetauscherkerns so angeschlos­ sen, daß Kühlmittel, das durch den Wärmetauscherkern strömt, in die Wasserkästen und aus diesen heraus strömt bzw. fließt. Am oberen Abschnitt des ersten Wasserkastens ist ein Einlaß­ anschluß angeordnet, aus welchem überhitztes Kühlmittel, das von einem Kompressor herrührt, fließt. Ein Auslaßanschluß, von welchem in dem Wärmetauscherkern verflüssigtes Kühlmittel aus­ strömt, ist am Bodenabschnitt des zweiten Wasserkastens ange­ ordnet. Ein Innenraum des ersten Wasserkastens ist durch ein Trennelement in zwei Räume unterteilt, d. h. einen oberen Raum, in welchem das überhitzte Kühlmittel einströmt, und einen unte­ ren Raum, in welchen das in dem Wärmetauscherkern abgekühlte Kühlmittel einströmt. Ein Kühlmittel-Sammelbehälter ist mit dem ersten Wasserkasten durch Löten an einer Position verbunden, wo Wärme des überhitzten Kühlmittels in dem oberen Raum des ersten Wasserkastens nicht übermäßig zu dem Sammelbehälter übertragen wird. Insbesondere ist der Sammelbehälter so angeordnet, daß er den oberen Raum des ersten Wasserkastens nicht mehr als 10 mm überlappt.

Da übermäßige Wärme nicht zu dem Sammelbehälter ausgehend vom oberen Raum des ersten Wasserkastens übertragen wird, verdampft flüssiges Kühlmittel, das in dem Sammelbehälter bevorratet ist, nicht. Der gesamte Raum des Sammelbehälters kann deshalb als Raum zum Bevorraten von flüssigem Kühlmittel genutzt werden, und demnach kann zusätzliches Kühlmittel zum Kompensieren eines möglichen Verlusts des Kühlmittels, verursacht durch eine Leckage, aus dem Kühlsystem in das System gefüllt werden, ohne den Betrieb des Systems ungünstig zu beeinflussen. Insbesondere kann das zusätzliche Kühlmittel eingefüllt werden, während die Unterkühlungstemperatur konstantgehalten wird.

Es ist bevorzugt, den Sammelbehälter mit dem ersten Wasser­ kasten so zu verbinden, daß kein Abschnitt des Sammeltanks den oberen Raum des ersten Wasserkastens überlappt, um den Effekt zu erhöhen, eine Wärmeübertragung zu verhindern. Außerdem ist es bevorzugt, den Wärmetauscherkern in zwei Abschnitte zu unterteilen, d. h. in einen oberen Abschnitt, der als Kühlmit­ telverflüssigungsabschnitt dient, und einen unteren Abschnitt, der als Unterkühlungsabschnitt zum weiteren Abkühlen des flüs­ sigen Kühlmittels dient.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beispiel­ haft näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht eines Verflüssigers mit integriertem Sammelbehälter gemäß einer ersten Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung zusammen mit konzeptionellen Ansichten weite­ rer Komponenten, die ein Kühlsystem bilden,

Fig. 2A bis 2D Draufsichten von Sammelbehälter-integrierten Verflüssigern, in welchen Trennmittel in Wasserkästen in unter­ schiedlichen Positionen angeordnet sind,

Fig. 3A eine Querschnittsansicht einer Kontaktabmessung eines ersten Wasserkastens und eines Sammelbehälters,

Fig. 3B eine Tabelle von unterschiedlichen Kontaktbereichen bzw. -flächen des ersten Wasserkastens und des Sammelbehälters entsprechend der in Fig. 2A bis 2D gezeigten Struktur,

Fig. 3C eine Querschnittsansicht einer Verbindung des ersten Wasserkastens mit dem Sammelbehälter zur Erläuterung der Wärme­ übertragung zu dem Sammelbehälter und ausgehend von diesem,

Fig. 4 eine Kurvendarstellung einer Kühlmittelfüllkennlinie,

Fig. 5 eine Draufsicht eines Verflüssigers mit integriertem Sammelbehälter als dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit konzeptionellen Ansichten weiterer Kom­ ponenten, welche ein Kühlsystem bilden, und

Fig. 6 ein Mollier-Diagramm unter Darstellung der Arbeitsweise eines Kühlsystems.

Anhand von Fig. 1 wird zunächst eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert. Fig. 1 zeigt einen Sammel­ behälter-integrierten Verflüssiger 2 zusammen mit weiteren Kom­ ponenten, die in einem Kühlsystem zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug verwendet werden. Das Kühlsystem besteht aus einem Kompressor 1 zum Komprimieren von Kühlmittel, einem Sam­ melbehälter-intregrierten Verflüssiger 2, einem Sichtglas 3, einem temperaturempfindlichen Expansionsventil 4, einem Ver­ dampfer 5 und einer Leitung bzw. einer Rohrleitung, welche diese Komponenten zum Bilden eines geschlossenen Kühlkreislaufs verbindet.

Der Kompressor 1 ist in einem Motorraum angebracht und wird durch einen Motor über einen Antriebsriemen und eine elektro­ magnetische Kupplung 1a angetrieben. Wenn die elektromagne­ tische Kupplung 1a erregt ist, wird der Kompressor 1 durch den Motor angetrieben und saugt Kühlmittel darin aus dem Verdampfer 5 und komprimiert das Kühlmittel. Das komprimierte Kühlmittel unter hohem Druck und bei hoher Temperatur wird dem Sammel­ behälter-integrierten Verflüssiger 2 zugeführt. Der Sammel­ behälter-integrierte Verflüssiger 2 besteht aus einem Paar von Wasserkästen, einem ersten und einem zweiten Wasserkasten 21 und 22, von denen jeder eine im wesentlichen zylindrische Form hat, einem Wärmetauscherkern 23, der zwischen dem Paar von Was­ serkästen angeordnet ist, und einem Sammelbehälter 31, der auf dem ersten Wasserkasten 21 angeordnet ist. Der gezeigte Ver­ flüssiger wird üblicherweise als Mehrfluß- bzw. Mehrstromver­ flüssiger bezeichnet. Der Wärmetauscherkern 23 besteht aus meh­ reren flachen Rohren 24, die horizontal zwischen den ersten und zweiten Wasserkasten 21 und 22 angeordnet sind, und gewellten Rippen 25, die zwischen den flachen Rohren 24 in Wärmeübertra­ gungsbeziehung angeordnet sind. Ein Ende der flachen Rohre 24 ist mit dem ersten Wasserkasten 21 verbunden und das andere Ende mit dem zweiten Wasserkasten 22. Ein Kühlmitteleinlaß­ anschluß 26 ist an einem oberen Abschnitt des ersten Wasser­ kastens 21 angeordnet, und ein Kühlmittelauslaßanschluß 27 ist an einem unteren Ende des zweiten Wasserkastens 22 angeordnet.

Bei dieser Ausführungsform sind ein erstes Trennelement 28 und ein zweites Trennelement 29 in dem ersten Wasserkasten 21 ange­ ordnet, und ein drittes Trennelement 30 ist in dem zweiten Was­ serkasten 22 angeordnet. Ein Raum in dem ersten Wasserkasten 21 ist durch die ersten und zweiten Trennelemente 28 und 29 in drei Räume 21a, 21b und 21c unterteilt. Ein Raum in dem zweiten Wasserkasten 22 ist durch das dritte Trennelement 30 in zwei Räume 22a und 22b unterteilt. Das aus dem Einlaßanschluß 26 fließende bzw. strömende Kühlmittel fließt zwischen dem ersten Wasserkasten 21 und dem zweiten Wasserkasten 22 durch die fla­ chen Rohre 24 in Serpentinenweise. Das zweite Trennelement 29 in dem ersten Wasserkasten 21 und das dritte Trennelement 30 in dem zweiten Wasserkasten 22 sind auf gleicher Höhe angeordnet. Der Sammelbehälter 31 mit im wesentlichen zylindrischer Form ist mit dem ersten Wasserkasten 21 durch Löten in einer Posi­ tion unter dem Einlaßanschluß 26 verbunden. Komponenten und Teile des Verflüssigers mit integriertem Sammelbehälter 2 bei der vorliegenden Ausführungsform bestehen sämtliche aus Alumi­ nium und sind durch Löten integral verbunden.

Ein Raum in dem Sammelbehälter 31 steht in Verbindung mit dem Zwischenraum 21b des ersten Wasserkastens 21 durch ein erstes Verbindungsloch 32, das geringfügig oberhalb dem zweiten Trenn­ element 29 gebildet ist. Der Raum in dem Sammelbehälter 31 steht außerdem mit dem unteren Raum 21c des ersten Wasser­ kastens 21 durch ein zweites Verbindungsloch 33 in Verbindung, das geringfügig unterhalb des zweiten Trennelements 29 gebildet ist. Das erste Trennelement 28 ist in einer Stellung höher als eine Oberseite 31a des Sammelbehälters 31 bei der ersten Aus­ führungsform angeordnet. Ein oberer Teil des Wärmetauscherkerns 23 über den zweiten und dritten Trennelementen 29 und 30 bildet einen Kondensierabschnitt 34, in welchem das Kühlmittel, das von dem Kompressor 1 herkommt, abgekühlt und durch Kühlluft kondensiert wird, die durch den Wärmetauscherkern 23 strömt. Die Kühlluft wird durch ein (nicht gezeigtes) Kühlgebläse geblasen, das durch den Motor angetrieben ist. Ein unterer Teil des Wärmetauscherkerns 23 unterhalb dem zweiten und dem dritten Trennelement 29 und 30 bildet einen Unterkühlabschnitt 35, in welchem flüssiges Kühlmittel, das in dem Sammelbehälter 31 abgetrennt bzw. in dieses getrennt ist, weiter abgekühlt wird, indem Wärme mit der Kühlluft ausgetauscht wird. Mit anderen Worten besteht der Sammelbehälter-integrierte Verflüssiger 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform aus dem Kondensier­ abschnitt 34, dem Unterkühlabschnitt 35 und dem Sammelbehälter 31, welche Teile sämtliche in einen einzigen Körper bzw. ein einziges Gehäuse integriert sind. Ein (in der Zeichnung nicht gezeigtes) Trocknungsmittel zum Absorbieren von Wasser in dem Kühlmittel ist in dem Sammelbehälter 31 angeordnet. Eine Grenz­ schicht aus gasförmigem und flüssigem Kühlmittel in dem Sammel­ behälter 31 ist auf einem Zwischenniveau zwischen dem zweiten Trennelement 29 und der Oberseite 31a des Sammelbehälters 31 angeordnet, wenn die Menge des in das System gefüllten Kühlmit­ tels eine normale Menge ist.

Der Sammelbehälter-integrierte Verflüssiger 2 ist üblicherweise an vorderster Stelle eines Fahrzeugs (vor einem Radiator) ange­ bracht und wird durch ein Kühlgebläse abgekühlt, das gemeinsam mit dem Radiator gebildet ist. Das Sichtglas 3, das ein Sicht­ fenster 3a aufweist, ist eine Einrichtung zum Prüfen, ob die Menge des in das System gefüllten Kühlmittels normal ist oder nicht, und zwar durch Beobachten des Zustands des Gas/Flüssigkeit-gemischten Kühlmittels, das in dem Teilkühl­ abschnitt 35 des Wärmetauscherkerns 23 abgekühlt wird und aus dem Auslaßanschluß 32 herausfließt. Das Sichtglas 3 ist in einer Position im Motorraum angebracht, wo es problemlos beob­ achtet werden kann, beispielsweise in einer Position in einem Kühlmittelrohr in der Nähe des Verflüssigers mit integriertem Sammelbehälter 2. Das Sichtfenster 3 ist hermetisch auf dem Sichtglas 3 angebracht. Wenn einige Blasen in dem Kühlmittel durch das Sichtfenster beobachtet werden, wird beurteilt, daß die Menge des in das System gefüllten Kühlmittels nicht aus­ reicht. Wenn keine Blasen beobachtet werden, wird beurteilt, daß die Menge des Kühlmittels ausreichend bzw. normal ist.

Das temperaturempfindliche Expansionsventil 4 ist in der Nach­ barschaft einer Einlaßöffnung des Verdampfers 5 installiert. Es handelt sich um eine Einrichtung zum adiabatischen Expandieren des Kühlmittels, das eine hohe Temperatur und einen hohen Druck aufweist, und zum Wandeln desselben in vernebeltes Gas/Flüssigkeits-Gemischkühlmittel, das niedrige Temperatur und niedrigen Druck aufweist. Ein Öffnungsgrad des temperaturemp­ findlichen Expansionsventils 4 wird automatisch so gesteuert, daß die Temperatur des Kühlmittels an einer Auslaßöffnung des Verdampfers 5 auf einen vorbestimmten Pegel gehalten wird. Der Verdampfer 5 ist zwischen das temperaturempfindliche Ventil 4 und den Kompressor 1 geschaltet. Der Kühlmittelnebel bzw. das Kühlmittelgas/flüssigkeitsgemisch wird dem Verdampfer 5 von dem Expansionsventil 4 zugeführt und darin durch Tauschen von Wärme mit Luft von der Außenseite oder Innenseite des Fahrzeugs ver­ dampft, die durch ein (in der Zeichnung nicht gezeigtes) Gebläse einer Klimaanlage zugeführt wird. Eine Fahrgastzelle des Fahrzeugs wird durch Latentwärme des Kühlmittels klimati­ siert, das in dem Verdampfer 5 verdampft wird. Der Verdampfer 5 ist in einer Klimatisierungseinheit in der Fahrgastzelle installiert.

Nunmehr wird die Arbeitsweise des Kühlsystems erläutert. Wenn der Motor des Fahrzeugs gestartet wird und das Kühlmittelsystem eingeschaltet ist, wird die elektromagnetische Kupplung 1a des Kompressors 1 erregt. Der Kompressor 1 wird angetrieben und das Kühlmittel wird darin komprimiert. Das komprimierte und heiße Kühlmittel wird von dem Kompressor 1 zu dem oberen Raum 21a des ersten Wasserkastens 21 durch den Einlaßanschluß 26 zugeführt. Daraufhin fließt das Kühlmittel durch die oberen Rohre 24 in dem Verflüssigungsabschnitt 34 des Kerns 23 und tritt in den oberen Raum 22a des zweiten Wassertanks 22 ein. Das Kühlmit­ tel, das in dem Raum 22a eine U-Kehre ausführt, fließt durch die unteren Rohre 24 und tritt in den Zwischenraum 21b des ersten Wasserkastens 21 ein. Während des Kurses des Flusses durch die Rohre in dem Verflüssigungsabschnitt 34 wird das Kühlmittel durch Wärmetauschen mit Kühlluft gekühlt und wird zu einem gesättigten flüssigen Kühlmittel, das teilweise gasförmi­ ges Kühlmittel enthält. Das gesättigte flüssige Kühlmittel tritt in den Sammelbehälter 31 durch das erste Verbindungsloch 32 ein. In dem Sammelbehälter 31 wird das Kühlmittel in gasför­ mige und flüssige Teile getrennt und darin bevorratet. Darauf­ hin tritt das flüssige Kühlmittel in den Sammelbehälter 31 in den unteren Raum 21c des ersten Wasserbehälters 21 durch das zweite Verbindungsloch 33 ein und fließt durch die Rohre 24 in dem Unterkühlabschnitt 35. Während des Kurses des Flusses bzw. der Strömung wird das flüssige Kühlmittel weiter abgekühlt (unterkühlt). Das unterkühlte flüssige Kühlmittel tritt in den unteren Raum 22b des zweiten Wasserkastens 22 ein und strömt aus dem Auslaßanschluß 27 aus. Das unterkühlte flüssige Kühl­ mittel wird dem temperaturempfindlichen Expansionsventil 4 durch das Sichtglas 3 zugeführt. Das unterkühlte flüssige Kühl­ mittel wird durch das Expansionsventil 4 expandiert und in ein nebelförmiges Kühlmittel/Gas/Flüssigkeitsgemisch mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck gewandelt. Daraufhin wird der Kühlmittelnebel in dem Verdampfer 5 durch Absorbieren von Wärme aus Luft verdampft, die ihrerseits die Fahrgastzelle kühlt. Das heiße gasförmige Kühlmittel, das in dem Verdampfer 5 verdampft wird, wird in den Kompressor 1 gesaugt, in welchem das Kühlmit­ tel erneut komprimiert wird.

Durch Experimente wurde ermittelt, daß die Position des ersten Trennelements 28 sehr wesentlich ist, um die gewünschte Arbeitsweise des Systems zu erhalten und um insbesondere eine zufriedenstellende Kühlmittelfüllkennlinie zu erzielen. Mehrere Prototypen des Empfänger-integrierten Verflüssigers, bei wel­ chem die Position des ersten Trennelements 28 variiert wurde, wurden hergestellt. Vier Beispiele sind in Fig. 2A bis 2D gezeigt, bei welchen die Position des ersten Trennelements 28 ausgehend von der Oberseite 31a des Sammelbehälters 31 gemessen wird. Die Trennelementposition L1 des in Fig. 2A gezeigten Pro­ totyps beträgt 50 mm, die Position L2 in Fig. 2B 20 mm und die Position L3 in Fig. 2C 10 mm. Das Trennelement 28 bei dem in Fig. 2D gezeigten Prototyp ist dasselbe wie bei der vorstehend erläuterten ersten Ausführungsform und in einer Position 20 mm über der Oberseite 31a des Sammelbehälters 31 angeordnet.

Bei dem in Fig. 2A gezeigten Prototyp, dessen Trennelement 28 bei L1 = 50 mm positioniert ist, kann das Kühlmittel nicht in das Kühlsystem mit zufriedenstellender Kennlinie bzw. Eigen­ schaft gefüllt werden, wie im folgenden erläutert. Fig. 4 zeigt eine Füllkennlinie, bei welcher die Unterkühlungstemperatur auf der Ordinate als Funktion einer zusätzlichen Menge (nachfolgend erläutert) des Kühlmittels auf der Abszisse aufgetragen ist. Üblicherweise wird bei dem Kühlsystem zur Verwendung in einem Fahrzeug eine bestimmte Kühlmittelmenge, beispielsweise etwa 100 g, zusätzlich in das System gefüllt, nachdem Blasen in dem Kühlmittel durch das Sichtglas 3 bei dem Füllprozeß nicht beob­ achtet wurden, so daß die Kühlfähigkeit nicht abnimmt, wenn ein Teil des Kühlmittels aus dem System ausleckt. Die zusätzliche Menge des Kühlmittels ist im Bereich von 50 bis 150 g einge­ stellt, und zwar unter Berücksichtigung einer Änderung bzw. Variation des Füllprozesses. Die Kurve (a) in Fig. 4 zeigt eine Kühlmittelfüllkennlinie des in Fig. 2A gezeigten Prototyps. Die Kurven in Fig. 4 sind unter den folgenden Bedingungen aufgetra­ gen: ein Klimaanlagengebläse ist auf HOCH (eine Luftmenge von 450 m³/h) eingestellt, die Umgebungstemperatur beträgt 30°C und der Motor läuft im Leerlauf (750 UpM). Wie aus der Kurve (a) hervorgeht, steigt die Unterkühlungstemperatur kontinuierlich im Bereich der zusätzlichen Kühlmittelmenge von 50 auf 150 g an. In diesem Bereich ist es höchst erwünscht, daß die Unter­ kühlungstemperatur konstant gehalten wird, um eine Druckzunahme im System zu verhindern und um eine Erhöhung der Kompressorlast zu verhindern. Dies bedeutet, daß der in Fig. 2A gezeigte Pro­ totyp das Erfordernis für eine Kühlmittelfüllkennlinie nicht erfüllt. Der Grund, weshalb die Unterkühlungstemperatur bei dem Füllprozeß für das zusätzliche Kühlmittel bei dem in Fig. 2A gezeigten Prototyp ansteigt, kann wie folgt erläutert werden. Der Sammelbehälter 31 hat die Funktion, überschüssiges Kühlmit­ tel in dem System zu bevorraten, um eine Kühlmittelleckage aus dem System zu kompensieren. Er ist deshalb ursprünglich so aus­ gelegt, daß die Arbeitsweise des Kühlzyklus durch den Pegel des flüssigen Kühlmittels in dem Sammelbehälter 31 nicht beein­ trächtigt wird, bis er vollständig gefüllt ist. Da bei dem in Fig. 2A gezeigten Prototyp das erste Trennelement 28 unter der Oberseite 31a des Sammelbehälters 31 mit einem Abstand L1 (50 mm) angeordnet ist, überlappt der obere Raum 21a des ersten Wasserkastens 21 den Sammelbehälter 31 bezüglich der Abmessung L1. Die Temperatur des oberen Raums 21a ist hoch, weil das gas­ förmige Kühlmittel hoher Temperatur in den oberen Raum 21a aus­ gehend vom Einlaßanschluß 26 fließt. Wärme wird leicht von dem oberen Raum 21a zu dem überlappten Sammelbehälter 31 übertra­ gen, da diese Komponenten sämtliche aus wärmeleitfähigem Mate­ rial, wie etwa Aluminium, bestehen. Der Sammelbehälter 31 wird deshalb erwärmt.

Der Zustand des Kühlmittels im oberen Raum 21a und im Sammel­ behälter 31 ist in einem Mollier-Diagramm in Fig. 6 gezeigt. Der Zustand des heißen gasförmigen Kühlmittels im oberen Raum 21a ist durch einen Punkt A in dem Diagramm bezeichnet (beispielsweise beträgt seine Temperatur 80°C), und der Zustand des gesättigten Kühlmittels in dem Sammelbehälter 31 ist durch einen Punkt D bezeichnet (beispielsweise beträgt seine Tempera­ tur 50°C). Die Punkte B und C bezeichnen den Zustand des Kühl­ mittels im Verlauf des Verflüssigungsabschnitts 34 und ein Punkt E bezeichnet denjenigen des Auslasses des Unterkühlungs­ abschnitts 35. Wenn das zusätzliche Kühlmittel in das System gefüllt wird, steigt der Pegel des flüssigen Kühlmittels in dem Sammelbehälter 31 allmählich und übersteigt die Position des ersten Trennelements 28. In dieser Situation wird das Kühlmit­ tel in dem Sammelbehälter 31 erwärmt und in diesem verdampft. Es ist deshalb für das flüssige Kühlmittel schwierig, seinen Pegel im Sammelbehälter 31 zu erhöhen. Mit anderen Worten, kann der Raum über dem ersten Trennelement 28 in dem Sammelbehälter 31 nicht als Raum zum Bevorraten des Kühlmittels verwendet wer­ den, und demnach fließt das zusätzliche flüssige Kühlmittel, das eingefüllt wurde, nachdem der Kühlmittelpegel des Kühlmit­ tels in dem Sammelbehälter 31 die Position des ersten Trennmit­ tels 28a erreicht hat, über in den Kern 23. Es wurde gefunden, daß die Füllcharakteristika (a), die in Fig. 4 gezeigt sind, dem vorstehend erläuterten Phänomen entspricht.

Ein weiterer Prototyp des Sammelbehälter-integrierten Verdamp­ fers ist in Fig. 2B gezeigt und weist das erste Trennelement 28 in einer Position L2 = 20 mm auf, wie vorstehend erwähnt. Die Kühlmittelfüllcharakteristik dieses Prototyps ist als Kurve (b) in Fig. 4 gezeigt. Wie aus dieser Kurve hervorgeht, nimmt die Unterkühlungstemperatur im Bereich des zusätzlichen Kühlmittels 50 ∼ 150 g allmählich zu, obwohl die Temperaturzunahme vermin­ dert ist im Vergleich zu der Kurve (a) für den Prototyp von Fig. 2A.

Der in Fig. 2C gezeigte sammelbehälter-integrierte Verflüssiger weist das erste Trennelement 28 in einer Position L3 = 10 mm auf. Seine Füllkennlinie ist als Kurve (c) in Fig. 4 gezeigt. Aus der Kurve geht hervor, daß der Unterkühlungstemperatur­ anstieg während des Füllbereichs von 50 ∼ 150 g sehr gering ist. Dies ist deshalb der Fall, weil der Sammelbehälter 31 den heißen oberen Raum 21a lediglich um eine Strecke von 10 mm überlappt. Aus der Füllkennlinie kann das Urteil getroffen wer­ den, daß der in Fig. 2C gezeigte Sammelbehälter-integrierte Verflüssiger ohne praktisches Problem genutzt werden kann. Des­ halb ist dieses als zweite Ausführungsform gemäß der vorliegen­ den Erfindung gewählt.

Der in Fig. 2D gezeigte Sammelbehälter-integrierte Verflüssiger ist derselbe wie bei der vorstehend erläuterten ersten Ausfüh­ rungsform, bei welcher das erste Trennelement 28 20 mm über der Oberseite 31a des Sammelbehälters 31 angeordnet ist. Seine Füllkennlinie ist als Kurve (d) in Fig. 4 gezeigt. Wie aus der Kurve hervorgeht, kann das zusätzliche Kühlmittel von 50 ∼ 150 g eingefüllt werden, ohne eine Beeinträchtigung der Unterküh­ lungstemperatur zu ergeben.

Einige weitere Details betreffend den Kontaktbereich bzw. die Kontaktfläche des ersten Wasserkastens 21 und des Sammelbehäl­ ters 31 sowie der Wärmeübertragung dazwischen werden nunmehr in bezug auf Fig. 3A, 3B und 3C erläutert. Fig. 3A zeigt eine Querschnittsansicht des Kontakts des Sammelbehälters 31 mit dem ersten Wasserkasten 21, welcher an sich für sämtliche Ausfüh­ rungsformen und Beispiele gemeinsam ist, die in Fig. 2A ∼ 2D gezeigt sind. Der Sammelbehälter 31 mit einem Außendurchmesser von OD = 34,7 mm und der erste Wasserkasten 21 sind durch Löten verbunden und kontaktieren einander unter einem Abstand von L = 14,4 mm. Fig. 3B zeigt die Kontaktflächen bzw. -bereiche S1 ∼ S4 entsprechend den in Fig. 2A ∼ 2D gezeigten Sammelbehälter- integrierten Verdampfern. Fig. 3C zeigt ein Wärmegleichgewicht (Balance) in dem Sammelbehälter 31. Eine Wärmemenge Q1 wird zu dem Sammelbehälter 31 ausgehend von dem oberen Raum 21a des ersten Wasserkastens 21 durch den in Fig. 3B gezeigten Kontakt­ bereich übertragen, und eine Wärmemenge Q2 wird von dem Sammel­ behälter 31 nach außen abgestrahlt und durch Kühlluft ausgehend von der Vorderseite abgekühlt. Je größer die Kontaktfläche S1 ∼ S4 ist, desto größer ist die Wärmemenge Q1, die zu dem Sammel­ behälter 31 ausgehend von dem oberen Raum 21a überführt wird. Bei der in Fig. 2C gezeigten zweiten Ausführungsform, die eine Kontaktfläche S3 (S3 = 144 mm²) aufweist, sind Q1 und Q2 nahezu ausgeglichen (Q1 ≈ Q2). Dies spiegelt sich in der Kühlmittel­ füllkennlinie (c) in Fig. 4 wieder.

Eine dritte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 5 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist ein wei­ teres Trennelement 36 den ersten und zweiten Trennelementen 28 und 29 in dem ersten Wasserkasten 21 gemäß den vorangehenden Ausführungsformen hinzugefügt, und ein weiteres Trennelement 37 ist dem dritten Trennelement 30 in dem zweiten Wasserkasten 22 der vorstehenden Ausführungsformen zugefügt. Das Trennelement 36 ist in einer Position zwischen den ersten und zweiten Trenn­ elementen 28 und 29 angeordnet. Das Trennelement 37 in dem zweiten Wasserkasten 22 ist in einer Position entsprechend einer Zwischenposition zwischen den Trennelementen 28 und 36 im ersten Wasserkasten 21 angeordnet. Durch Hinzufügen des Trenn­ elements 36 in dem ersten Wasserkasten 21 ist der Zwischenraum in dem ersten Wasserkasten 21 in zwei Räume 21b und 21b' unter­ teilt. Der obere Raum des zweiten Wasserkastens 22 ist in zwei Räume 22a und 22a' durch das zusätzliche Trennelement 37 unter­ teilt. Da der Verflüssigungsabschnitt 34 der dritten Ausfüh­ rungsform außerdem durch die zusätzlichen Trennelemente unter­ teilt ist, führt das Kühlmittel in dem Verflüssigungsabschnitt 34 mehrere Kehren durch.

Der Unterkühlungsabschnitt 35 des Wärmetauscherkerns 23 bei den vorangehenden Ausführungsformen kann getrennt von dem Verflüs­ sigungsabschnitt 34 angeordnet sein. In diesem Fall ist der Auslaßanschluß 27 des zweiten Wasserkastens 22 weggelassen und der Ausgangsanschluß ist an dem Sammelbehälter 31 angeordnet. Der Auslaßanschluß an dem Sammelbehälter ist durch eine Rohr­ leitung mit einem getrennt angeordneten Unterkühlungsabschnitt verbunden. Es ist außerdem möglich, die vorliegende Erfindung auf ein System anzuwenden, das keinen Unterkühlungsabschnitt aufweist.

Während die vorliegende Erfindung in bezug auf bevorzugte Aus­ führungsformen erläutert wurde, erschließen sich dem Fachmann zahlreiche Abwandlungen und Modifikationen, ohne von der durch die anliegenden Ansprüche festgelegten Erfindung abzuweichen.

Claims (4)

1. Verflüssiger (2) mit integriertem Sammelbehälter für ein Kühlsystem, aufweisend:
einen Wärmetauscherkern (23) mit mehreren Rohren (24), die zum Kühlen von Kühlmittel, das sie durchsetzt, horizontal angeordnet sind,
einen ersten Wasserkasten (21), der sich vertikal an einem Ende der mehreren Rohre erstreckt, wobei der erste Wasser­ kasten mit den mehreren Rohren so verbunden ist, daß das Kühlmittel dazwischen kommuniziert,
einen zweiten Wasserkasten (22), der sich vertikal am anderen Ende der mehreren Rohre erstreckt, wobei der zweite Wasserkasten mit den mehreren Rohren so verbunden ist, daß das Kühlmittel dazwischen kommuniziert, und
einen Sammelbehälter (31) in vertikal verlaufender Form mit einer Oberseite (31a) und einer Bodenseite zum Bevor­ raten von flüssigem Kühlmittel und integral mit dem ersten Wasserkasten verbunden, wobei:
der erste Wasserkasten in einen oberen Raum (21a) und einen unteren Raum (21b) durch ein erstes Trennelement (28) unterteilt ist, wobei ein Einlaßanschluß (26) zum Einleiten von überhitztem Kühlmittel im oberen Raum ange­ ordnet ist,
ein Innenraum des Sammelbehälters mit dem unteren Raum (21b) des ersten Wasserkastens durch ein erstes Verbin­ dungsloch (32) so verbunden ist, daß das Kühlmittel dazwi­ schen kommuniziert, und
das erste Trennelement (28) in dem ersten Wasserkasten in einer Position angeordnet ist, in welcher es auf einem höheren Niveau liegt als eine Position 10 mm unterhalb der Oberseite (31a) des Sammelbehälters.

2. Verflüssiger mit integriertem Sammelbehälter für ein Kühl­ system nach Anspruch 1, wobei das erste Trennelement (28) in dem ersten Wasserkasten in einer Position höher als die Oberseite (31a) des Sammelbehälters angeordnet ist.

3. Verflüssiger mit integriertem Sammelbehälter für ein Kühl­ system nach Anspruch 1, wobei
ein zweites Trennelement (29) in dem unteren Raum des ersten Wasserkastens angeordnet ist, wobei das zweite Trennelement den unteren Raum in einen Zwischenraum (21b) und einen Bodenraum (21c) unterteilt,
der Innenraum des Sammelbehälters mit dem Bodenraum durch ein zweites Verbindungsloch (33) so verbunden ist, daß flüssiges Kühlmittel in dem Sammelbehälter in dem Boden­ raum fließt,
ein drittes Trennelement (30) in dem zweiten Wasserkasten auf einem horizontalen Niveau gleich dem zweiten Trennele­ ment angeordnet ist, wobei das dritte Trennelement den Innenraum des zweiten Wasserkastens in einen oberen Raum (22a) und einen unteren Raum (22b) unterteilt,
ein Auslaßanschluß (27) im unteren Raum des zweiten Was­ serkastens so angeordnet ist, daß das Kühlmittel daraus ausströmt, und
ein Verflüssigungsabschnitt (34), in welchem das Kühlmit­ tel abgekühlt und verflüssigt wird, in einem Bereich gebildet ist, der höher liegt als ein Niveau der zweiten (29) und dritten (30) Trennelemente in dem Wärmetauscher­ kern, und ein Unterkühlungsabschnitt (35), in welchem Kühlmittel unterkühlt wird, in einem Bereich unterhalb eines Niveaus der zweiten und dritten Trennelemente in dem Wärmetauscherkern gebildet ist.

4. Kühlsystem zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug, aufwei­ send:
einen Kompressor (1) , der durch einen Motor des Kraftfahr­ zeugs zum Komprimieren von Kühlmittel angetrieben ist,
einen Sammelbehälter-integrierten Verflüssiger (2) zum Verflüssigen von gasförmigem und überhitztem Kühlmittel, das von dem Kompressor ausgegeben wird,
ein Expansionsventil (4) zum Expandieren von flüssigem Kühlmittel, das von dem Sammelbehälter-integrierten Ver­ flüssiger ausgegeben wird, und
einen Verdampfer (5) zum Verdampfen eines Kühlmittel- Gas/Flüssigkeitsgemisches, das von dem Expansionsventil ausgegeben wird, wobei
sämtliche vorstehend genannten Komponenten in Reihe geschaltet sind und einen geschlossenen Kühlkreislauf bil­ den, und
der Sammelbehälter-integrierte Verflüssiger (2) der Ver­ flüssiger nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ist.