DE19918617A1

DE19918617A1 - Gaskühler für einen überkritischen CO¶2¶-Hochdruck-Kältemittelkreislauf einer Kraftfahrzeugklimaanlage

Info

Publication number: DE19918617A1
Application number: DE19918617A
Authority: DE
Inventors: Roland Haussmann
Original assignee: Valeo Klimatechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Valeo Klimatechnik GmbH and Co KG
Priority date: 1999-04-23
Filing date: 1999-04-23
Publication date: 2000-11-02
Anticipated expiration: 2019-04-24
Also published as: EP1046524B1; JP2000318432A; EP1046524B2; JP4394802B2; US6539746B1; EP1046524A2; ES2229986T5; EP1046524A3; ES2229986T3; DE19918617C2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gaskühler (2) für einen überkritischen CO¶2¶-Hochdruck-Kältemittelkreislauf einer Kraftfahrzeugklimaanlage, wobei der Kältemittelkreislauf in Strömungsrichtung des Kältemittels einen Verdichter (78), den Gaskühler (2), einen zwischen Hoch- und Niederdruckseite wärmetauschenden inneren Wärmetauscher (6), eine Drosseleinrichtung (80), einen Verdampfer (34) und einen niederdruckseitigen Sammler (4) aufweist, der über die Niederdruckseite des inneren Wärmetauschers (6) mit der Saugseite des Verdichters (78) kommuniziert. Nach der Erfindung ist vorgesehen, daß der Gaskühler (2) mit dem inneren Wärmetauscher (6) und/oder dem niederdruckseitigen Sammler (4) zu einer Baueinheit zusammengefaßt ist bzw. sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gaskühler für einen überkritischen CO₂-Hochdruck-Kältemittelkreislauf einer Kraftfahrzeugklimaanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs der nebengeordneten Ansprüche 1, 2 oder 3.

Die einem solchen Gaskühler zugrunde liegende Technik und Problematik ist in dem Sonderdruck von Jürgen Wertenbach, Jürgen Maué und Wolf gang Volz "CO₂ Refrigeration Systems in Automobile Air- Conditioning" im einzelnen beschrieben. Es ist dabei gemäß Fig. 2 dieses Sonderdrucks Bezug genommen auf das sogenannte RACE-project. Die Erfindung befaßt sich mit einer Weiterbil dung des Ergebnisses dieses RACE-Projektes; die Merkmale, auf welche sich die Erfindung im Oberbegriff der Ansprüche 1 bis 3 bezieht, sind in Fig. 4 dieses Sonderdrucks darge stellt.

Kurz zusammengefaßt bestehen Probleme bei der Aus legung einer Kraftfahrzeugklimatisierungsanlage, wenn man die bisherigen Kältemittel, wie etwa bei Kraftfahrzeugklimaanla gen das generell im Einsatz befindliche R134a, durch Kohlen dioxid ersetzen möchte, u. a. zur Verringerung des Treibhau seffektes. Im Rahmen des erwähnten RACE-Projektes hat es sich herausgestellt, daß bei Verwendung von CO₂ als Kältemittel der beste Wirkungsgrad mit der Schaltung gemäß Fig. 4 des genannten Sonderdrucks erzielt werden kann. Im Vergleich mit bekannten Kraftfahrzeugklimaanlagen, welche die konventionel len Kühlmittel verwenden, kommt ein zwischen Hoch- und Nie derdruckseite wärmetauschender innerer Wärmetauscher als neu es Bauelement hinzu. Während ferner bei konventionellen Käl temittelkreisläufen niederdruckseitige und hochdruckseitige Sammler gleichermaßen eingesetzt werden können, ist bei der Betriebsweise, auf welche sich die Erfindung bezieht, aus Gründen eines optimalen Wirkungsgrades ein niederdruckseiti ger Sammler bevorzugt. Wegen der Einzelheiten wird nochmals ausdrücklich Bezug auf den oben angegebenen Sonderdruck ge nommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, folgenden Gesichtspunkten mindestens einzeln, möglichst aber in Kombi nation oder gesamthaft, Rechnung tragen zu können:

1. Für den Hochdruckbetrieb erforderliche druckfe ste Leitungen sollen soweit wie möglich eingespart werden. Eine Reduzierung der Anzahl von druckfesten Verbindungslei tungen führt dabei auch zu einer Reduzierung von Schraubver bindungen dieser Verbindungsleitungen; solche Schraubverbin dungen sind nicht nur wegen des Hochdruckbetriebs, sondern auch deshalb erforderlich, weil CO₂ in konventionelle Rohr verbindungen, bei denen elastomere Dichtungen Verwendung fin den, eindiffundiert und dies zu explosionsartigem Aufsprengen der elastomeren Dichtmittel führen kann.
2. Das neue Element eines inneren Wärmetauschers soll den im Kraftfahrzeug benötigten Einbauraum möglichst überhaupt nicht oder höchstens geringfügig vergrößern.
3. Der generellen Verwendung eines niederdrucksei tigen Sammlers soll in diesem Zusammenhang raum- und kosten sparend Rechnung getragen werden.
4. Die Anordnung sollte so getroffen werden, daß in einem bestehenden Kraftfahrzeug, welches noch mit einer kon ventionellen Kraftfahrzeugklimaanlage ausgestattet ist, der Einbauraum auch für eine Klimaanlage mit den für den Betrieb mit CO₂ erforderlichen Elementen durch Austausch der entspre chenden Bauelemente nutzbar gemacht werden kann.

Diese Aufgabe wird alternativ durch die Maßnahmen der Ansprüche 1 und 2 gelöst, wobei diese Maßnahmen gemäß An spruch 3 darüber hinaus kombiniert werden.

Die Ansprüche 4 bis 6 betreffen eine sowohl im Hin blick auf die Herstellung, die Kompaktheit und die Verwend barkeit gleicher Bauteile bevorzugte Grundbauweise des erfin dungsgemäßen Gaskühlers, wobei Anspruch 7 eine weitere Stan dardisierung der Bauelemente ermöglicht.

Die "ersten" Wärmetauschrohre des Gaskühlers sind grundsätzlich verrippt; Anspruch 8 zeigt, daß man unter Schaffung einer besonders kompakten Baueinheit den inneren Wärmetauscher ganz ohne Verrippung gestalten kann.

Wie schon bisher bei konventionellen Kraftfahrzeug klimaanlagen werden bevorzugt Wärmetauscher mit Verwendung von Flachrohren eingesetzt (vgl. Anspruch 9).

Je nachdem, ob diese Flachrohre mit der Nieder druckseite oder der Hochdruckseite kommunizieren, werden sie zweckmäßig mit unterschiedlicher Länge ihrer Enden angeord net, um so eine Anschlußmöglichkeit an verschiedene Kammern für die Niederdruckseite und die Hochdruckseite zu haben (vgl. auch Anspruch 13).

Anspruch 10 mit Anspruch 11 einerseits und Anspruch 12 andererseits beschreiben dabei alternative Anordnungen, welche es ermöglichen, die Flachrohre mit kürzerer Länge ih rer freien Enden noch mit Kältemittel zu beaufschlagen. Die Ansprüche 14 bis 16 betreffen bevorzugte kon struktive Ausführungsformen des Sammlers des inneren Wärme tauschers.

Während die bisher besprochenen Ausführungsformen sich mit dem Grundgedanken von Anspruch 1 befassen, der auch in Anspruch 3 mit enthalten ist, betreffen die nachfolgenden Ansprüche 18 bis 22 bevorzugte Weiterbildungen von Anspruch 2, der ebenfalls in Anspruch 3 mit einbezogen ist.

Gemäß Anspruch 17 wird zunächst davon Gebrauch ge macht, den niederdruckseitigen Sammler längs des Registers der "ersten" Wärmetauschrohre des Gaskühlers, also quer zu diesen Wärmetauschrohren, anzuordnen, während ja der innere Wärmetauscher vorzugsweise stirnseitig am Register des Gas kühlers, also im wesentlichen mit gleicher Ausrichtung seiner "zweiten" Wärmetauschrohre, angeordnet sein soll.

Nach Anspruch 18 ist dabei ein Zwischenkanal zwi schen Gaskühler und Sammler vorgesehen, der je nach Anordnung des inneren Wärmetauschers oberhalb oder unterhalb des Gas kühlers mit minimalem konstruktiven Aufwand die erforderliche strömungsmäßige Verschaltung des Kältemittels durchführt und somit durch integrierte Leitungsführung externe Leitungen für das CO₂-Kältemittel einspart. Die Ansprüche 19 und 20 betref fen dabei bevorzugte Weiterbildungen. Anspruch 20 ist dabei dadurch ausgezeichnet, daß eine Akkumulation von eingetrete nem Schmiermittel des Verdichters mit einfachsten Mitteln, gegebenenfalls (Anspruch 6, Fig. 1) sogar unter Vermeidung einer bekannten Tauchleitung, vermieden wird (vgl. Sonder druck der Volkswagen AG "RACE-Project - Final Technical Task Report of Tasks 7, 15 and 16" von Dr. H. Röhe, B. Adiprasito und Dr. U. Brennenstuhl vom 17. 07. 1997, insbesondere Fig. 1).

In den Ansprüchen 21 und 22 sind zwei bereits wei ter oben angesprochene Grundprinzipien, welche nach der Er findung soweit wie möglich erfüllt werden sollen, allgemein formuliert.

Die Ansprüche 23 und 24 schließlich betreffen die zusätzliche Einbeziehung eines Motorkühlers in den Gedanken der erfindungsgemäßen vorgefertigten Baueinheit.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schemati scher Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen noch nä her erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und Fig. 2 in einem abgebrochen dargestell ten Längsschnitt eine erste und eine zweite Ausführungsform eines Gaskühlers, der sowohl mit einem inneren Wärmetauscher als auch mit einem niederdruckseitigen Sammler zu einer Bau einheit zusammengefaßt ist;

Fig. 3a und 3b in teilweise geschnittener grobsche matischer Darstellung zwei alternative Ausführungsformen ei ner Kombination einer Baueinheit der Art von Fig. 1 mit einem Motorkühler unter Verbindung zu einer gemeinsamen Baueinheit über eine gemeinsame Verrippung von Gaskühler und Motorküh ler, wobei die Blickrichtung in normaler Einbaulage von unten nach oben verläuft und zusätzlich eine Längsschnittdarstel lung des inneren Wärmetauschers eingezeichnet ist;

Fig. 4 den Gaskühler gemäß Fig. 1 unter Einbezie hung in die Schaltung seines Kältemittelkreislaufes;

Fig. 5 in vergrößertem Maßstab einen Teilquer schnitt durch den Sammelbehälter, den Zwischenkanal und ein Verteil- oder Sammelrohr des Gaskühleres;

Fig. 6 in vergrößertem Maßstab einen Längsteil schnitt im Anschlußbereich des Verteil- oder Sammelrohres des Gaskühlers an den Sammler eines inneren Wäremtauschers bei rechtwinkliger Querstellung der zweiten Wärmetauschrohre des inneren Sammlers in bezug auf die ersten Wärmetauschrohre des Gaskühlers;

Fig. 7 in vergrößertem Teilquerschnitt eine Dar stellung entsprechender Anschlußverhältnisse wie in Fig. 6, wobei jedoch die ersten und die zweiten Wärmetauschrohre gleiche Orientierung haben; und

Fig. 8 wiederum in vergrößertem Maßstab eine teil weise Explosionsdarstellung bei einer Anordnung gemäß Fig. 7 des Sammlergehäuses des inneren Wärmetauschers mitsamt stirn seitigem Deckel.

Ein Gaskühler 2 und ein niederdruckseitiger Sammler 4 sind bei den alternativen Ausführungsformen einer Bauein heit gemäß den Fig. 1 oder 2 gleichartig angeordnet. Die An ordnungen der beiden Ausführungsformen unterscheiden sich insbesondere dadurch, daß ein innerer Wärmetauscher 6 bei der Ausführungsform nach Fig. 1 an einer in normaler Einbaulage in einem Kraftfahrzeug unterer Stirnseite, in Fig. 2 aber an der oberen Stirnseite des Gaskühlers 2 in die Baueinheit mit einbezogen ist. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 wird da bei die Gasphase des Kältemittels aus dem niederdruckseitigen Sammler durch ein bei der Ausführungsform nach Fig. 1 nicht benötigen Tauchrohr abgezogen. Die Baueinheit besteht in bei den Fällen aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, gege benenfalls auch aus Kombinationen solcher Materialien.

Bei beiden Ausführungsformen der Fig. 1 sowie 2 weist der Gaskühler 2 ein Register erster Wärmetauschrohre 8 auf, welche als Flachrohre mit einander zugewandten Flachsei ten ausgebildet sind. Zwischen diesen Flachseiten sind Zick zacklamellen 10 mit den Wärmetauschrohren 8 hartverlötet ein geschachtelt. Eine entsprechende Zickzacklamelle 10a ist je weils auch noch an den beiden stirnseitig letzten Flachrohren 8a hartverlötet angeschlossen und dabei an der dem inneren Wärmetauscher 6 abgewandten Stirnseite von einem ebenfalls hartgelöteten Abschlußblech 12 überdeckt.

Der innere Wärmetauscher 6 seinerseits besteht aus einem unmittelbar miteinander verlöteten Stapel von zweiten Wärmetauschrohren 14 mit abwechselnd unterschiedlicher Länge, wie später noch im einzelnen erläutert wird. Auch die zweiten Wärmetauschrohre 14 sind Flachrohre. Die beiden benachbarten Flachrohre 14 des inneren Wärmetauschers 6 sowie 8a des Gas kühlers 2 sind über die eine Zickzacklamelle 10a miteinander durch Hartlötung verbunden.

Die ersten Wärmetauschrohre 8 sowie die zweiten Wärmetauschrohre 14 sind gleich ausgebildete Flachrohre.

Die beiden Enden der Flachrohre 8 des Gaskühlers münden jeweils in einem Verteil- oder Sammelrohr 16, welche jeweils in mehrere übereinanderliegende Kammern 18 bzw. 20 unterteilt sind. Die Kammern 18 des einen Verteil- oder Sam melrohres 16 sind gegenüber den Kammern 20 des anderen Ver teil- oder Sammelrohres 16 so gegeneinander versetzt, daß zwischen ihnen eine in Längsrichtung des Gaskühlers gemäß den eingezeichneten Pfeilen hin und her fortschreitende Durch strömung jeweils von Gruppen mehrerer erster Wärmetauschrohre 8 nach Art eines Kreuzstromwärmetauschers stattfindet, und zwar jeweils im Gaskühler bei der dargestellten normalen Ein baulage im Kraftfahrzeug von oben nach unten. Die Zuführung des Kältemittels erfolgt somit jeweils "oben", und zwar bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 an einem stirnseitigen An schlußstutzen 22 an der dem inneren Wärmetauscher 6 abgewand ten Stirnseite, bei der Ausführungsform nach Fig. 2 an einem umfangsseitigen Anschlußstutzen 24 in Nachbarschaft des inne ren Wärmetauschers 6. Längs des Gaskühlers 2 erstreckt sich bei beiden Ausführungsformen der niederdruckseitige Sammler 4, welcher gemäß Fig. 5 bei beiden Ausführungsformen der Fig. 1 und Fig. 2 über einen Zwischenkanal 26 mit einem benachbar ten Verteil- oder Sammelrohr 16 in integraler Fertigung, z. B. als Strangpreß-, Druckguß- oder Fließpreßteil, zusammenhängt. Im niederdruckseitigen Sammelbehälter ist ein Niveau 28 zwi schen flüssiger Phase 30 und gasförmiger Phase 32 eingezeich net.

Bei beiden Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 wird von dem Verdampfer 34 (vgl. Beschreibung von Fig. 4) des Käl temittelkreislaufs kommendes Kältemittel, welches noch eine flüssige Teilphase in seiner Gasphase enthält, durch einen Anschlußstutzen 36 an einem oberen Deckel 38 des niederdruck seitigen Sammlers 4 in diesen gemäß dem Pfeil 40 eingeführt und durch eine gekrümmte Leitung 42 gegen die zylindrische Innenwand des niederdruckseitigen Sammlers 4 so weiterge führt, daß eine spiralförmige Abwärtsströmung des Kältemit tels mit Ableitung des flüssigen Anteils nach unten an dieser Innenwand des niederdruckseitigen Sammlers 4 erfolgt.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 wird das von der flüssigen Phase befreite Kältemittel durch eine obere Öffnung 44 in den Zwischenkanal 26 eingeleitet. Ferner ist am niederdruckseitigen Sammler 4 eine untere Öffnung 46 eben falls zum Zwischenkanal 26 hin vorgesehen; diese ist so be messen, daß zusammen mit lediglich für den Transport genutz ter kleiner Menge flüssiger Phase des Kältemittels am Grund des Sammlers angesammeltes Schmieröl zum Zwischenkanal 26 hin ausgetragen werden kann. Das untere Ende des Zwischenkanals 26 kommuniziert mit der Niederdruckseite 48 eines Sammlers 50 des inneren Wärmetauschers 6 (vgl. die spätere Beschreibung des inneren Wärmetauschers 6, die insoweit wiederum bei den beiden Ausführungsbeispielen der Fig. 1 und 2 gleichartig ist).

Der niederdruckseitige Sammler 4 dient allgemein dazu, die flüssige Phase des zugeführten Kältemittels abzu scheiden und zu sammeln und nur gasförmige Phase zur Nieder druckseite 48 des inneren Wärmetauschers 6 weiterzuleiten.

Bei der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 erfolgt diese Weiterleitung durch die obere Öffnung 44 oberhalb des Niveaus 18 der flüssigen Phase ("nach unten") über den Zwi schenkanal 26. Die untere Öffnung 46 kann für den Kältemit telkreislauf selbst an sich geschlossen sein und dient aus schließlich dazu, im niederdruckseitigen Sammler 4 an dessen Grund angesammelte schmierölreiche flüssige Phase nicht zu stark anwachsen zu lassen, sondern immer wieder durch die un tere Öffnung 46 abführen zu können. Soweit hier flüssige Pha se des Kältemittels selbst mitgeführt wird, ist dies an sich unerwünscht und lediglich als Transportmittel für das im Zwi schenkanal 26 nach unten mitgerissene Schmieröl nutzbar ge macht. Im übrigen schwankt das Niveau 28 zwischen gasförmiger Phase 32 und flüssiger Phase 30 im niederdruckseitigen Samm ler 4 in Abhängigkeit von der Füllung des Kältemittelkreis laufes und den Betriebsbedingungen des Kraftfahrzeugs.

Die zweite Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist funk tionell grundsätzlich gleichartig, muß jedoch im Hinblick auf die Anordnung des inneren Wärmetauschers 6 oben am Gaskühler 2 modifiziert werden.

Der Zwischenkanal 26 dient hier dazu, von der un tersten Kammer 18 des Verteil- und Sammelrohres 16 aus unter Hochdruck stehendes Kältemittel zurück "nach oben" zu führen. Dieses wird dann durch eine Gruppe von ersten Wärmetauschroh ren 8b und 8a in die oberste Kammer 20a oberhalb der mit dem Anschlußstutzen 24 versehenen Kammer 20 eingeleitet und von dieser in die Hochdruckseite 52 des Sammlers 50 des inneren Wärmetauschers 6 weitergeführt.

Im Gegensatz zur Ausführungsform von Fig. 1 ist bei der Ausführungsform von Fig. 2 innerhalb des niederdrucksei tigen Sammlers 4 ein Tauchrohr 54 angeordnet, welches in die flüssige Phase 30 des niederdruckseitigen Sammlers 4 bis in Nachbarschaft von dessen Boden eintaucht, von der Oberseite des niederdruckseitigen Sammlers 4 oberhalb der Mündung der Leitung 42 von flüssiger Phase getrennte gasförmige Phase des Kältemittels ansaugt und unter Umkehrung der Strömungsrich tung in die Niederdruckseite 48 des inneren Wärmetauschers 6 zuführt (was im Falle der Ausführungsform von Fig. 1 ohne das Tauchrohr über die obere Öffnung 44 und den Zwischenkanal 26 erfolgt).

Am Grund des Umlenkbogens 56 des Tauchrohres 54 ist ein Ansaugloch 58 (bleed hole) ausgebildet, an welchem unter dem funktionell bestehenden Druckgradienten am Grund des nie derdruckseitigen Sammlers 4 mit Schmieröl angereicherte flüs sige Phase angesaugt und zusammen mit der gasförmigen Phase im Tauchrohr 54 abtransportiert wird.

Wie mehr im einzelnen noch aus den Fig. 7 und 8 er sichtlich ist, hat bei beiden Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 der innere Wärmetauscher 6, dessen Register von zweiten Wärmetauschrohren 14 nach Art eines Gegenstromwärmetauschers vom Kältemittel beaufschlagt ist, folgenden grundsätzlichen Aufbau:
Im Gaskühler 2 und im inneren Wärmetauscher 6 wer den als erste Wärmetauschrohre 8 des Gaskühlers 4 und zweite Wärmetauschrohre 14 des inneren Wärmetauschers 6 solche Flachrohre verwendet, die hinsichtlich ihrer Außenkontur und vorzugsweise auch im inneren Rohrquerschnitt gleich ausgebil det sind.

Dabei sind, wie in Fig. 7 angedeutet ist, das Regi ster der in Längsrichtung des Gaskühlers 2 verlaufenden er sten Wärmetauschrohre 8 und ein Register eines ersten Stapels 60 von zweiten Flachrohren 14 des inneren Wärmetauschers 6 so in vertikaler Richtung räumlich überdeckt, daß die Ränder der ersten und zweiten Flachrohre 8 und 14 vertikal miteinander fluchten.

Im inneren Wärmetauscher 6 ist seitlich neben dem ersten Stapel 60 der zweiten Wärmetauschrohre 14 ein zweiter Stapel 62 der inneren Wärmetauschrohre 14 angeordnet, der mit dem ersten Stapel 60 baugleich ist. Zwischen den beiden Sta peln 60 und 62 ist eine zentral zwischen den beiden Stapeln 60 und 62 angeordnete Durchtrittsöffnung 64 für Kältemittel freigelassen. Man erkennt an Fig. 7, daß die beiden Stapel 60 und 62 unter Einbeziehung der Durchtrittsöffnung 64 eine Ge samtbreite haben, die etwa dem freien Innendurchmesser des Sammlers 50 des inneren Wärmetauschers 6 entspricht und um das Maß der zentralen Durchtrittsöffnung 64 mehr als doppelt so breit ist als das Register der ersten Wärmetauschrohre 8 des Gaskühlers 2. Der Mantel 50 des inneren Wärmetauschers 4 seinerseits hat ungefähr das gleiche Außenmaß wie das Gehäuse 94 des mit kreisförmiger Kontur gestalteten niederdruckseiti gen Sammlers 4, so daß insoweit die beiden Elemente 50 und 94 gleiche Einbautiefe im Kraftfahrzeug haben. Diese Beibehal tung der Einbautiefe ermöglicht mit den beiden Stapeln 60 und 62 der zweiten Wärmetauschrohre 14 andererseits, daß bei gleicher Leistung die Höhe des jeweiligen Stapels im Ver gleich zu einem einfachen Stapel halbiert werden kann.

Darüber hinaus hat die Durchtrittsöffnung 64 noch eine Kanalfunktion. Denn in beiden Stapeln 60 und 62 wechseln sich Flachrohre 66 mit relativ großer Länge und Flachrohre 68 mit relativ kleiner Länge ab. Die Flachrohre 66 mit relativ großer Länge sind dabei im jeweiligen Sammler 50 mit dessen den Flachrohren abgewandter Niederdruckseite 48 kommunizie rend verbunden, während die Flachrohre 68 mit kleinerer Länge in der Hochdruckseite 52 des Sammlers 50 kommunizierend mün den und über einen Anschlußstutzen 70 mit der benachbarten Kammer 20 im Verteil- oder Sammelrohr 16 kommunizieren. Die Niederdruckseite 48 kommuniziert über einen Anschlußstutzen 72 bei der Ausführungsform von Fig. 1 mit dem Zwischenkanal 26 und bei der Ausführungsform von Fig. 2 mit dem Tauchrohr 54. Die beiden Anschlußstutzen 70 und 72 beschreiben dabei die jeweilige Eintrittsseite des inneren Wärmetauschers. Aus trittsseitig sind die Niederdruckseite 48 des inneren Wärme tauschers über einen äußeren Anschlußstutzen 74 und die Hoch druckseite 52 mit einem äußeren Anschlußstutzen 76 an den Kältemittelkreislauf angeschlossen, wie unter Darstellung des Kältemittelkreislaufes mehr im einzelnen noch aus Fig. 4 zu ersehen ist.

In Fig. 4 ist der Kältemittelkreislauf bei einer Baueinheit gemäß Fig. 1 in Strömungsrichtung dargestellt. Das Kältemittel wird dabei vom Verdichter 78 über eine Hochdruck leitung 82 dem Eintrittsstutzen 24 für den Gaskühler zuge führt und tritt wieder aus dem inneren Wärmetauscher 6 an dem hochdruckseitigen Anschlußstutzen 76 aus und wird dann von der hochdruckseitigen Flüssigkeitsleitung 84 einer Drosse leinrichtung 80 zugeführt, die den Hochdruck des Kältemittels in Niederdruck entspannt und über eine Niederdruckleitung 86 einen Verdampfer 34 speist, der das flüssige Kältemittel min destens teilweise in die gasförmige Phase überführt und über die niederdruckseitige Leitung 88 dem Anschlußstutzen 36 am oberen Deckel 38 des niederdruckseitigen Sammlers 4 zuführt. Nach der Durchströmung des niederdruckseitigen Sammlers 4 und des inneren Wärmetauschers 6 tritt die gasförmige Phase des Kältemittels wieder aus dem austrittsseitigen Anschlußstutzen 74 des inneren Wärmetauschers 6 aus und wird über die unter Niederdruck stehende Saugleitung 90 dem Eingang des Verdich ters 78 im geschlossenen Kreislauf wieder zugeführt.

Im Sammler 50 sind jeweils die Niederdruckseite 48 und die Hochdruckseite 52 durch eine Zwischenwand 92 dicht voneinander abgetrennt, welche als Rohrboden für die zweiten Wärmetauschrohre 14 mit langen Enden dient.

Wie aus Fig. 8 erkennbar ist, ist das Gehäuse 98 des Sammlers 50, in das die aus lotbeschichtetem Blech beste hende Zwischenwand 92 eingesetzt ist, an seiner einen Stirn seite mit einer integralen Stirnwand 96 ausgebildet, die ih rerseits integral in den hochdruckseitigen Anschlußstutzen 70 übergeht, der mit der Hochdruckseite 52 des Sammlers 50 des inneren Wärmetauschers 6 kommuniziert.

Auf der anderen Stirnseite ist das Gehäuse 98 des Sammlers 50 mit einem separaten Deckel 100 verschlossen, der zur Verlötung mit dem Gehäuse 98 eine Umbördelung 102 am äu ßeren Rand besitzt. Im Deckel 100 ist weiterhin der Anschluß stutzen 74 für die Niederdruckseite 48 des Sammlers 50 ange ordnet, durch den das Kältemittel an der Niederdruckseite 48 den niederdruckseitigen Flachrohren 66 zu- oder von diesen abgeführt werden kann.

Um die bei der Montage des Deckels 100 mit dem Ge häuse 98 eingestellte Positionierung auch während des Lötvor gangs halten zu können, ist an der Zwischenwand 92 ein Zapfen 104 und an dem Deckel 100 eine Öffnung 106 angebracht, durch die der Zapfen 104 hindurchgreift und zur Fixierung der Posi tion nach der Montage verstemmt wird.

Während in Fig. 7 und 8 die zweiten Wärmetauschroh re 14 mit ihren Flachseiten parallel zu den ersten Wärme tauschrohren 8 angeordnet sind, ist in Fig. 6 eine um 90° verdrehte Anordnung der oben genannten Flachrohre darge stellt. Bei dieser Ausführung kann das unter Hochdruck ste hende Kältemittel in der hochdruckseitigen Kammer 52 des Sammlers 50 zwischen den parallelen Flachseiten der Flachroh re 66 mit relativ großer Länge in die Eintrittsöffnung 106 der Flachrohre 68 mit relativ kleiner Länge eintreten. Die Flachrohre 68 sowie 66 sind, analog zur Ausführungsform gemäß Fig. 8 vorzugsweise abwechselnd aufeinander gestapelt, es sind jedoch auch andere Anordnungen möglich, wie z. B. zwei Flachrohre 68 kombiniert mit jeweils einem Flachrohr 66.

Durch die Ausführungsform nach Fig. 6 kann die zen trale Durchtrittsöffnung 64 eingespart werden, so daß der Stapel der zweiten Wärmetauschrohre 14 im wesentlichen die gleiche Höhe aufweisen kann wie die in Durchtrittsrichtung der Umgebungsluft gemessene Bautiefe des Gaskühlers 2, die durch die Länge der ersten Wärmetauschrohre 8 (gemessen in Richtung der Flachseiten) gegeben ist.

Der Aufbau des Sammlers 50 ist analog zur Ausfüh rungsform in Fig. 8.

Der einzige Unterschied besteht darin, daß in Fig. 6 der Deckel 100 als Flachteil ohne Umbördelung 102 zur Ver lötung mit dem Gehäuse 98 vorgesehen ist.

Zur Verlötung des Sammlers 50 mit dem Verteiler der Sammelrohre 16 über den Anschlußstutzen der Hochdruckseite 70 kann zwischen beiden Teilen vor der Verlötung noch ein Lot ring 108 eingeschoben werden.

Um einen druckstabilen möglichst von der Lötquali tät unabhängigen Aufbau des Verteil- oder Sammelrohres 16, des Zwischenkanales 26 sowie des niederdruckseitigen Sammlers 4 zu erhalten, können, wie in Fig. 5 dargestellt, alle 3 oben genannten Bauteile aus einem integralen Strangpreßteil herge stellt werden.

Zur Aufnahme der ersten Wärmetauschrohre 8 können Rohraufnahmeschlitze 110 in einem dem Strangpreßverfahren nachgeschalteten Prozeß eingebracht werden, in die die Roh renden der ersten Wärmetauschrohre 8 entweder direkt oder in direkt über ein zusätzliches Bodenblech 112 eingreifen, das zur besseren Verlötung mit den ersten Wärmetauschrohren 8 noch mit einem Kragen 114 versehen sein kann. Im Falle der Verwendung eines Bodenblechs 112 kann dieses auch dazu ge nutzt werden, das zur Verlötung des stranggepreßten ersten Wärmetauschrohres 8 mit dem stranggepreßten Sammel- und Ver teilrohr 16 erforderliche Lot bereitszustellen, das als Be schichtung auf beiden Seiten des Bodenblechs 112 aufgetragen ist.

In Fig. 3a und 3b ist die Kombination eines Wärme tauschers gemäß Fig. 1 mit einem Motorkühler mit Blick paral lel zur Längsachse des niederdruckseitigen Sammlers darge stellt. Da in Einbaulage der niederdruckseitige Sammler 4 so wie die Verteil- und Sammelrohre 16 stets vertikal angeordnet sind, entspricht die Darstellung in Fig. 3a und 3b auch einer Sichtweise in Einbaulage gegen die Schwerkraftrichtung von unte nach oben. Zur besseren Darstellung der Funktion des in neren Wärmetauschers 6 ist derselbe noch im Längsschnitt dar gestellt. Fig. 3a und 3b zeigen im einzelnen einen Motorküh ler 116, der über ein Wärmetauschernetz 118 und Sam mel/Verteilkästen 120 verfügt, über die das Kühlmittel den einzelnen Wärmetauschrohren des Wärmetauschernetzes 118 zu- oder abgeführt wird. Die Elemente des erfindungsgemäßen Wär metauschers sind analog zu der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und Fig. 8 dargestellt.

Durch eine entsprechende konstruktive Ausführung des Zwischenkanals wird dann weiterhin das Verteil- oder Sam melrohr 16 des Gaskühlers in Luftrichtung A ebenfalls mög lichst nahe zum Wärmetauschernetz 118 angeordnet, um die ge meinsame Bautiefe der Baueinheit aus Motorkühler 116 und Gas kühler 2 in Luftrichtung A möglichst gering zu halten.

Durch die in Luftrichtung A doppelreihige Ausfüh rung des inneren Wärmetauschers 6 mit einem ersten und zwei ten Stapel 60, 62, ist die Bautiefe des erfindungsgemäßen Wärmetauschers gemäß Fig. 1 im Höhenbereich des inneren Wär metauschers 6 doppelt so groß wie im Höhenbereich des Gasküh lers 2. Gemäß Fig. 3a, b gibt es nun zwei bevorzugte mögliche Anordnungen der die Bautiefe des Gaskühlers vergrößernden zu sätzlichen Rohrreihe, die durch den Stapel 62 an zweiten Wär metauschrohren 14 gekennzeichnet ist.

In Fig. 3a ist der erste Stapel 60 aus den zweiten Wärmetauschrohren 14, der vertikal fluchtend mit den ersten Wärmetauschrohren 8 des Gaskühlers 2 angeordnet ist, in Luf trichtung A dem Wärmetauschernetz 118 direkt mit entsprechen den Toleranzen vorgeschaltet, während der zweite Stapel 62 innerer Wärmetauschrohre 14 in Einbaulage unterhalb des Wär metauschernetzes 118 des Motorkühlers 116 angeordnet ist.

Bei dieser Ausführungsform 3a sind ebenfalls Teile des Sammlers 50 des inneren Wärmetauschers 6 unterhalb des Wärmetauschernetzes 118 bzw. unterhalb der Sammelkästen 120 des Motorkühlers 116 angeordnet.

Diese Ausführungsform ist dann zu bevorzugen, wenn im Höhenbereich des inneren Wärmetauschers 6 in Luftrichtung A keine Bautiefe für einen zweiten Stapel 62 vorhanden ist und wenn im Höhenbereich des inneren Wärmetauschers 6 die luftseitige Durchströmung ohnehin durch fahrzeugspezifische Einbauten so gestört ist, daß eine Reduzierung der in Längs richtung der Sammelkästen 120 gemessenen Bauhöhe des Wärme tauschernetzes 118 keine Leistungsminderung ergibt.

Die Ausführungsform nach Fig. 3b ist dann zu bevor zugen, wenn im Höhenbereich des inneren Wärmetauschers 6 so wohl eine gute luftseitige Durchströmung als auch ausreichend Platz in Luftrichtung A für den zweiten zusätzlichen Stapel 62 an inneren Wärmetauschrohren 14 zur Verfügung steht.

Wird der Abstand der benachbarten Flachseiten zwi schen den ersten Wärmetauschrohren 8 des Gaskühlers 2 analog zum Abstand der Wärmetauschrohre des Wärmetauschernetzes 118 gewählt, können beide Flachrohre mit einer gemeinsamen Ver rippung 10c mittels Zickzacklamellen verbunden werden, gege benenfalls auch gemeinsame Anschlußwände aneinander haben.

Wird der Abstand der benachbarten Flachseiten zwi schen den ersten Wärmetauschrohren 8 des Gaskühlers 2 analog zum Abstand der Wärmetauschrohre des Wärmetauschernetzes 118 gewählt, können beide Flachrohre mit einer gemeinsamen Ver rippung 10c mittels Zickzacklamellen verbunden werden.

Dadurch kann die erfindungsgemäße Wärmetauscher- Baueinheit gemäß Fig. 1 oder Fig. 2 sowie das Wärmetauscher netz 118 des Motorkühlers 116 bei der Herstellung in einem Vorgang komplett verlötet werden, so daß einerseits Lötzeit eingespart werden kann und andererseits eine weitere Fixie rung der erfindungsgemäßen Wärmetauscher-Baueinheit am Motor kühler 116 nicht mehr erforderlich ist.

Durch entsprechende Jalousieschnitte, die quer zur Luftrichtung A in der Zickzacklamelle 10c eingebracht sind, wird weiterhin ein unerwünschter Wärmefluß vom Wärmetauscher netz 118 auf die Flachrohre des Gaskühlers 8 stark einge schränkt, so daß auch ein Betrieb bei unterschiedlichem Tem peraturniveau zwischen dem Motorkühlmittelkreislauf und dem Gaskühler möglich ist.

Aus den beschriebenen Baueinheiten von Gaskühler 2, niederdruckseitigem Sammler 4 und innerem Wärmetauscher 6 wird deutlich, daß die Verbindung des Gaskühlers 2 mit dem inneren Wärmetauscher 6 sowie dem niederdruckseitigen Sammler 4 frei von distanzbildenden Rohrverbindungen ist und daß überdies der Gaskühler 2 sowohl mit dem niederdruckseitigen Sammler 4, vgl. insbesondere Fig. 5, als auch mit dem inneren Wärmetauscher 6, vgl. insbesondere Fig. 6 bis 8, gemeinsame Anschlußwände aufweist.

Claims

1. Gaskühler (2) für einen überkritischen CO₂- Hochdruck-Kältemittelkreislauf einer Kraftfahrzeugklimaanla ge, wobei der Kältemittelkreislauf in Strömungsrichtung des Kältemittels einen Verdichter (78), den Gaskühler (2), einen zwischen Hoch- und Niederdruckseite wärmetauschenden inneren Wärmetauscher (6), eine Drosseleinrichtung (80), einen Ver dampfer (34) und einen niederdruckseitigen Sammler (4) auf weist, der über die Niederdruckseite des inneren Wärmetau schers (6) mit der Saugseite des Verdichters (78) kommuni ziert, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaskühler (2) und der innere Wärmetauscher (6) zu ei ner Baueinheit zusammengefaßt sind.

2. Gaskühler (2) für einen überkritischen CO₂- Hochdruck-Kältemittelkreislauf einer Kraftfahrzeugklimaanla ge, wobei der Kältemittelkreislauf in Strömungsrichtung des Kältemittels einen Verdichter (78), den Gaskühler (2), einen zwischen Hoch- und Niederdruckseite wärmetauschenden inneren Wärmetauscher (6), eine Drosseleinrichtung (80), einen Ver dampfer (34) und einen niederdruckseitigen Sammler (4) auf weist, der über die Niederdruckseite des inneren Wärmetau schers (6) mit der Saugseite des Verdichters (78) kommuni ziert, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaskühler (2) und der niederdruckseitige Sammler (4) zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind.

3. Gaskühler (2) für einen überkritischen CO₂- Hochdruck-Kältemittelkreislauf einer Kraftfahrzeugklimaanla ge, wobei der Kältemittelkreislauf in Strömungsrichtung des Kältemittels einen Verdichter (78), den Gaskühler (2), einen zwischen Hoch- und Niederdruckseite wärmetauschenden inneren Wärmetauscher (6), eine Drosseleinrichtung (80), einen Ver dampfer (34) und einen niederdruckseitigen Sammler (4) auf weist, der über die Niederdruckseite des inneren Wärmetau schers (6) mit der Saugseite des Verdichters (78) kommuni ziert, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaskühler (2), der innere Wärmetauscher (6) und der niederdruckseitige Sammler (4) zu einer Baueinheit zusammen gefaßt sind.

4. Gaskühler (2) nach einem der Ansprüche 1 oder 3, gekennzeichnet durch ein Register von ersten Wärmetauschroh ren (8) des Gaskühlers (2), das als Kreuzstromwärmetauscher ausgebildet ist und in normaler Einbaulage im Kraftfahrzeug eine horizontale Grundausrichtung der Wärmetauschrohre (8) hat, und durch ein Register von zweiten Wärmetauschrohren (14) des inneren Wärmetauschers (6), das wenigstens überwie gend ganz oder im wesentlichen die gleiche Grundausrichtung wie die ersten Wärmetauschrohre (8) hat und als Gegenstrom wärmetauscher ausgebildet ist.

5. Gaskühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Register der zweiten Wärmetauschrohre (14) oberhalb des Registers der ersten Wärmetauschrohre (8) angeordnet ist.

6. Gaskühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Register der zweiten Wärmetauschrohre (14) unterhalb des Registers der ersten Wärmetauschrohre (8) angeordnet ist.

7. Gaskühler nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß, gegebenenfalls mit Ausnahme einer Ver rippung (10), die zweiten Wärmetauschrohre (14) mit den er sten Wärmetauschrohren (8) gleich ausgebildet sind.

8. Gaskühler nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Wärmetauscher (6) ein Register von unmittelbar miteinander verlöteten (zweiten) Wärmetauschrohren (14) aufweist, die abwechselnd der Hoch- und der Niederdruckseite zugeordnet sind.

9. Gaskühler nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaskühler (2) und/oder der innere Wärmetauscher (6) ein Register von ersten und/oder zweiten Wärmetauschrohren (8, 14) aufweist, wobei die ersten (8) und/oder die zweiten (14) Wärmetauschrohre Flachrohre sind.

10. Gaskühler nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch ge kennzeichnet, daß bei Ausbildung sowohl der ersten (8) als auch der zweiten (14) Wärmetauschrohre als Flachrohre die Orientierung der Flachseiten der ersten und der zweiten Wär metauschrohre gleich ist, daß die zweiten Wärmetauschrohre (14) je nach ihrer Zuordnung zur Hoch- und der Niederdruck seite unterschiedliche Längen ihrer Enden haben und daß zur Beaufschlagung der zweiten Wärmetauschrohre (14) mit der kleineren Länge ihrer Enden die Anordnung der zweiten Wärme tauschrohre (14) von mindestens einer, vorzugsweise einer einzigen zentral angeordneten, Durchtrittsöffnung (64) für das Kältemittel unterbrochen ist.

11. Gaskühler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Register der zweiten Wärmetauschrohre (14) aus minde stens zwei, vorzugsweise gleichartigen, gesonderten Registern (50, 52) von aufeinander gestapelten Flachrohren aufgebaut ist.

12. Gaskühler nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch ge kennzeichnet, daß bei Ausbildung sowohl der ersten (8) als auch der zweiten (14) Wärmetauschrohre als Flachrohre die Orientierung der Flachseiten der ersten und der zweiten Wär metauschrohre schräg, vorzugsweise rechtwinklig zueinander, ist und daß die zweiten Wärmetauschrohre (14) je nach ihrer Zuordnung zur Hoch- und der Niederdruckseite unterschiedliche Längen ihrer Enden haben.

13. Gaskühler nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Wärmetauscher (6) an beiden Enden eines Registers von (zweiten) Wärmetauschrohren (14) je einen Sammler (50) aufweist, der in mindestens zwei Kammern unterteilt ist, von denen die eine der Hochdruckseite (52) und die andere der Niederdruckseite (48) zugeordnet ist.

14. Gaskühler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammler (50) einen Aufbau mit einem Gehäuse (94), das vorzugsweise ein Druckguß- oder Fließpreßteil ist, und einer in das Gehäuse eingesetzten Trennwand (92) zwischen Hoch druckseite (52) und Niederdruckseite (48) aus anderem Materi al. vorzugsweise lotbeschichtetem Blech, hat.

15. Gaskühler nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekenn zeichnet, daß die Trennwand (92) zwischen Hochdruckseite (52) und Niederdruckseite (48) des Sammlers (50) zugleich Rohrbo den für solche der Hochdruckseite (52) oder der Niederdruck seite (48) zugeordneten (zweite) Wärmetauschrohre (14) ist, welche mit der diesen Wärmetauschrohren abgewandten Kammer des Sammlers kommunizieren.

16. Gaskühler nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekenn zeichnet, daß das Gehäuse (94) des Sammlers (50) an seiner einen Stirnseite mit einer integralen Stirnwand (96) ausge bildet ist, die ihrerseits integral mit einem Anschlußstutzen (70) an den Gaskühler (2) oder niederdruckseitigen Sammler (4) ausgebildet ist, und daß das Gehäuse (94) des Sammlers (50) an seiner anderen Stirnseite einen gesonderten Deckel (100) aufweist, der mit einem Kältemittelaustritt versehen ist.

17. Gaskühler nach einem der Ansprüche 2 bis 16, da durch gekennzeichnet, daß sich der niederdruckseitige Sammler (4) quer zu (ersten) Wärmetauschrohren (8) des Gaskühlers (2) erstreckt.

18. Gaskühler nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der niederdruckseitige Sammler (4) über einen Zwischenka nal (26) an den Gaskühler (2) angeschlossen ist, der je nach Anordnung des inneren Wärmetauschers (6) oberhalb oder unter halb des Gaskühlers (2) die aus dem Gaskühler (2) austretende Gasphase des Kühlmittels nach oben zum inneren Wärmetauscher (6) oder die im niederdruckseitigen Sammler (4) von der flüs sigen Phase des Kältemittels abgetrennte gasförmige Phase des Kältemittels nach unten zum inneren Wärmetauscher (6) führt.

19. Gaskühler nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der Mantel (94) des niederdruckseitigen Samm lers (4), der Mantel des Zwischenkanals (26) und der Mantel eines Verteil- oder Sammelrohres (16) des Gaskühlers (2) in tegral, vorzugsweise als Strangpreßteil, gefertigt sind.

20. Gaskühler nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekenn zeichnet, daß zwischen dem niederdruckseitigen Sammler (4) und dem Zwischenkanal (26) mindestens eine Durchlaßöffnung (46) zur Rückführung von eingetretenem Schmiermittel des Ver dichters (78) ausgebildet ist.

21. Gaskühler nach einem der Ansprüche 1 bis 20, da durch gekennzeichnet, daß die Verbindung des Gaskühlers (2) mit dem inneren Wärmetauscher (6) und/oder dem niederdruck seitigen Sammler (4) frei von distanzbildenden Rohrverbindun gen ist.

22. Gaskühler nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaskühler (2) und der innere Wärmetauscher (6) und/oder der niederdruckseitige Sammler (4) gemeinsame An schlußwände aneinander aufweisen.

23. Gaskühler nach einem der Ansprüche 1 bis 22, da durch gekennzeichnet, daß der Gaskühler (2) und ein Motorküh ler (116) des Kraftfahrzeugs zu einer Baueinheit zusammenge faßt sind.

24. Gaskühler nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaskühler (2) und der Motorkühler (116) eine gemein same Verripppung (10c) ihrer jeweiligen Wärmetauschrohre (8, 118) und/oder gemeinsame Endbleche aufweisen.