DE19903833A1

DE19903833A1 - Integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit

Info

Publication number: DE19903833A1
Application number: DE19903833A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dienhart; Hans-Joachim Krauss; Hagen Mittelstras; Karl-Heinz Staffa; Christoph Walter
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 1999-02-01
Filing date: 1999-02-01
Publication date: 2000-08-03
Also published as: US6298687B1; WO2000046558A1; JP2000227289A; JP4107461B2; AU2277200A; FR2789159A1; EP1068478A1; CA2326558A1; FR2789159B1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit mit einem Sammlergehäuse (1), in dem sich ein Sammelraum (2) und eine Wärmeübertragereinheit mit zwei getrennten, in Wärmekontakt stehenden Wärmeübertragerkanälen (5, 6) befinden, wobei der eine Wärmeübertragerkanal (5) Teil eines von einem Gehäuseeintritt zu einem Gehäuseaustritt im Sammlergehäuse verlaufenden, ersten Strömungskanals ist und einen wendelförmigen Verlauf besitzt und der andere, zweite Wärmeübertragerkanal (6) Teil eines zwischen dem Sammelraum und einem Gehäuseanschluß verlaufenden, zweiten Strömungskanals ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß besitzt auch der zweite Wärmeübertragerkanal (6) einen wendelförmigen Verlauf, wobei seine Windungen jeweils mit wenigstens einer angrenzenden Windung des ersten Wärmeübertragerkanals (5) in Wärmekontakt stehen. DOLLAR A Verwendung z. B. in Kraftfahrzeug-Klimaanlagen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Sammler- Wärmeübertrager-Baueinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Baueinheiten sind insbesondere in Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen, wie CO₂-Klimaanlagen, verwendbar, um dort jeweils einen Sammler und einen inneren Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs in einer integrierten Anordnung be reitzustellen.

Eine gattungsgemäße integrierte Sammler-Wärmeübertrager- Baueinheit ist in der Patentschrift US 3.955.375 offenbart. Die dort gezeigte Baueinheit ist Teil einer Klimaanlage, wo bei der Sammlerteil der Baueinheit zwischen der Austrittssei te eines Verdampfers und der Eintrittsseite eines Kompressors liegt und ihre Wärmeübertragereinheit einen inneren Wärme übertrager zwischen dem im Sammelraum befindlichen, nieder druckseitigen Kältemittel einerseits und dem hochdruckseiti gen Kältemittel vor der Verdampfereintrittsseite andererseits bildet. Das Kältemittel gelangt über einen seitlichen Einlaß im oberen Sammelraumbereich in den Sammelraum und wird aus diesem über eine oberseitige Sammelraumöffnung abgesaugt. Gleichzeitig wird Öl, das sich im unteren Sammelraumbereich abgesetzt hat, über eine von dort nach oben aus dem Sammel raum herausführende Ölabsaugleitung mitgesaugt. Die inte grierte Wärmeübertragereinheit ist von einer im Sammlergehäu se und damit im Sammelraum angeordneten Rohrwendel gebildet, wobei beide Rohrenden an der Gehäuseunterseite aus dem Sam melraum herausgeführt sind und dort in seitlich eingebrachte Anschlußöffnungen eines Anschlußblocks münden.

Bei einer in der Offenlegungsschrift DE 196 35 454 A1 offen barten Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit ist die Wärmeüber tragereinheit von einer oder mehreren Flachrohrspiralen mit voneinander beabstandeten Windungen gebildet, wobei das Flachrohrinnere einen ersten und der Rohrspiralenzwischenraum einen damit in Wärmekontakt stehenden zweiten Wärmeübertra gerkanal der Wärmeübertragereinheit bilden.

Aus der Patentschrift US 4.895.203 ist ein insbesondere zur Brauchwassererwärmung durch ein Kühlmittel eines Kraftfahr zeugmotors verwendeter Zweifluid-Wärmeübertrager bekannt, der ein zylindrisches Außengehäuse, einen in dessen Innerem koa xial angeordneten Hohlzylinder und eine fluiddicht zwischen dem Hohlzylinder und dem Außengehäuse verlaufende Rohrwendel mit in Axialrichtung voneinander beabstandeten Windungen auf weist. Die Rohrwendel bildet den Wärmeübertragerkanal für das eine Fluid, während der Wendelzwischenraum zwischen den Wen delwindungen als wendelförmiger Wärmeübertragerkanal für das andere Fluid fungiert.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstel lung einer integrierten Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit der eingangs genannten Art zugrunde, die einen vergleichswei se einfachen Aufbau besitzt, mit relativ geringem Aufwand herstellbar ist und eine kompakte Integration der Wärmeüber tragereinheit in einem Sammlergehäuse mit gutem Wärmeübertra gungswirkungsgrad realisiert.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer integrierten Sammler-Wärme-Übertrager-Baueinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei dieser Baueinheit besitzen charakteristischerweise beide Wärmeübertragerkanäle der Wär meübertragereinheit einen wendelförmigen Verlauf derart, daß die Windungen des einen Kanals jeweils mit wenigstens einer angrenzenden Windung des anderen Kanals in Wärmekontakt ste hen. Dadurch stehen die getrennt voneinander durch die beiden Wärmeübertragerkanäle strömenden Wärmeübertragungsmedien über die gesamte, gewundene Kanallänge miteinander in Wärmeüber tragungsverbindung. Da durch die Wendelung diese Strömungska nallänge deutlich größer sein kann als die Außenabmessungen der Wärmeübertragereinheit, läßt sich die Wärmeübertragerein heit bei gegebener, geforderter Wärmeübertragungsleistung vergleichsweise kompakt im Sammlergehäuse unterbringen. Gleichzeitig ist der Aufbau der Wärmeübertragereinheit aus zwei in Wärmekontakt stehenden, wendelförmigen Wärmeübertra gerkanälen relativ einfach und kann mit geringem Aufwand ge fertigt werden. Dabei ist es insbesondere möglich, die inte grierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit insgesamt als rei ne Schweißkonstruktion aufzubauen, ohne zusätzlich Lötverbin dungen zu benötigen.

Bei einer nach Anspruch 2 weitergebildeten Baueinheit ist der Sammelraum von einem im Inneren des Sammlergehäuses angeord neten Sammelraum gebildet, und die Wärmeübertragereinheit ist sehr einfach durch eine Rohrwendel realisiert, die mit axial beabstandeten Windungen abdichtend radial zwischen Sammlerge häuseinnenwand und Sammelbehälteraußenwand eingebracht ist. Während das Rohrinnere dieser Rohrwendel den einen Wärmeüber tragerkanal bildet, fungiert der Wendelzwischenraum zwischen den beabstandeten Windungen der Rohrwendel als der andere Wärmeübertragerkanal. Die so aufgebaute Sammler-Wärmeüber trager-Baueinheit läßt sich mit wenigen, einfachen Bauteilen fertigen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist gemäß Anspruch 3 der Sammelbehälter oben offen, und der zugehörige, vom Sam melbehälter zur Gehäuseaußenseite führende Strömungskanal verläuft vom oben offenen Sammelbehälterbereich über den ent sprechenden wendelförmigen Wärmeübertragerkanal nach unten bis mindestens zum unteren Sammelbehälterbereich, wo er mit einer oder mehreren, in den Sammelbehälter eingebrachten Öl- absaugbohrungen in Verbindung steht. Unter dem Begriff "Ölabsaugbohrung" ist dabei vorliegend jegliche feine Öffnung zu verstehen, durch die ein vom eigentlichen Wärmeübertra gungsmedium mitgeführtes, demgegenüber deutlich viskoseres Fluid mitgerissen wird, bei dem es sich um Öl handeln kann, aber nicht muß. Beim Einsatz in Klimaanlagen handelt es sich meist um vom Kältemittel mitgerissenes Schmieröl für den Kom pressor. Über die Ölabsaugbohrungen kann dieses in kontrol lierter Weise vom aus dem Sammelbehälter abgesaugten Kälte mittel wieder mitgerissen werden, nachdem es sich zuvor im Sammelbehälter unten abgesetzt hat.

In einer weiteren Ausgestaltung ist gemäß Anspruch 4 eine Steigerung des Wärmeübertragungsvermögens dadurch vorgesehen, daß die Sammelbehälteraußenwand eine an die Wärmeübertrager- Rohrwendel angepaßte Profilierung aufweist, so daß eine wär meübertragungssteigernde, flächige und nicht nur linienförmi ge Anlage der Rohrwendel an der Sammelbehälteraußenwand gege ben ist. In einer ebenfalls wärmeübertragungssteigernden Aus gestaltung ist gemäß Anspruch 5 die Wärmeübertrager- Rohrwendel mit einer außenseitigen, oberflächenvergrößernden Profilierung versehen.

Bei einer nach Anspruch 6 weitergebildeten Baueinheit ist die Wärmeübertragereinheit von einer Koaxialrohrwendel gebildet, bei der ein radial innerer und ein radial äußerer Kanal die beiden Wärmeübertragerkanäle darstellen. Auch diese Bauein heit läßt sich einfach und mit wenigen Bauteilen fertigen. Insbesondere kann in diesem Fall das Sammlergehäuse gleich zeitig die Begrenzung des Sammelraums bilden, in dem dann die Koaxialrohrwendel liegt.

Bei einer nach Anspruch 7 weitergebildeten Baueinheit befin den sich beide gehäuseseitigen Anschlußstellen des durchge henden, nicht im Sammelraum endenden, ersten Strömungskanals auf einer gemeinsamen, vorzugsweise einem Endbereich der wen delförmigen Wärmeübertragerkanäle zugewandten Gehäuseseite, und der Strömungskanal ist mit einem geradlinigen Rohrab schnitt im Sammlergehäuse zum gegenüberliegenden Wärmeüber tragerkanal-Endbereich geführt. Analog können bei Bedarf auch für das im Sammelraum zwischenzuspeichernde Wärmeübertra gungsmedium der gehäuseseitige Eintritt und Austritt auf die ser Gehäuseseite vorgesehen sein, so daß alle Anschlüsse für die integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit von einer Seite zugänglich sind.

Bei einer nach Anspruch 8 weitergebildeten Baueinheit geht die Koaxialrohrwendel im einen Endbereich in einen U-förmigen Koaxialrohrabschnitt über, der radial innerhalb des Wendelbe reichs liegt und mit dem sich die wärmeübertragungswirksame Strömungslänge ohne Vergrößerung der Baueinheit selbst weiter steigern läßt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 9 ist die Koaxialrohrwendel im Sammelraum angeordnet und an einem Ende mit ihrem radial äußeren Kanal so verkürzt, daß dessen Mündungsende im oberen Sammelraumbereich liegt, während der radial innere Kanal zur Gehäuseaußenseite weitergeführt ist. In weiterer Ausgestaltung dieser Maßnahme ist gemäß Anspruch 10 die Koaxialrohrwendel in einem unteren Sammelraumbereich mit einer oder mehreren Ölabsaugbohrungen versehen, die ihren radial äußeren Kanal mit dem unteren Sammelraumbereich ver binden, in welchem sich das vom eigentlichen Wärmeübertra gungsmedium mitgerissene, viskosere Fluid absetzt.

Bei einer nach Anspruch 11 weitergebildeten Baueinheit sind Sammelraumzufuhrmittel vorgesehen, die das im Sammelraum zwi schenzuspeichernde Wärmeübertragungsmedium diesem mit einer tangentialen Strömungskomponente zuführen. Die dadurch be wirkte rotierende Zuflußströmung in den Sammelraum erleich tert die erwünschte Trennung von eigentlichem Wärmeübertra gungsmedium und dem von ihm mitgerissenen, viskoseren Fluid.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine Längsschnittansicht durch eine integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit mit auf einem planen Zwischenboden aufsitzendem Sammelraumbehälter und umgebender Wärmeübertragerrohrwendel,

Fig. 2 eine Ansicht entsprechend Fig. 1, jedoch für eine Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit mit nach unten gewölbtem Zwischenboden,

Fig. 3 eine ausschnittweise Schnittansicht durch eine Samm ler-Wärmeübertrager-Baueinheit entsprechend den Fig. 1 und 2, jedoch mit profilierter Sammelbehälterwand,

Fig. 4 eine Querschnittansicht durch eine statt der unpro filierten Wärmeübertragerrohrwendel der Fig. 1 bis 3 verwendbare profilierte Rohrwendel,

Fig. 5 eine Ansicht entsprechend Fig. 1, jedoch für eine Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit ohne Zwischenbo den,

Fig. 6 eine Längsschnittansicht einer integrierten Sammler- Wärmeübertrager-Baueinheit mit Koaxialrohrwendel und beidseitigen Anschlüssen,

Fig. 7 bis 9 Querschnittsansichten verschiedener, in der Baueinheit von Fig. 6 verwendbarer Koaxialrohrwen deln,

Fig. 10 eine Schnittansicht entsprechend Fig. 6, jedoch für eine Baueinheit mit nur einer Anschlußseite,

Fig. 11 eine schematische Draufsicht auf die Anschlußseite der Baueinheit von Fig. 10 und

Fig. 12 eine Schnittansicht entsprechend Fig. 6, jedoch für eine Baueinheit mit U-förmigem Koaxialrohrabschnitt.

Die in Fig. 1 dargestellte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit beinhaltet im Inneren eines Sammlergehäuses 1 einen als Sam melraum fungierenden, zylindrischen Sammelbehälter 2, der auf einem Zwischenboden 3 aufsitzt. Zwischen den Sammelbehälter 2 und das Sammlergehäuse 1 ist eine Rohrwendel 5 eingebracht, deren Windungen in Axialrichtung voneinander beabstandet sind und radial innen fluiddicht gegen die Sammelbehälteraußenwand sowie radial außen fluiddicht gegen die Sammlergehäuseinnen wand anliegen. Auf diese Weise ist ein korrespondierender wendelförmiger Zwischenraum 6 gebildet, der axial von je zwei benachbarten Rohrwendelwindungen, radial nach innen von der Sammelbehälterwand und radial nach außen von der Sammlerge häusewand begrenzt wird. Die Rohrwendel 5 endet an der oberen Gehäuseseite mit einem aus dem Gehäuse 1 herausgeführten Aus trittsstutzen 5a und an der unteren Gehäuseseite mit einem Eintrittsstutzen 5b, der durch den Zwischenboden 3 und eine Bodenwand 1a des Sammlergehäuses 1 hindurchgeführt ist. Wäh rend der Eintrittsstutzen 5b durch die Gehäusebodenwand 1a fluiddicht geführt ist, ist im Zwischenboden 3 ein gegenüber dem Eintrittsstutzen 5b größerer, nicht näher gezeigter Durchlaß vorgesehen, über den der Wendelzwischenraum 6 mit einem vom Zwischenboden 3 und der Gehäusebodenwand 1a be grenzten Abzugsraum 7 in Fluidverbindung steht. Vom Abzugs raum 7 führt ein Austrittsstutzen 8 aus dem Sammlergehäuse 1 heraus. Über einen weiteren Durchbruch an der Gehäuseobersei te 1b ist ein Eintrittsstutzen 4 eingebracht, der in den oben offenen Sammelbehälter 2 mündet.

Auf diese Weise bilden das im Sammelbehälterbereich wendel förmige Rohr 5 einerseits und der Wendelzwischenraum 6 zusam men mit der oberen Sammelbehälterausmündung und dem Abzugs raum 7 andererseits einen ersten bzw. zweiten Strömungskanal, wobei die beiden Strömungskanäle entlang ihrer wendelförmigen Abschnitte, d. h. entlang der Rohrwendel 5 und des Wendelzwi schenraums 6, miteinander in Wärmekontakt stehen und so einen ersten bzw. zweiten Wärmeübertragerkanal einer in das Samm lergehäuse 1 integrierten Wärmeübertragereinheit bilden.

Im Betrieb wird ein erstes Wärmeübertragungsmedium M1 durch den durchgehend vom Eintrittsstutzen 5b zum Austrittsstutzen 5a im Sammlergehäuse 1 verlaufenden Rohr-Strömungskanal hin durchgeführt, der im wärmeübertragungsaktiven Bereich aus der Rohrwendel 5 besteht. Ein mit dem ersten in Wärmekontakt zu bringendes, zweites Wärmeübertragungsmedium M2 gelangt über den Eintrittsstutzen 4 in den Sammelbehälter 2 und wird dort zwischengespeichert. Es kann von dort im dampfförmigen Zu stand oben aus dem Sammelbehälter 2 wieder abgezogen werden, wobei es entlang des Wendelzwischenraums 6 nach unten strömt, dann in den Abzugsraum 7 gelangt und von dort über den Aus trittsstutzen 8 abgezogen wird. Entlang des vom Wendelzwi schenraum 6 gebildeten, wendelförmigen Strömungsweges steht das zweite Wärmeübertragungsmedium M2 dabei über die aus gut wärmeleitfähigem Material gefertigte Wandung der Rohrwendel 5 mit dem durch die Rohrwendel 5 hindurchgeleiteten ersten Wär meübertragungsmedium M1 in Gegenstrom-Wärmekontakt.

Wenn vom in den Sammelbehälter 2 eingeleiteten, zweiten Wär meübertragungsmedium M2 ein viskoseres Fluid mitgerissen wird, setzt sich dieses am Boden des Sammelbehälters 2 ab. Um es von dort mit dem aus dem Sammlergehäuse 1 abgezogenen Strom des zweiten Wärmeübertragungsmediums M2 wieder mitreis sen zu können, sind im unteren Bereich der Sammelbehältersei tenwand eine oder mehrere Ölabsaugbohrungen 9 vorgesehen, die so dimensioniert sind, daß das viskosere Fluid abhängig von der Saugwirkung in einem gewissen, gewünschten Maß aus dem Sammelbehälter 2 abgesaugt wird.

Die so aufgebaute Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit kann insbesondere für den Kältemittelkreislauf einer Kraftfahr zeug-Klimaanlage verwendet werden, in der CO₂ oder ein ande res herkömmliches Kältemittel eingesetzt wird. Die in den Sammler integrierte Wärmeübertragereinheit 5, 6 fungiert hierbei als innerer Wärmeübertrager zwischen dem auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs strömenden Kältemit tel, das in diesem Fall das erste Wärmeübertragungsmedium M1 darstellt, und dem auf der Niederdruckseite strömenden Kälte mittel, das in diesem Fall das zweite Wärmeübertragungsmedium M2 repräsentiert. Niederdruckseitig schließt der Sammlerteil der Baueinheit mit dem Sammelbehälter 2 an einen Verdampfer an und geht in den inneren Wärmeübertrager 5, 6 über, während letzterer hochdruckseitig zwischen einem Kondensator oder Gaskühler und einem Expansionsventil liegt.

Somit gelangt das vom Verdampfer kommende Kältemittel über den Eintrittsstutzen 4 in den Sammelbehälter 2. Vom eintre tenden Kältemittel mitgerissenes Kompressorschmieröl setzt sich am Sammelbehälterboden ab. Im Sammelbehälter 2 befindet sich das zwischengespeicherte Kältemittel im unteren Bereich über dem abgesetzten Öl im flüssigen und im oberen Bereich im gasförmigen Zustand. Durch die Saugwirkung des Kompressors wird gasförmiges Kältemittel von oben aus dem Sammelbehälter 2 abgezogen, strömt wendelförmig durch den Wendelzwischenraum 6 nach unten in den Abzugsraum 7, wobei es über die Ölabsaug bohrungen 9 eine gewisse Schmierölmenge wieder mitreißt, und verläßt über den Austrittsstutzen 8 das Sammlergehäuse 1 in Richtung Kompressor. Im Gegenstrom hierzu wird das hochdruck seitige, vom Gaskühler oder Kondensator kommende Kältemittel über den Eintrittsstutzen 5b in die Rohrwendel 5 eingeleitet, strömt dort wendelförmig in der Rohrwendel 5 nach oben in Wärmeübertragungsverbindung mit dem durch den Wendelzwischen raum 6 nach unten strömenden, niederdruckseitigen Kältemittel und verläßt dann das Sammlergehäuse 1 über den Austrittsstut zen 5a.

Es versteht sich, daß je nach Anwendungsfall das erste Wärme übertragungsmedium M1 auch in der gegenüber der gezeigten um gekehrten Richtung durch den zugehörigen ersten Strömungska nal hindurchgeleitet werden kann, wobei es dann durch die Rohrwendel 5 nach unten im Gleichstrom zum zweiten Wärmeüber tragungsmedium M2 im Wendelzwischenraum 6 strömt, d. h. die integrierte Wärmeübertragereinheit arbeitet in diesem Fall nach dem Gleichstromprinzip.

Fig. 2 zeigt eine Variante der Baueinheit von Fig. 1, die sich von dieser nur in der Zwischenbodengestaltung unter scheidet, wobei kein planarer, sondern ein nach unten gewölb ter Zwischenboden 3a den Sammelbehälter 2 unten abschließt. Im übrigen sind für die sich entsprechenden Elemente gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 gewählt, so daß insoweit auf die obige Beschreibung zu Fig. 1 verwiesen werden kann. Beim Bei spiel von Fig. 2 ist statt oder zusätzlich zu der oder den seitlichen Ölabsaugbohrungen 9 eine Ölabsaugbohrung 9a in den Zwischenboden 3a an dessen tiefster Stelle eingebracht. Über diese kann im unteren Bereich des Sammelbehälters 2 zwischen gespeichertes Kompressorschmieröl in einer gewissen, ge wünschten Menge in den Abzugsraum 7 abgesaugt und dort von dem zum Kompressor gesaugten Kältemittel M2 mitgerissen wer den. Die nach unten gewölbte Zwischenbodengestaltung erlaubt über die an der tiefsten Stelle eingebrachte Ölabsaugbohrung 9a ein Mitreissen von Öl zum Kompressor schon dann, wenn sich im Sammelbehälter 2 erst wenig Öl angesammelt hat.

Fig. 3 zeigt in einer ausschnittweisen Schnittansicht eine weitere Variante der Baueinheit gemäß den Fig. 1 oder 2, wo bei lediglich der wärmeübertragungsaktive, modifizierte Be reich gezeigt ist, während die Baueinheit im übrigen mit der jenigen von Fig. 1 oder 2 übereinstimmt. Bei der Baueinheit von Fig. 3 ist zur Bildung des Sammelraums ein Sammelbehälter 2a vorgesehen, der eine zur Rohrwendel 5 konform profilierte Seitenwand aufweist. Dadurch liegen die Windungen der Rohr wendel 5 auf ihrer radialen Innenseite nicht nur linienför mig, sondern flächig gegen die Sammelbehälteraußenwand an, was zum einen die wenngleich nicht zwingend notwendige, so doch im allgemeinen wünschenswerte Fluiddichtheit dieser Ver bindung erleichtert und zum anderen eine verbesserte Wärme übertragung zwischen dem im Sammelbehälter 2a zwischengespei cherten und aus diesem abgezogenen Wärmeübertragungsmedium einerseits und dem durch die Rohrwendel 5 hindurchgeleiteten Wärmeübertragungsmedium andererseits ermöglicht. Zusätzlich oder alternativ zu dieser Profilierung der Sammelbehältersei tenwand kann eine außenseitige Profilierung der Rohrwendel vorgesehen sein, um deren wärmeübertragende Oberfläche zu er höhen. Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer solchen außenseitig oberflächenvergrößert profilierten Rohrwendel 5a. Die vergrö ßerte wärmeübertragende Oberfläche läßt zudem eine höhere Strömungsgeschwindigkeit der Wärmeübertragungsmedien ohne Verringerung der Wärmeübertragungsleistung zu.

Fig. 5 zeigt eine weitere Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit, die gegenüber denjenigen von Fig. 1 und 2 dahingehend modifi ziert ist, daß kein Zwischenboden vorgesehen ist. Soweit funktionell entsprechende Elemente vorhanden sind, sind diese mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen, so daß zu deren Beschreibung auf diejenige von Fig. 1 verwiesen werden kann. Der Sammelbehälter 2 sitzt in diesem Beispiel direkt auf einem ebenen Boden 1c eines insoweit modifizierten Samm lergehäuses 1' auf. Durch eine erste Bohrung im Gehäuseboden 1c ist der Eintrittsstutzen 5b für die Rohrwendel 5 durchge führt, während der Austrittsstutzen 8 für das zweite Wärme übertragungsmedium M2 in eine zweite Bohrung des Bodens 1c eingesetzt ist und in den unteren Endbereich des Wendelzwi schenraums 6 mündet, mit dem außerdem die eine oder mehreren, in die Sammelbehälterseitenwand eingebrachten Ölabsaugbohrun gen 9 in Verbindung stehen.

Fig. 6 zeigt eine integrierte Sammler-Wärmeübertrager- Baueinheit, bei der ein Sammlergehäuse 10 vorgesehen ist, das unter Wegfall eines eigenständigen Sammelbehälters einen in nenliegenden Sammelraum 11 begrenzt. In diesem Sammelraum 11 liegt eine Koaxialrohrwendel 12, die einen radial inneren Ka nal 12a und einen radial äußeren Kanal 12b beinhaltet. Durch beidseitig spanabhebende Bearbeitung ist die Koaxialrohrwen del 12 an ihren beiden, zu einem Eintrittsstutzen 12c und ei nem Austrittsstutzen 12d umgebogenen Endabschnitten in ihrem radial äußeren Kanal 12b so verkürzt, daß dieser jeweils noch innerhalb des Sammlergehäuses 10 ausmündet, während der radi al innere Kanal 12a beidseitig aus dem Sammlergehäuse 10 her ausgeführt ist. Am unteren Ende mündet dabei der äußere Koa xialrohrkanal 12b in einen vom darüberliegenden Sammelraum 11 durch einen Zwischenboden 12 abgeteilten Abzugsraum 14, der nach unten von einem Gehäuseboden 10a begrenzt ist, in den ein Auslaßstutzen 15 eingebracht ist.

Somit bildet der innere Koaxialrohrkanal 12a den Strömungs kanal für das erste Wärmeübertragungsmedium M1, während der äußere Koaxialrohrkanal 12b den Strömungskanal für das zweite Wärmeübertragungsmedium M2 bildet und entlang seines ganzen, gewendelten Strömungsverlaufs mit dem radial inneren Strö mungskanal 12a in Wärmekontakt steht. Dazu ist das Koaxial rohr aus einem hoch wärmeleitfähigen Material gefertigt. Die Koaxialrohrwendel 12 bildet somit in diesem Beispiel die in das Sammlergehäuse 10 integrierte Wärmeübertragereinheit, in der die beiden Wärmeübertragungsmedien M1, M2 vorzugsweise im Gegenstrom, alternativ im Gleichstrom, miteinander in wärme übertragender Verbindung stehen.

Das zweite Wärmeübertragungsmedium M2 wird über einen seitli chen Einlaß 16 in den Sammelraum 11 eingeleitet. Alternativ zu dieser seitlichen Zuführung kann das zweite Wärmeübertra gungsmedium M2 auch, wie gestrichelt angedeutet, über einen an der Gehäuseoberseite vorgesehenen Eintrittsstutzen 16a in den Sammelraum 11 eingeleitet werden. Ein von ihm eventuell mitgerissenes, viskoses Fluid, wie Schmieröl, setzt sich auf dem Zwischenboden 13 ab. In diesem unteren Sammelraumbereich ist das Koaxialrohr mit einer oder mehreren Ölabsaugbohrungen 17 versehen, über die angesammeltes viskoses Fluid in ge wünschter Menge vom im äußeren Koaxialrohrkanal 12b strömen den, aus dem Sammelraum 11 abgezogenen zweiten Wärmeübertra gungsmedium M2 mitgerissen werden kann. Das zweite Wärmeüber tragungsmedium M2 wird hierbei in vorzugsweise dampf- oder gasförmigem Zustand im oberen Sammelraumbereich in den äuße ren Koaxialrohrkanal 12b eingesaugt und verläßt diesen an seinem gegenüberliegenden, unteren Ende, von wo es dann in den Abzugsraum 14 und von dort aus dem Sammlergehäuse 10 her aus gelangt.

Die Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit von Fig. 6 ist in ana loger Weise mit denselben Eigenschaften und Vorteilen z. B. für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage verwendbar, wie dies zu den oben beschriebenen Beispielen der Fig. 1 bis 5 angegeben ist.

Die Fig. 7 bis 9 zeigen im Querschnitt mögliche Bauformen des Koaxialrohrs von Fig. 6. Speziell zeigt Fig. 7 ein komplett extrudiert gefertigtes Koaxialrohr 18 mit einteiligem Innen kanal 12a und einem aus mehreren parallelen, in Umfangsrich tung beabstandeten Kanalzweigen bestehenden Außenkanal 12b.

Fig. 8 zeigt ein Koaxialrohr 19, das zweiteilig aus einem dickwandigen Hochdruckrohr 19a und einem dünnwandigen Hüll rohr 19b gefertigt ist. Das Hochdruckrohr 19a beinhaltet den Innenkanal 12a und ist außenseitig mit Abstandsrippen 20 ver sehen, die vorzugsweise fluiddicht gegen die Innenfläche des Hüllrohres 19b anliegen, so daß ein wiederum aus mehreren pa rallelen Zweigen bestehender Außenkanal 12b gebildet ist. Das in Fig. 9 gezeigte Koaxialrohr 21 besteht aus einem dünnwan digen, innen mit axial verlaufenden Abstandsstegen 22 verse henen Hüllrohr 21b und einem innenliegenden Hochdruckrohr 21a, das den inneren Strömungskanal 12a bildet. Die Abstands stege 22 liegen vorzugsweise fluiddicht gegen das Hochdruck rohr 21a an, so daß wiederum mehrere parallele, den äußeren Strömungskanal 12b bildende Kanalzweige gebildet sind.

Während beim Koaxialrohr 18 von Fig. 7 die beidseitige Ver kürzung des äußeren Kanals 12b gegenüber dem inneren Kanal 12a, wie erwähnt, durch spanabhebende Bearbeitung erfolgen kann, ist dies bei den Koaxialrohren 19, 21 der Fig. 8 und 9 alternativ dadurch realisierbar, daß ein gegenüber dem inne ren Hochdruckrohr entsprechend kürzeres, äußeres Hüllrohr verwendet wird.

Fig. 10 zeigt eine Variante der Baueinheit von Fig. 6, wobei wiederum funktionell gleiche Elemente mit denselben Bezugs zeichen versehen sind und insoweit auf die Beschreibung von Fig. 6 verwiesen wird; Bei der integrierten Sammler- Wärmeübertrager-Baueinheit von Fig. 10 sind charakteristi scherweise alle vier Ein- und Austrittsstutzen zum Ein- und Ausleiten der beiden Wärmeübertragungsmedien M1, M2 in bzw. aus dem Sammlergehäuse 10 gemeinsam an dessen Oberseite 10b vorgesehen. In Abänderung der Gestaltung von Fig. 6 ist dabei der innere Koaxialrohrkanal 12a an seinem unteren Ende im Ab zugsraum 14 umgebogen und durch einen geradlinigen, durch den Zwischenboden 13 und den Sammelraum 11 hindurchführenden Ein trittsstutzen 23 zur Gehäuseoberseite 10b geführt. Des weite ren ist in die Gehäuseoberseite 10b ein den Sammelraum 11 und den Zwischenboden 13 bis zum Abzugsraum 14 durchdringender, geradliniger Absaugstutzen 24 eingebracht, über den das aus dem Sammelraum 11 und durch den gewendelten äußeren Koaxial rohrkanal 12b in den Abzugsraum 14 gelangende zweite Wärme übertragungsmedium M2 nach oben durch das Sammlergehäuse 10 hindurch abgezogen wird.

Die Zuführung des zweiten Wärmeübertragungsmediums M2 zum Sammelraum 11 erfolgt über einen ebenfalls in die Gehäuse oberseite 10b eingefügten Eintrittsstutzen 25, der sammel raumseitig mit einem tangentialen Krümmungsbogen 25a endet. Das dadurch bewirkte tangentiale Zuführen des zweiten Wärme übertragungsmediums M2, z. B. von niederdruckseitigem Kälte mittel einer Klimaanlage, in den Sammelraum 11 erweist sich als vorteilhaft, da die so entstehende, rotierende Strömung z. B. eine erwünschte Trennung von Kältemittel und mitgerisse nem Öl aufgrund von deren unterschiedlichen Dichten zur Folge hat. Die Baueinheit von Fig. 10 eignet sich insbesondere für Anwendungsfälle, bei denen es wünschenswert oder erforderlich ist, auf alle Anschlüsse der integrierten Sammler- Wärmeübertrager-Baueinheit von einer Seite her zugreifen zu können. Fig. 11 zeigt eine Draufsicht auf die gemeinsame An schlußseite der Baueinheit von Fig. 10 mit dem Eintrittsstut zen 23 und dem Austrittsstutzen 26 für das erste Wärmeüber tragungsmedium M1 sowie dem Eintrittsstutzen 25 und dem Aus trittsstutzen 24 für das zweite Wärmeübertragungsmedium M2. Im übrigen gelten für diese Baueinheit die zu den obigen Aus führungsbeispielen angegebenen Eigenschaften und Vorteile entsprechend.

Fig. 12 zeigt eine weitere Variante der Baueinheit von Fig. 6, wobei wiederum für funktionell gleiche Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet sind und insoweit auf die obige Be schreibung von Fig. 6 verwiesen wird. In Abänderung der Ge staltung von Fig. 6 ist bei der integrierten Sammler- Wärmeübertrager-Baueinheit von Fig. 12 das verwendete Ko axialrohr im Anschluß an seinen wärmeübertragungsaktiven Wen delbereich 12 an einem oberen Ende zu einem U-förmigen Ko axialrohrabschnitt 27 umgebogen, der in den unteren Sammel raumbereich zurück und von dort wieder nach oben durch das Sammlergehäuse 10 herausgeführt ist. Am tiefsten Punkt des radial innerhalb des Wendelbereichs 12 liegenden U-Bogens ist wiederum eine Ölabsaugbohrung 28 vorgesehen, die den unteren Sammelraumbereich mit dem äußeren Koaxialrohrkanal 12b ver bindet. Der U-förmige Koaxialrohrabschnitt 27 erhöht entspre chend seiner Länge die wärmeübertragungsaktive Strömungslänge der vom Koaxialrohr gebildeten, integrierten Wärmeübertrager einheit.

Wie die oben erläuterten Beispiele zeigen, stellt die Erfin dung eine integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit zur Verfügung, bei der mit wenigen Bauteilen in kompakter Bauwei se mit geringem Aufwand ein Sammler und ein Wärmeübertrager in einer gemeinsamen Baueinheit integriert sind. Insbesondere läßt sich die Baueinheit allein durch Schweißverbindungen fertigen, ohne daß zusätzlich Lötverbindungen nötig sind. Dementsprechend gibt es in diesem Fall auch keine Probleme, daß überschüssiges Flußmittel und Lot im Betrieb abplatzt und zu Betriebsstörungen beispielsweise in einem Kältemittel kreislauf führt, so daß vorliegend eine hohe Innenreinheit der Strömungskanäle gegeben ist.

Die erfindungsgemäße integrierte Sammler-Wärmeübertrager- Baueinheit ist ganz besonders für den Einsatz in Kraftfahr zeug-Klimaanlagen geeignet, speziell auch für solche mit dem Kältemittel CO₂. Die Wärmeübertragereinheit bildet hier einen in den niederdruckseitigen Sammler integrierten inneren Wär meübertrager. Das hochdruckseitige Kältemittel wird geschlos sen in einem auf entsprechend hohen Druck ausgelegten Rohr durch das Sammlergehäuse geführt, so daß keine Löt- oder Schweißverbindung der Baueinheit mit dem hochdruckseitigen Kältemitteldruck belastet ist. Das Sammlergehäuse ist dann lediglich mit dem niederdruckseitigen Kältemitteldruck bela stet und kann daher mit relativ geringer Wandstärke ausge führt sein. Durch die zwangsweise wendelförmige Strömungsfüh rung für beide Wärmeübertragungsmedien in der Wärmeüber tragereinheit ergibt sich eine bei gegebener, kompakter Bau weise hohe Wärmeübertragungsleistung, die durch Gegenstrom führung der beiden Medien zusätzlich gesteigert werden kann. Durch Profilierung der Rohrwendel und/oder eines eventuellen Sammelbehälters kann die Wärmeübertragungsleistung weiter verbessert werden. Für die kompakte Bauform ist des weiteren von Vorteil, daß für die Wärmeübertragereinheit im wesentli chen das gesamte Sammlergehäuse genutzt werden kann. Der eventuell vorgesehene Zwischenboden kann recht dünn sein, da auf beiden Seiten ein ähnlicher Druck herrscht. Das durch den Zwischenboden durchgeführte Rohrstück braucht aus diesem Grund auch nicht zwingend mit dem Zwischenboden verschweißt sein, es genügt gegebenenfalls ein bloßes Durchstecken.

Insgesamt läßt sich die Baueinheit mit geringem Gewicht fer tigen. Undichtigkeiten nach außen können auf einfache Weise von außen behoben werden. Undichtigkeiten zwischen Hoch- und Niederdruckseite an Verbindungsstellen können im Sammlerge häuse, wie gesagt, konstruktionsbedingt nicht auftreten. Wie an den verschiedenen obigen Beispielen zudem deutlich wird, können die Ein- und Auslaßanschlüsse an praktisch jede ge wünschte Stelle des Sammlergehäuses gelegt werden, so daß den im jeweiligen Anwendungsfall vorliegenden Bedingungen gut Rechnung getragen werden kann.

Claims

1. Integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit, insbeson dere für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage, mit

1. einem Sammlergehäuse (1), in dem sich ein Sammelraum (2) und eine Wärmeübertragereinheit (5, 6) mit zwei getrennten, in Wärmekontakt stehenden Wärmeübertragerkanälen befinden, wobei
- - ein erster Wärmeübertragerkanal (5) Teil eines von einem Gehäuseeintritt (5b) zu einem Gehäuseaustritt (5a) im Samm lergehäuse verlaufenden, ersten Strömungskanals ist und ei nen wendelförmigen Verlauf besitzt und der zweite Wärme übertragerkanal (6) Teil eines zwischen dem Sammelraum (2) und einem Gehäuseanschluß (8) verlaufenden, zweiten Strö mungskanals ist, dadurch gekennzeichnet, daß
- - auch der zweite Wärmeübertragerkanal (6) einen wendelförmi gen Verlauf besitzt und seine Windungen jeweils mit wenig stens einer angrenzenden Windung des ersten Wärmeübertra gerkanals (5) in Wärmekontakt stehen.

2. Integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit nach An spruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß

1. der Sammelraum von einem im Inneren des Sammlergehäuses (1) angeordneten Sammelbehälter (2) gebildet ist,
- - der eine Wärmeübertragerkanal von einer den Sammelbehälter umgebenden Wärmeübertrager-Rohrwendel (5) mit axial vonein ander beabstandeten Windungen gebildet ist, wobei sie mit ihrer radial inneren Windungsfläche dicht mit dem Sammel behälter und mit ihrer radial äußeren Windungsfläche dicht mit dem Sammlergehäuse verbunden ist, und
- - der andere Wärmeübertragerkanal von dem Wendelzwischenraum (6) gebildet ist, der axial von den beabstandeten Rohrwen delwindungen (5), radial nach innen vom Sammelbehälter (2) und radial nach außen vom Sammlergehäuse (1) begrenzt wird.

3. Integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit nach An spruch 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß

1. der Sammelbehälter (2) oben offen ist,
- - der zweite Strömungskanal (6) zwischen dem oben offenen Sammelbehälterbereich und einem auf Höhe des unteren Sam melbehälterbereichs oder tiefer liegenden, zugehörigen Ge häuseanschluß (8) verläuft und
- - der Sammelbehälter in einem unteren, mit dem zweiten Strö mungskanal in Verbindung stehenden Bereich mit einer oder mehreren Ölabsaugbohrungen (9) versehen ist.

4. Integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit nach An spruch 2 oder 3, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Au ßenwand des Sammelbehälters (2a) eine an die angrenzende Wär meübertrager-Rohrwendel (5) angepaßte Profilierung aufweist, durch die sie flächig gegen die Rohrwendelwindungen anliegt.

5. Integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 4, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertrager-Rohrwendel (5a) eine außenseitige, oberflä chenvergrößernde Profilierung aufweist.

6. Integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit nach An spruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeüber tragereinheit von einer Koaxialrohrwendel (12) gebildet ist, von der ein radial innerer Kanal (12a) den einen Wärmeüber tragerkanal und ein radial äußerer Kanal (12b) den anderen Wärmeübertragerkanal bilden.

7. Integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäuseeintritt (23) und der Gehäuseaustritt des ersten Strö mungskanals (12) auf einer gemeinsamen Gehäuseseite (10b) an geordnet sind und der erste Strömungskanal vom Gehäuseein tritt oder -austritt mit einem geradlinigen Rohrabschnitt in den gegenüberliegenden Gehäusebereich geführt ist und dort in den zugehörigen wendelförmigen Wärmeübertragerkanal (12a) übergeht.

8. Integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit nach An spruch 6 oder 7, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Koa xialrohrwendel (12) an einem Endbereich in einen U-förmigen Koaxialrohrabschnitt (27) übergeht, der sich radial innerhalb des Wendelbereichs befindet.

9. Integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 8, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Koaxialrohrwendel (12) im Inneren des Sammelraums (11) ange ordnet ist und ihr radial äußerer Kanal (12b) den zweiten Wärmeübertragerkanal bildet und am einen Ende im oberen Sam melraumbereich endet, während ihr innerer Kanal (12a) beid seits bis zu einem zugehörigen Gehäuseeintritt bzw. Gehäuse austritt weitergeführt ist.

10. Integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit nach An spruch 9, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der radial äuße re Kanal (12b) der Koaxialrohrwendel (12) über eine oder meh rere Ölabsaugbohrungen (17) mit dem unteren Sammelraumbereich in Verbindung steht.

11. Integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, weiter dadurch gekennzeichnet, daß Sammelraumzufuhrmittel (25, 25a) vorgesehen sind, die das im Sammelraum zwischenzuspeichernde Wärmeübertragungsmedium mit einer tangentialen Strömungskomponente dem Sammelraum (11) zuführen.