DE19944951A1

DE19944951A1 - Klimaanlage mit innerem Wärmeübertrager

Info

Publication number: DE19944951A1
Application number: DE19944951A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Geiger; Hans-Joachim Krauss; Hagen Mittelstras; Michael Sickelmann; Karl-Heinz Staffa; Christoph Walter
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 1999-09-20
Filing date: 1999-09-20
Publication date: 2001-03-22
Anticipated expiration: 2019-09-21
Also published as: FR2798726B1; US6434972B1; DE19944951B4; FR2798726A1; JP2001091103A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Klimaanlage mit einem Kältemittelkreislauf, der einen Kompressor, einen Verdampfer, einen niederdruckseitig zwischen dem Verdampfer und dem Kompressor angeordneten Sammler und einen inneren Wärmeübertrager mit einem hochdruckseitigen Wärmeübertragerkanal und einem niederdruckseitigen Wärmeübertragerkanal beinhaltet. DOLLAR A Erfindungsgemäß weist der innere Wärmeübertrager eine zu einer Radialspirale oder mäanderförmig gewundene Mehrkanal-Rohrleitung auf. Zusätzlich oder alternativ beinhaltet der innere Wärmeübertrager eine Mehrkanal-Rohrleitung, die im Luftströmungsweg eines Kühlluftstroms eines hochdruckseitigen Kondensators/Gaskühlers angeordnet ist. DOLLAR A Verwendung z. B. als CO¶2¶-Klimaanlage in Kraftfahrzeugen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Klimaanlage mit einem Kältemittelkreislauf, der einen Verdampfer, einen das Kälte mittel von einer Niederdruckseite zu einer Hochdruckseite fördernden Kompressor, einen niederdruckseitig zwischen dem Verdampfer und dem Kompressor angeordneten Sammler und einen inneren Wärmeübertrager umfaßt, der einen hochdruckseitigen Wärmeübertragerkanal und einen mit diesem in Wärmekontakt stehenden niederdruckseitigen Wärmeübertragerkanal aufweist.

Derartige Klimaanlagen sind insbesondere in Kraftfahrzeugen im Einsatz, z. B. in Form von CO₂-Klimaanlagen. Der innere Wärmeübertrager dient dazu, Wärme vom Kältemittel auf der Hochdruckseite auf das Kältemittel der Niederdruckseite zu übertragen, wodurch sich die sogenannte Leistungszahl, d. h. das Verhältnis aus Kälteleistung und Antriebsleistung der Klimaanlage deutlich steigern läßt.

Eine Klimaanlage dieser Art ist in der Offenlegungsschrift DE 196 35 454 A1 offenbart. Dort ist der innere Wärmeübertrager mit dem Sammler in eine Baueinheit integriert, indem er im Innern eines Sammlergehäuses untergebracht ist, beispielswei se in Form einer Flachrohrspirale mit voneinander beabstande ten Windungen.

Des weiteren ist es bekannt, als inneren Wärmeübertrager für eine Klimaanlage eine Koaxialrohrleitung mit zwei fluidge trennten, miteinander in Wärmekontakt stehenden Rohrlängska nälen zu verwenden, um das hochdruckseitige Kältemittel vor einem Expansionsventil durch Wärmeübertragung auf das nieder druckseitige Kältemittel zu unterkühlen. In der Auslege schrift DE 12 08 314 ist eine diesem Zweck dienende Koaxial rohrleitung beschrieben, bei der ein Innenrohr konzentrisch von einem Außenrohr umgeben und innenseitig mit einer die Wärmeübergangsfläche vergrößernden Längsberippung versehen ist. Zwischen Außenrohr und Innenrohr kann zur Verlängerung des wärmeübertragungswirksamen Strömungsweges eine Draht schraube eingebracht sein. Als bekannt werden dort außerdem Innenrohrgestaltungen angegeben, bei denen das Innenrohr sternförmig gefaltet ist oder bei denen in das Innenrohr eine Blechwendel zur Erzeugung einer Drallströmung eingefügt ist.

Es ist auch eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei der ein innerer Wärmeübertrager mit einem Verdampfer und einem Expansionsventil zu einer integralen Baueinheit zusam mengefaßt ist. Eine solche Kombination des inneren Wärmeüber tragers an oder in den Verdampfer ist jedoch häufig mit einem relativ hohen Bauraumbedarf verbunden, was speziell bei den beengten Einbauverhältnissen von Kraftfahrzeugen zu Schwie rigkeiten führen kann.

In der nicht vorveröffentlichten, älteren deutschen Patentan meldung Nr. 199 03 833.3 ist eine integrierte Sammler- Wärmeübertrager-Baueinheit offenbart, bei welcher der innere Wärmeübertrager von einer gewendelten Koaxialrohrleitung ge bildet ist, die im Sammlergehäuse aufgenommen ist.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstel lung einer Klimaanlage der eingangs genannten Art mit einem inneren Wärmeübertrager zugrunde, der relativ einfach zu fer tigen ist und bei gegebener Wärmeübertragungsleistung relativ wenig zusätzlichen Bauraum benötigt.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer Klimaanlage mit den Merkmalen des Anspruches 1 oder 3.

Bei der Klimaanlage nach Anspruch 1 beinhaltet der innere Wärmeübertrager eine Mehrkanal-Rohrleitung, die zu einer Ra dialspirale oder mäanderförmig gewunden ist. Dadurch kann die benötigte Bauraumlänge deutlich kleiner als die wärmeübertra gungswirksame Strömungsweglänge gehalten werden, wobei nur eine einzige (Mehrkanal-)Rohrleitung gebogen werden muß.

Bei einer nach Anspruch 2 weitergebildeten Klimaanlage ist in fertigungstechnisch vorteilhafter Weise die Mehrkanal- Rohrleitung von einer Koaxialrohrleitung gebildet, die ein extrudiertes Innenrohr mit Außenstegen, das in ein Außenrohr eingeschoben ist, oder ein extrudiertes Außenrohr mit Innen stegen, in welches das Innenrohr eingeschoben ist, oder ein einstückig extrudiertes Rohr mit integrierten Stegen zwischen Innen- und Außenrohr beinhaltet. Vorzugsweise sind die Stege gewendelt, um die Strömungsweglänge für den betreffenden Wär meübertragerkanal größer als die Baulänge der Koaxialrohrlei tung zu machen.

In einer weiteren Ausgestaltung nach Anspruch 3 sind den Ste gen Turbulenzelemente zugeordnet, oder die Stege sind wendel förmig ausgebildet. Dies trägt zu einer weiteren Intensivie rung des Wärmeübergangs bei. Die Turbulenzelemente können beispielsweise durch Schlitze in den Stegen oder durch abra gende, ausgestellte Vorsprünge an den Stegen gebildet sein.

Bei der Klimaanlage nach Anspruch 4 beinhaltet der innere Wärmeübertrager eine Mehrkanal-Rohrleitung, die im Luftströ mungsweg eines zur Kühlung des Kondensators/Gaskühlers ver wendeten Luftstroms dient und dadurch zusätzlich den inneren Wärmeübertrager kühlt, was die Unterkühlung des niederdruck seitigen Kältemittels und dadurch den Wirkungsgrad der gesam ten Klimaanlage steigert.

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

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Klimaanlage mit einem Käl temittelkreislauf mit innerem Wärmeübertrager,

Fig. 2 eine Seitenansicht eines inneren Wärmeübertragerab schnitts in Form einer mäanderförmigen Koaxialrohr leitung,

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen inneren Wärmeübertrager abschnitt in Form einer spiralförmigen Koaxialrohr leitung,

Fig. 4 eine Seitenansicht der spiralförmigen Koaxialrohr leitung von Fig. 3 und

Fig. 5 bis 9 Querschnitte verschiedener, für den inneren Wär meübertrager verwendbarer Koaxialrohrleitungen.

Fig. 1 zeigt schematisch als Blockdiagramm den Aufbau einer Klimaanlage, wie sie beispielsweise in einem Kraftfahrzeug einsetzbar ist. Im zugehörigen Kältemittelkreislauf befinden sich, wie üblich, ein Kompressor 1, ein daran hochdruckseitig anschließender Kondensator 2, der beispielsweise im Fall der Verwendung von CO₂ als Kältemittel allgemein besser als Gas kühler bezeichnet wird, ein diesem nachgeschaltetes Expansi onsventil 3, ein daran in Kältemittelströmungsrichtung an schließender Verdampfer 4 und ein zwischen dem Verdampfer 4 und dem Kompressor 1 auf der Niederdruckseite angeordneter Sammler 5. Soweit die hochdruckseitige Kältemittelleitung und die niederdruckseitige Kältemittelleitung in Fig. 1 durch eng benachbarte Linien wiedergegeben sind, können je nach Anwen dungsfall einer oder mehrere dieser Kreislaufabschnitte durch eine einen inneren Wärmeübertrager bildende Mehrkanal-Rohr leitung realisiert sein.

Der innere Wärmeübertrager beinhaltet folglich einen ersten Abschnitt 6a, der niederdruckseitig wenigstens einen Teil der Kältemittelleitung vom Verdampfer 4 zum Sammler 5 bildet, und/oder einen zweiten Abschnitt 6b, der niederdruckseitig wenigstens einen Teil der Kältemittelleitung vom Sammler 5 zum Kompressor 1 und hochdruckseitig wie der erste Abschnitt 6a wenigstens einen Teil der Kältemittelleitung vom Kondensa tor/Gaskühler 2 zum Expansionsventil 3 bildet, und/oder einen dritten Abschnitt 6c, der hochdruckseitig wenigstens einen Teil der Kältemittelleitung vom Kompressor 1 zum Kondensa tor/Gaskühler 2 und niederdruckseitig wie der zweite Ab schnitt 6b wenigstens einen Teil der Kältemittelleitung vom Sammler 5 zum Kompressor 1 bildet, und/oder einen vierten Ab schnitt 6d zwischen dem zweiten Abschnitt 6b und dem Sammler 5. Je nach Anwendungsfall können in entsprechenden Klimaanla genvarianten alle vier Abschnitte 6a bis 6d oder nur einer oder eine beliebige Kombination von zwei oder drei der Ab schnitte 6a bis 6d zur Bildung des inneren Wärmeübertragers verwendet sein.

Der zweite innere Wärmeübertragerabschnitt 6b zeichnet sich dadurch aus, daß er im Luftströmungsweg eines Luftstroms 7 liegt, der zur Kühlung des Kondensators/Gaskühlers 2 dient und folglich auch diesen inneren Wärmeübertragerabschnitt 6b kühlt. Diese zusätzliche Kühlung des inneren Wärmeübertragers hat eine verbesserte Unterkühlung des niederdruckseitigen Kältemittels und damit des Wirkungsgrades der Klimaanlage insgesamt zur Folge. Bevorzugt ist der zweite innere Wärme übertragerabschnitt 6b zu diesem Zweck im Bauraum vor dem Kondensator/Gaskühler 2, wie gezeigt, oder alternativ neben diesem angeordnet.

Fig. 2 zeigt eine mäanderförmig gewundene Koaxialrohrleitung 8, die für jeden der vier inneren Wärmeübertragerabschnitte 6a bis 6d und insbesondere auch für den luftgekühlten zweiten inneren Wärmeübertragerabschnitt 6b verwendbar ist. Die Koa xialrohrleitung 8 beinhaltet ein Innenrohr, dessen Innenraum einen ersten Wärmeübertragerkanal bildet, und ein Außenrohr, wobei der Ringraum zwischen Innenrohr und Außenrohr einen zweiten Wärmeübertragerkanal bildet. Von den beiden Wärme übertragerkanälen fungiert der eine als ein hochdruckseitiger Kältemittelkreislaufabschnitt und der andere als ein nieder druckseitiger Kältemittelkreislaufabschnitt. Vorzugsweise strömt das niederdruckseitige Kältemittel durch den äußeren Ringraum und das hochdruckseitige Kältemittel durch den In nenkanal, jedoch ist auch die umgekehrte Zuteilung möglich. Das hochdruckseitige und das niederdruckseitige Kältemittel werden vorzugsweise im Gegenstrom, alternativ im Gleichstrom, durch die Koaxialrohrleitung 8 geführt. Dabei wird das innen geführte Kältemittel 9 stirnseitig zu- und abgeführt, während das außen geführte Kältemittel 10 über jeweilige radiale An schlußstutzen 23a, 23b zu- und abgeführt wird. Dazu münden die radialen Anschlußstutzen 23a, 23b in den äußeren Ringraum der Koaxialrohrleitung 8, der stirnseitig geschlossen ist, während der vom Innenrohr umgebene Innenkanal stirnseitig of fen ist.

In den Fig. 3 und 4 ist eine weitere Realisierungsmöglichkeit für jeden der inneren Wärmeübertragerabschnitte 6a bis 6d und insbesondere für den zweiten inneren Wärmeübertragerabschnitt 6b der Klimaanlage von Fig. 1 dargestellt. In diesem Fall be steht der entsprechende innere Wärmeübertragerteil aus einer Koaxialrohrspirale 24, die sich von einem inneren Ende 24a als Radialspirale bis zu einem äußeren Ende 24b erstreckt. Am inneren Ende 24a ist sie, wie aus Fig. 4 ersichtlich, aus der Spiralebene zur Bildung eines Koaxialrohr-Anschlußstutzens herausgebogen. Die Zu- und Abführung des hochdruckseitigen Kältemittels einerseits und des niederdruckseitigen Kältemit tels andererseits zu und aus dem zugehörigen inneren Wärme übertragerkanal bzw. zu und aus dem ringförmigen äußeren Wär meübertragerkanal kann in nicht gezeigter Weise durch eine Anschlußkonfiguration entsprechend Fig. 2 oder eine beliebige andere herkömmliche Koaxialrohr-Anschlußkonfiguration erfol gen. Es kann in beiden Fällen der Fig. 2 und 3 auch ein ge meinsamer Anschlußflansch vorgesehen sein, zu dem jeweils al le vier Anschlüsse, d. h. die beiden Einlässe und die beiden Auslässe, zusammengeführt sind, was das Anschließen der Koa xialrohrleitung vereinfacht. Die Spirale kann je nach Bedarf so gewickelt sein, daß ihre Windungen aneinander anliegen, oder so, daß ein Zwischenraum zwischen jeweils benachbarten Windungen verbleibt, durch den z. B. ein Luftstrom hindurchge führt werden kann.

Die Fig. 5 bis 9 zeigen Querschnittsansichten von verschiede nen Realisierungsmöglichkeiten von Koaxialrohrleitungen für die diversen Abschnitte des inneren Wärmeübertragers der Kli maanlage von Fig. 1. Speziell veranschaulicht Fig. 5 einen inneren Wärmeübertrager in Form eines Koaxialrohres, das aus einem extrudierten Innenrohr 11 mit vier in äquidistantem Winkelabstand außenseitig angeformten, wendelförmig verlau fenden Längsstegen 12a, 12b, 12c, 12d besteht, das in ein zu gehöriges Außenrohr 13 eingeschoben ist. Beim Ausführungsbei spiel von Fig. 6 besteht die Koaxialrohrleitung für den inne ren Wärmeübertrager aus einem extrudierten Außenrohr 14, an dessen Innenseite vier in äquidistantem Winkelabstand ange ordnete, wendelförmig verlaufende Längsstege 15a bis 15d an geformt sind und in das ein zugehöriges Innenrohr 16 einge schoben ist. Fig. 7 zeigt ein als innerer Wärmeübertrager verwendbares Koaxialrohr 17, das als einstückiges Bauteil ex trudiert gefertigt ist, wobei ein Innenrohrteil 18 und ein Außenrohrteil 19 über vier in äquidistantem Winkelabstand an geordnete, in Rohrlängsrichtung wendelförmig verlaufende Längsstege 20a bis 20d miteinander verbunden sind. In allen drei Beispielen der Fig. 5 bis 7 kann der wendelförmige Ver lauf der Längsstege durch entsprechendes Tordieren um die Längsachse des Innenrohrs 11 im Fall von Fig. 5, des Außen rohrs 14 im Fall von Fig. 6 bzw. des gesamten Koaxialrohres 17 im Fall von Fig. 7 beim Extrusionsfertigungsvorgang be wirkt werden, wobei die Wendelsteigung in gewünschter Weise variabel eingestellt werden kann. Durch die Wahl der äquidi stanten Winkelabstände der Stege ist der Ringraum zwischen Außen- und Innenrohrteil in Einzelkanäle gleichen Strömungs querschnitts aufgeteilt.

Fig. 8 zeigt eine Koaxialrohrgestaltung für den inneren Wär meübertrager, bei der ein Innenrohr 21 mit gerundet sternför migem Rohrwandquerschnitt in ein Außenrohr 22 eingeschoben ist. Im Ausführungsbeispiel von Fig. 9 besteht die Koaxial rohrleitung für den inneren Wärmeübertrager aus einem Innen rohr 25, einem Außenrohr 26 und einem zwischen das Innenrohr 25 und das Außenrohr 26 eingefügten Wellrippenprofil 27.

In allen Beispielen der Fig. 5 bis 9 beinhaltet die jeweilige Koaxialrohrleitung einen einteiligen, vom umschließenden In nenrohr gebildeten inneren Rohrlängskanal und einen mehrtei ligen, vom Zwischenraum zwischen Innenrohr und Außenrohr ge bildeten äußeren Rohrlängskanal, der durch die Stege bzw. das Innenrohrwandprofil oder das Wellrippenprofil in mehrere pa rallele Außenlängskanäle aufgeteilt ist. Ein wendelförmiger Verlauf der Trennelemente zwischen den einzelnen Außenlängs kanälen verlängert den Strömungsweg für das dort hindurchge leitete Kältemittel gegenüber der Rohrlänge und intensiviert dadurch den Wärmekontakt zwischen diesem Kältemittelstrom und dem durch das Innenrohr hindurch geleiteten Kältemittelstrom. Zur weiteren Intensivierung des Wärmekontaktes können den Trennelementen Turbulenzelemente zugeordnet sein, z. B. in Form von Schlitzen in den Trennelementen oder von an den Trennelementen angeformten, abstehenden Vorsprüngen. So kön nen in den Ausführungsbeispielen der Fig. 5 bis 7 derartige Turbulenzvorsprünge axial versetzt an den vier Stegen ange ordnet sein und dabei von einer Stegseite in den angrenzenden Fluidströmungsraum hineinragen. Zusätzlich kann, wie oben zu den Fig. 2 bis 4 erläutert, die Koaxialrohrleitung als Ganzes teilweise oder komplett mäander- oder spiralförmig gebogen sein, um ihre Baulänge zu verkürzen und sie dadurch leichter in beengten Bauräumen einbringen zu können.

Durch die Realisierung des inneren Wärmeübertragers als Mehr kanal-Rohrleitung braucht folglich nur ein einziges, mehrka naliges Rohr gebogen werden, um sowohl für den hochdrucksei tigen wie auch für den niederdruckseitigen Wärmeübertragerka nal des inneren Wärmeübertragers eine entsprechend gebogene, platzsparende Strömungsführung zu erzielen. Die Gestalt der Rohrleitung kann dabei an die Kontur eines Bauteils, an wel chem sie angebracht werden soll, angepaßt sein, z. B. an die Kontur einer Motorhaube eines Kraftfahrzeuges, so daß sie entsprechend platzsparend eingebaut werden kann.

Es versteht sich, daß neben den in den Fig. 5 bis 9 gezeigten Ausführungsformen weitere Mehrkanalrohrgestaltungen möglich sind, z. B. solche, bei denen für das hochdruckseitige und das niederdruckseitige Kältemittel jeweils mehrere einzelne Rohr kanäle vorhanden sind, die zudem nicht unbedingt koaxial sein müssen, sondern beispielsweise auch alternierend nebeneinan derliegend angeordnet sein können. Statt der in Fig. 1 durch Pfeile angedeuteten Führung des hochdruckseitigen und nieder druckseitigen Kältemittels in den inneren Wärmeübertragerab schnitten 6a, 6b, 6c kann alternativ deren Führung im Gleich strom für alle oder nur einen Teil der inneren Wärmeübertra gerabschnitte 6a, 6b, 6c vorgesehen sein.

Die oben im Detail beschriebenen Realisierungen zeigen, daß durch die Erfindung eine Klimaanlage bereitgestellt wird, die einen wirkungsgradsteigernden, inneren Wärmeübertrager auf weist und dabei relativ wenig Einbauplatz benötigt, indem der innere Wärmeübertrager von einer Koaxialrohrleitung gebildet ist, die zu einer Mäander- oder Spiralform gebogen ist, so daß sich der wärmeübertragungsaktive Strömungsweg für das hochdruckseitige und das niederdruckseitige Kältemittel ge genüber der Längsausdehnung des Koaxialrohrbauteils verlän gert. Die Erfindung ist insbesondere auf CO₂-Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen anwendbar. Von besonderem Vorteil ist die An ordnung wenigstens eines Teils des gesamten inneren Wärme übertragers im Kühlluftstrom des Kondensators/Gaskühlers, um damit den inneren Wärmeübertrager durch den Luftstrom zusätz lich zu kühlen und so eine bessere Unterkühlung des nieder druckseitigen Kältemittels zu erreichen und den Gesamtwir kungsgrad der Klimaanlage zu steigern.

Claims

1. Klimaanlage, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit

- einem Kältemittelkreislauf mit einem das Kältemittel von einer Niederdruckseite zu einer Hochdruckseite fördernden Kompressor (1), einem Verdampfer (4), einem niederdruckseitig zwischen dem Verdampfer und dem Kompressor angeordneten Samm ler (5) und einem inneren Wärmeübertrager mit einem hoch druckseitigen Wärmeübertragerkanal und einem mit diesem in Wärmekontakt stehenden niederdruckseitigen Wärmeübertragerka nal,

dadurch gekennzeichnet, daß

- der innere Wärmeübertrager eine zu einer Radialspirale oder mäanderförmig gewundene Mehrkanal-Rohrleitung (8, 24) bein haltet.

2. Klimaanlage nach Anspruch 1, weiter dadurch gekenn zeichnet, daß die Mehrkanal-Rohrleitung eine Koaxialrohrlei tung (8, 24) ist, die von einem Außenrohr (13) und einem dar in eingeschobenen, extrudierten Innenrohr (11) mit Außenste gen (12a bis 12d) oder von einem extrudierten Außenrohr (14) mit Innenstegen (15a bis 15d) mit eingeschobenem Innenrohr (16) oder von einem einstückig extrudierten Koaxialrohr (17) mit Stegen (20a bis 20d) zwischen Innenrohrteil (18) und Au ßenrohrteil (19) gebildet ist.

3. Klimaanlage nach Anspruch 2, weiter dadurch gekenn zeichnet, daß den Stegen Turbulenzelemente zugeordnet sind und/oder die Stege wendelförmig verlaufen.

4. Klimaanlage, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit

- einem Kältemittelkreislauf mit einem das Kältemittel von einer Niederdruckseite zu einer Hochdruckseite fördernden Kompressor (1), einem Verdampfer (4), einem niederdruckseitig zwischen dem Verdampfer und dem Kompressor angeordneten Samm ler (5) und einem inneren Wärmeübertrager mit einem hoch druckseitigen Wärmeübertragerkanal und einem mit diesem in Wärmekontakt stehenden niederdruckseitigen Wärmeübertragerka nal, dadurch gekennzeichnet, daß
- der innere Wärmeübertrager eine Mehrkanal-Rohrleitung bein haltet, die im Luftströmungsweg eines Kühlluftstroms (7) ei nes hochdruckseitigen Kondensators/Gaskühlers (2) angeordnet ist.