EP2107328A1 - Verdampfer - Google Patents

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EP2107328A1
EP2107328A1 EP09004110A EP09004110A EP2107328A1 EP 2107328 A1 EP2107328 A1 EP 2107328A1 EP 09004110 A EP09004110 A EP 09004110A EP 09004110 A EP09004110 A EP 09004110A EP 2107328 A1 EP2107328 A1 EP 2107328A1
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EP
European Patent Office
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flow
evaporator
refrigerant
flow channels
fluid
Prior art date
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EP09004110A
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English (en)
French (fr)
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EP2107328B1 (de
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Dirk Neumeister
Achim Wiebelt
Jürgen Grünwald
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Mahle Behr GmbH and Co KG
Original Assignee
Behr GmbH and Co KG
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/02—Header boxes; End plates
    • F28F9/0202—Header boxes having their inner space divided by partitions
    • F28F9/0204—Header boxes having their inner space divided by partitions for elongated header box, e.g. with transversal and longitudinal partitions
    • F28F9/0209—Header boxes having their inner space divided by partitions for elongated header box, e.g. with transversal and longitudinal partitions having only transversal partitions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B39/00—Evaporators; Condensers
    • F25B39/02—Evaporators
    • F25B39/022—Evaporators with plate-like or laminated elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/03—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with plate-like or laminated conduits
    • F28D1/0308—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with plate-like or laminated conduits the conduits being formed by paired plates touching each other
    • F28D1/0325—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with plate-like or laminated conduits the conduits being formed by paired plates touching each other the plates having lateral openings therein for circulation of the heat-exchange medium from one conduit to another
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
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    • F25B2500/01—Geometry problems, e.g. for reducing size
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00—Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D2021/0019—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/008—Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for vehicles
    • F28D2021/0085—Evaporators

Definitions

  • the invention relates to an evaporator, in particular for a motor vehicle, according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a device for cooling a heat source of a motor vehicle according to the preamble of claim 13.
  • DE 10 2004 036 951 A1 proposes to use a built-up of parallel, interconnected plates heat exchanger, the type of which is also referred to as stacked plate heat exchanger to use as an evaporator of a refrigeration cycle of a motor vehicle While heat from a heat exchanger flowing through the coolant can be absorbed in the course of the evaporation of the refrigerant heat.
  • a plate type heat exchanger used as an evaporator in order to ensure sufficient evaporation and, in particular, to ensure sufficient overheating of the vaporized refrigerant, it is required that the plate length in the flow direction of the refrigerant be sufficiently large, whereby it is generally much larger than a plate width across to the flow direction of the refrigerant. This results in restrictions on the dimensions of the evaporator depending on the given space.
  • the refrigerant flows through at least a first and second tide of the evaporator .
  • a tide in the context of the invention is to be understood by the evaporator over its length by sweeping flow path of the refrigerant, wherein successive floods generally parallel to each other and in the opposite direction, so that the refrigerant undergoes a deflection between the two successive floods. Due to the deflection and the passage of successive floods, the flow path of the refrigerant in the evaporator is extended even in a short design, so that sufficient overheating can be ensured.
  • the ratio of the length to the width UB is not less than about 0.5, in particular not less than about 0.7.
  • the heat exchanger is designed with respect to the refrigerant in such a design with exactly two floods useful as a U-flow heat exchanger.
  • the refrigerant flows through at least a third, one or more flow channels of the first kind comprehensive tide, which follows a secondary flow downstream of the second deflection.
  • the second tide has at least as many flow channels as the first tide and up to 50% more flow channels than the first tide.
  • the third tide has at least as many flow channels as the second tide and up to 200% more flow channels than the second tide.
  • “approximately equal” means that a number of flow channels of one tide deviate slightly from the number of the other two tides.
  • the number of flow channels of the first and third floods can be six and the number of second floods seven.
  • the second fluid flows through the evaporator in at least two floods, each comprising one or more of the flow channels of the second type.
  • the evaporator would be expediently designed as a U-flow heat exchanger with respect to the second fluid.
  • it can also be designed in a simple manner as an I-flow heat exchanger with only one tide for the second fluid.
  • more than two floods may be provided for the second fluid.
  • the second fluid is generally a coolant, in particular a coolant in the liquid phase.
  • the second fluid is generally to be understood as a fluid that undergoes a phase change between two states of aggregation, in particular within the evaporator.
  • a separation of successive floods is formed by a special plate different from other plates, which has an obstruction instead of one or more of the openings.
  • a multi-flow evaporator is designed according to the design of a plate heat exchanger in a simple manner.
  • the special plate has both an obstruction for the separation of floods of Refrigerant as well as an obstruction to separate flooding of the second fluid. In this way, the number of special plates is kept very small and the number of other, generally formed as equal parts plates of the heat exchanger is kept particularly large.
  • the flow direction of the last of the floods is generally preferred for the flow direction of the last of the floods to be essentially in the direction of the force of gravity. This can prevent the refrigerant from accumulating in the evaporator.
  • substantially in the direction of gravity is thus also to be understood any deviation from the exact direction of gravity, which still allows a sufficiently large influence of gravity on the outflow of the refrigerant.
  • An inventive evaporator is particularly well suited to be provided in a refrigerant circuit or the air conditioning system of a motor vehicle in order to cool a heat source of the motor vehicle via a coolant circuit. Due to the compact design of the evaporator, the increasingly critical space conditions in modern motor vehicles can be taken into account.
  • the heat source is a traction battery of the motor vehicle, in particular a lithium-ion battery.
  • a traction battery of the motor vehicle in particular a lithium-ion battery.
  • Such batteries which are used not only in pure electric vehicles but especially in hybrid vehicles with an electric motor and an internal combustion engine, high demands are placed on the cooling to ensure durability and reliability.
  • an inventive, small-sized evaporator of high heat exchanger performance which is arranged between a coolant circuit and a particular air conditioning of the vehicle serving refrigeration circuit (also called "chiller") is particularly suitable.
  • the compressor of the refrigeration circuit may expediently be arranged directly downstream of the second evaporator. This is to be understood in particular that no collector between evaporator and compressor is arranged and space reasons, no integrated into the evaporator collector is provided.
  • the schematic sectional view Fig. 1 shows a vaporizer according to the prior art.
  • a plurality of plates 1 are stacked in parallel in a vertical direction h, wherein a flow channel of the first type 2 and a flow channel of the second type 3 alternately remain between two plates.
  • the plates 1 have aligned apertures 1a, 1b through which are formed tube-like, vertically extending feeds and outlets for a refrigerant or first fluid and a second fluid of the evaporator.
  • the openings 1 a, 1 b in a known manner alternately raised edges (not shown), which are soldered sealingly with the adjacent plate.
  • the plates are made of an aluminum alloy.
  • the stack of plates 1 is closed in a known manner at its two ends by end plates 9, to which the supply lines and outlets for the refrigerant and the second fluid are attached.
  • Fig. 2 shows a first embodiment of an evaporator according to the invention, in which the evaporator with respect to the refrigerant in three floods 4, 5, 6 is divided.
  • the separation of the flow channels 1 in the individual floods 4, 5, 6 takes place by special plates 7, in which at least one of the openings 1a, 1b is replaced by an obstruction 7a.
  • the obstructions 7a prevent the refrigerant from a complete flow through the supply or discharge in the vertical direction.
  • a width direction of the evaporator is perpendicular to the plane of the drawing Fig. 2 and thus perpendicular to the longitudinal direction and to the vertical direction h.
  • the plates 1 have between the feeders and drains 1a, 1b a heat transferring surface having a length L in the longitudinal direction and a width B in the width direction.
  • L is about 4 cm and B about 5.5 cm. This results in a ratio of UB of about 0.73.
  • a height H of the stack of plates 1 is about 4 cm.
  • the external dimensions of the evaporator for this particular example have a total length of 8.8 cm, a total width of 6.2 cm and a height of 4 cm.
  • the plates 1 Between the individual plates 1 no turbulence inserts are provided at least on the side of the refrigerant. Depending on requirements, the plates 1 have indentations and structuring in order to increase the surface area and introduce turbulence into the flowing refrigerant.
  • the flow channels of the second type 3 are represented by broken lines and in the present case flow through a liquid coolant of a coolant circuit as a second fluid.
  • the feeds and drains for the second fluid are not shown.
  • Fig. 3 shows a further embodiment of an evaporator according to the invention.
  • the refrigerant only flows through two floods 4, 5, so that the throughflow path of the refrigerant as a whole is U-shaped (U-flow heat exchanger).
  • the dimensions of the plates 1 are the same as in the first embodiment.
  • the path of the coolant through the flow channels of the second type 3 is divided into a plurality of floods.
  • Fig. 3 a representation of the floods of the second fluid or coolant, wherein the illustration Fig. 2 shows the floods of the refrigerant of the same evaporator.
  • both fluids are divided into several floods, it may be expedient for one or more of the special plates 7 to have both an obstruction for the first fluid and an obstruction for the second fluid. This makes it possible to reduce the number of special plates required and increase the total number of identical parts of the evaporator.
  • Fig. 4 shows a device for cooling a heat source 10 of a motor vehicle, in this case a lithium-ion battery of a hybrid drive.
  • the battery 10 is cooled by a circuit with liquid coolant, which is circulated via a circulation pump 11.
  • the heat absorbed by the battery 10 is dissipated via a heat exchanger 12, the an efindungshunter evaporator according to one of the preceding embodiments.
  • the evaporator 12 is integrated in a refrigeration circuit 13, which also serves for air conditioning of the motor vehicle.
  • the refrigerant is compressed by a compressor 14 and subsequently cooled by a condenser or gas cooler 15.
  • the condenser or gas cooler 15 below, an air conditioner evaporator 16 and the evaporator 12 according to the invention are connected in parallel, wherein before each of the evaporator 12, 16 each have an expansion element 16a, 12a is arranged.
  • a fan 17 delivers air for conditioning by the A / C evaporator 16.
  • Fig. 5 shows a modification of the device Fig. 4 in which the coolant circuit in addition to the evaporator 16 still has a parallel-connected auxiliary cooler 18, which is flowed around by outside air.
  • the coolant can selectively flow through the evaporator 12, the radiator 18 or both heat exchangers 12, 18 to ensure optimal cooling of battery 10 and vehicle interior in all operating situations.

Abstract

Verdampfer, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Mehrzahl von parallel zueinander in einer Hochrichtung gestapelten Platten (1) mit fluchtend angeordneten Durchbrechungen (1a, 1b) zur Zuführung und Abführung eines als Kältemittel ausgebildeten ersten Fluids und eines zweiten Fluids, wobei zwischen zwei benachbarten Platten (1) ein Strömungskanal (2) erster Art zur Führung des ersten Fluids im Wechsel mit einem Strömungskanal (3) zweiter Art zur Führung des zweiten Fluids ausgebildet sind, wobei eine wärmeübertragende Fläche der Platten (1) eine Länge (L) in Strömungsrichtung des Kältemittels und eine hierzu senkrechte Breite (B) aufweist, wobei das Verhältnis der Länge zu der Breite (L/B) nicht größer als etwa 1,3 ist, wobei das Kältemittel die Strömungskanäle (2) in einer ersten, einen oder mehrere der Strömungskanäle (2) erster Art umfassenden Flut (4) und zumindest einer der ersten Flut nach einer Umlenkung (8) nachfolgenden, einen oder mehrere der Strömungskanäle (2) erster Art umfassenden zweiten Flut (5) durchströmt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Verdampfer, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung zur Kühlung einer Wärmequelle eines Kraftfahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 13.
  • DE 10 2004 036 951 A1 schlägt vor, einen aus parallelen, miteinander verbundenen Platten aufgebauten Wärmetauscher, dessen Bauart man auch als Stapelscheiben-Wärmetauscher bezeichnet, als Verdampfer eines Kältekreislaufs eines Kraftfahrzeugs zu verwenden Dabei kann im Zuge der Verdampfung des Kältemittels Wärme aus einem den Wärmetauscher durchströmenden Kühlmittel aufgenommen werden. Bei einem solchen als Verdampfer verwendeten Wärmetauscher in Plattenbauweise ist es zur Sicherstellung einer ausreichenden Verdampfung und insbesondere zur Sicherstellung einer ausreichenden Überhitzung des verdampften Kältemittels erforderlich, dass die Plattenlänge in Strömungsrichtung des Kältemittels ausreichend groß ist, wodurch sie im Allgemeinen deutlich größer ist als eine Plattenbreite quer zu der Strömungsrichtung des Kältemittels. Hieraus resultieren Beschränkungen der Dimensionierung des Verdampfers in Abhängigkeit von gegebenem Bauraum.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Verdampfer anzugeben, der bei hoher Tauscherleistung und sichergestellter Überhitzung des Kältemittels eine besonders kompakte Form und Abmessung aufweist.
  • Diese Aufgabe wird für einen eingangs genannten Verdampfer erfindunggemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Beschränkung des Verhältnisses von Länge zu Breite der wärmeübertragenden Fläche auf einen Wert von weniger oder gleich 1,3 kann ein in Strömungsrichtung des Kältemittels besonders kurzbauender Verdampfer in Plattenbauweise verwirklicht werden. Um bei einer solchen kurzen Bauweise eine ausreichende Überhitzung des Kältemittels am Verdampferaustritt in allen Betriebssituationen sicherzustellen und somit eine Beschädigung eines Verdichters des Kältekreises durch angesaugtes flüssiges Kältemittel wirksam zu verhindern ist es zudem erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Kältemittel zumindest eine erste und zweite Flut des Verdampfers durchströmt. Unter einer Flut im Sinne der Erfindung ist dabei ein den Verdampfer über seine Länge durchgreifender Strömungsweg des Kältemittels zu verstehen, wobei aufeinanderfolgende Fluten im Allgemeinen parallel zueinander und in Gegenrichtung verlaufen, so dass das Kältemittel zwischen den beiden aufeinanderfolgenden Fluten eine Umlenkung erfährt. Durch die Umlenkung und das Durchströmen aufeinanderfolgender Fluten wird der Strömungsweg des Kältemittels in dem Verdampfer auch bei kurzer Bauform verlängert, so dass eine ausreichende Überhitzung sichergestellt werden kann.
  • Besonders bevorzugt ist das Verhältnis der Länge zu der Breite UB nicht kleiner als etwa 0,5, insbesondere nicht kleiner als etwa 0,7. Durch eine solche Wahl der Verhältnisse von Länge und Breite kann der erfindungsgemäße Verdampfer in jeder Raumrichtung relativ kurzbauend ausgelegt werden, so dass insbesondere durch grobe Annäherung an eine quadratische Umrissform der einzelnen Tauscherplatten eine besonders kompakte Bauform ermöglicht ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gilt für das Verhältnis der Anzahl der Strömungskanäle der zweiten Flut n2 zu der Anzahl der Strömungskanäle der ersten Flut die Beziehung 1 <= n2/n1 <= 3. Dies bedeutet, dass die Anzahl der Strömungskanäle der zweiten Flut wenigstens so groß ist wie die Anzahl der Strömungskanäle der ersten Flut und bis zu 200% größer. Durch die Zunahme der Anzahl der Strömungskanäle beim Wechsel von der ersten Flut auf die zweite Flut wird eine ausreichende Überhitzung des verdampfenden Kältemittels auf besonders sichere Weise gewährleistet.
  • Je nach Anforderungen kann bei einer solchen Ausführungsform vorgesehen sein, dass genau zwei Fluten für das Kältemittel vorgesehen sind. Der Wärmetauscher ist bezüglich des Kältemittels bei einer solchen Ausführung mit genau zwei Fluten zweckmäßig als U-flow-Wärmetauscher ausgebildet.
  • Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Kältemittel zumindest eine dritte, einen oder mehrere Strömungskanäle erster Art umfassende Flut durchströmt, die auf eine der zweiten Flut nachgeordnete zweite Umlenkung folgt. Besonders bevorzugt gilt dabei für das Verhältnis der Anzahl der Strömungskanäle der zweiten Flut n2 zu der Anzahl der Strömungskanäle der ersten Flut n1 die Beziehung 1 <= n2/n1 <= 1,5. Alternativ oder ergänzend gilt für eine solche Ausführungsform mit drei Fluten für das Verhältnis der Anzahl der Strömungskanäle der dritten Flut n3 zu der Anzahl der Strömungskanäle der zweiten Flut n2 die Beziehung 1 <= n3/n2 <= 3, wobei besonders bevorzugt beide der vorgenannten Beziehungen gelten. Somit hat die zweite Flut wenigsten so viele Strömungskanäle wie die erste Flut und bis zu 50% mehr Strömungskanäle als die erste Flut. Die dritte Flut hat wenigstens so viele Strömungskanäle wie die zweite Flut und bis zu 200% mehr Strömungskanäle als die zweite Flut. Insgesamt wird hierdurch der Strömungsweg des Kältemittels durch den Verdampfer weiter vergrößert, wobei durch die Zunahme der Anzahl der Strömungskanäle eine besonders sichere Überhitzung des Kältemittels am Austritt des Verdampfers erreicht. Grundsätzlich ist im Sinne der Erfindung nicht ausgeschlossen, noch eine vierte und weitere Fluten des Verdampfers vorzusehen.
  • Alternativ und im Sinne einer einfachen Montage des Verdampfers kann die Anzahl der Strömungskanäle der ersten Flut (n1) und die Anzahl der Strömungskanäle der zweiten Flut (n2) und die Anzahl der Strömungskanäle der dritten Flut (n3) annähernd gleich oder identisch sein (n1=n2=n3).
  • Durch eine identische Anzahl der Strömungskanäle der drei Fluten ist auch die Plattenanzahl der Teilstapel zur Bildung der drei Fluten identisch. Somit ist eine Unterscheidung der Teilstapel nach späterer Einbaulage überflüssig. Der logistische Aufwand in der Produktion wird durch eine derartige Ausgestaltung des Verdampfers erheblich vereinfacht.
  • "Annähernd gleich" im Sinne der Erfindung bedeutet, dass eine Anzahl von Strömungskanälen einer Flut geringfügig von der Anzahl der beiden anderen Fluten abweicht. Beispielsweise kann die Anzahl der Strömungskanäle der ersten und dritten Flut sechs betragen und die Anzahl der zweiten Flut sieben.
  • Allgemein vorteilhaft ist es zur Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen den beiden Fluiden vorgesehen, dass das zweite Fluid den Verdampfer in zumindest zwei Fluten durchströmt, die jeweils einen oder mehrere der Strömungskanäle zweiter Art umfassen. Bei einer Ausführung mit genau zwei Fluten bezüglich des zweiten Fluids wäre der Verdampfer zweckmäßig als U-flow-Wärmetauscher bezüglich des zweiten Fluids auszubilden. Alternativ kann er aber auch auf einfache Weise als I-flow-Wärmetauscher mit nur einer Flut für das zweite Fluid ausgebildet sein. Je nach Anforderungen können auch mehr als zwei Fluten für das zweite Fluid vorgesehen sein. Bei dem zweiten Fluid handelt es sich im Allgemeinen um ein Kühlmittel, insbesondere ein Kühlmittel in flüssiger Phase, Im Sinne der Erfindung ist unter dem zweiten Fluid allgemein auch ein Fluid zu verstehen, das insbesondere innerhalb des Verdampfers eine Phasenumwandlung zwischen zwei Aggregatzuständen erfährt.
  • Bei einer kostensparenden und einfachen Bauform der Erfindung ist es vorgesehen, dass eine Trennung aufeinanderfolgender Fluten durch eine von anderen Platten verschiedene Sonderplatte ausgebildet ist, die anstelle einer oder mehrerer der Durchbrechungen eine Versperrung aufweist. Durch entsprechende Anordnung von Sonderplatten mit solchen Versperrungen ist auf einfache Weise ein mehrflutiger Verdampfer nach der Bauart eines PlattenWärmetauschers ausgebildet. In besonders zweckmäßiger Detailgestaltung hat die Sonderplatte sowohl eine Versperrung zur Trennung von Fluten des Kältemittels als auch eine Versperrung zur Trennung von Fluten des zweiten Fluids. Auf diese Weise wird die Anzahl der Sonderplatten besonders klein gehalten und die Anzahl der anderen, im Allgemeinen als Gleichteile ausgebildeten Platten des Wärmetauschers wird besonders groß gehalten.
  • Allgemein vorteilhaft sind zwischen den Platten eines erfindungsgemäßen Verdampfers keine Turbulenzeinlagen vorgesehen. Durch Turbulenzeinlagen wird neben erhöhten Kosten und einer aufwendigen Herstellung die Gefahr einer Verunreinigung des Kältemittels durch Flitter und andere Herstellungsrückstände der Turbulenzeinlagen eingebracht, die insbesondere bei der Anbindung an einen Kältekreis mit einem Verdichter und einem Expansionsorgan die Gefahr von Beschädigungen birgt. Zur Vergrößerung der wärmeübertragenden Eigenschaften können anstelle von separaten Turbulenzeinlagen Einprägungen in den Platten vorgesehen sein, durch deren Struktur sowohl eine Vergrößerung der Oberfläche als auch die Einbringung von Turbulenzen in die strömenden Fluide erzielt wird.
  • Bezüglich einer räumlichen Orientierung des Verdampfers ist es allgemein bevorzugt vorgesehen, dass die Strömungsrichtung der letzten der Fluten im Wesentlichen in Richtung der Schwerkraft verläuft. Hierdurch kann verhindert werden, dass sich Kältemittel in dem Verdampfer ansammelt. Unter "im Wesentlichen in Richtung der Schwerkraft" ist somit auch jede Abweichung von der genauen Schwerkraftsrichtung zu verstehen, die noch einen ausreichend großen Einfluss der Schwerkraft auf die Ausströmung des Kältemittels zulässt.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird für eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 13 durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 13 gelöst. Ein erfindungsgemäßer Verdampfer ist besonders gut geeignet, in einem Kältemittelkreislauf bzw. der Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs vorgesehen zu werden, um über einen Kühlmittelkreislauf eine Wärmequelle des Kraftfahrzeugs zu kühlen. Durch die kleinbauende Form des Verdampfers kann den immer kritisch werdenden Bauraumbedingungen bei modernen Kraftfahrzeug Rechnung getragen werden.
  • Bei einer bevorzugten Detailgestaltung der Vorrichtung handelt es sich bei der Wärmequelle um eine Fahrbatterie des Kraftfahrzeugs, insbesondere um eine Lithium-lonen-Batterie. An solche Batterien, die nicht nur bei reinen Elektrofahrzeugen sondern insbesondere auch bei Hybridfahrzeugen mit einem Elektro- und einem Verbrennungsmotor Einsatz finden, werden hohe Anforderungen an die Kühlung gestellt, um Lebensdauer und Betriebssicherheit zu gewährleisten. Hierzu ist ein erfindungsgemäßer, kleinbauender Verdampfer von hoher Tauscherleistung, der zwischen einem Kühlmittelkreislauf und einem insbesondere der Klimatisierung des Fahrzeugs dienenden Kältekreislauf angeordnet ist (auch "Chiller" genannt) besonders geeignet.
  • Da der erfindungsgemäße Verdampfer eine Überhitzung des Kältemittels in seinem Austrittsbereich auf besonders sichere Weise gewährleistet, kann zweckmäßig der Verdichter des Kältekreislaufs dem zweiten Verdampfer unmittelbar nachgeordnet sein. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass kein Sammler zwischen Verdampfer und Verdichter angeordnet ist und aus Bauraumgründen auch kein in den Verdampfer integrierter Sammler vorgesehen ist.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Nachfolgend werden mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
    • Fig. 1
    zeigt eine schematische Darstellung des Verdampfers nach dem Stand der Technik.
    Fig. 2
    zeigt eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verdampfers.
    Fig. 3
    zeigt eine schematische Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verdampfers.
    Fig. 4
    zeigt ein erstes Beispiel einer Vorrichtung zur Kühlung einer Wärmequelle mit einem erfindungsgemäßen Verdampfer.
    Fig. 5 zeigt eine Abwandlung der Vorrichtung aus Fig. 4.
  • Die schematische Schnittdarstellung Fig. 1 zeigt einen Verdampfer gemäß dem Stand der Technik. Eine Mehrzahl von Platten 1 ist in einer Hochrichtung h parallel aufeinander gestapelt, wobei zwischen zwei Platten abwechselnd ein Strömungskanal erster Art 2 und ein Strömungskanal zweiter Art 3 verbleibt. Die Platten 1 haben miteinander fluchtende Durchbrechungen 1a, 1b, durch die rohrartige, sich in der Hochrichtung erstreckende Zuführungen und Abführungen für ein Kältemittel oder erstes Fluid und ein zweites Fluid des Verdampfers ausgebildet werden. Um dabei die Strömungskanäle erster und zweiter Art 2, 3 voneinander zu trennen haben die Durchbrechungen 1 a, 1b auf bekannte Weise alternierend aufgestellte Ränder (nicht dargestellt), die mit der benachbarten Platte dichtend verlötet sind. Kostengünstig und zweckmäßig bestehen die Platten aus einer Aluminiumlegierung.
  • Der Stapel von Platten 1 ist auf bekannte Weise an seinen beiden Enden durch Abschlussplatten 9 abgeschlossen, an denen auch die Zuleitungen und Ableitungen für das Kältemittel und das zweite Fluid angebracht sind.
  • Die Durchströmung des Verdampfers nach dem Stand der Technik mit Kältemittel erfolgt wie durch die Pfeile angedeutet in nur einer Flut nach Art eines I-flow-Wärmetauschers von der Zuführung 1 a zu der Abführung 1b.
  • Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdampfers, bei der der Verdampfer bezüglich des Kältemittels in insgesamt drei Fluten 4, 5, 6 aufgeteilt ist. Die Trennung der Strömungskanäle 1 in die einzelnen Fluten 4, 5, 6 erfolgt durch Sonderplatten 7, bei denen zumindest eine der Durchbrechungen 1a, 1b durch eine Versperrung 7a ersetzt ist. Die Versperrungen 7a hindern das Kältemittel an einer vollständigen Durchströmung der Zuführung bzw. Abführung in der Hochrichtung. Durch die in Hochrichtung versetzte Anordnung der Versperrungen 7a werden somit Umlenkungen 8 am Ende der ersten Flut und am Ende der zweiten Flut erzwungen, so dass das Kältemittel den Verdampfer zunächst in der ersten Flut 4 parallel einer Längsrichtung des Verdampfers von der Zuführung 1a zur Seite der Abführung 1 b durchströmt, dann um 180° umgelenkt wird, dann den Verdampfer parallel zu der Längsrichtung in der zweiten Flut 5 in zu der ersten Flut entgegen gesetzter Richtung durchströmt, erneut umgelenkt wird und den Verdampfer parallel zur Längsrichtung in der dritten Flut 6 durchströmt und schließlich aus der Abführung 1b austritt. Insgesamt vollzieht das Kältemittel in dem Verdampfer somit einen S-förmigen Strömungsweg.
  • Eine Breitenrichtung des Verdampfers verläuft senkrecht zur Zeichnungsebene der Fig. 2 und somit senkrecht zu der Längsrichtung und zu der Hochrichtung h. Die Platten 1 haben zwischen den Zuführungen und Abführungen 1a, 1b eine wärmeübertragende Fläche mit einer Länge L in der Längsrichtung und einer Breite B in der Breitenrichtung. Im vorliegenden Beispiel beträgt L etwa 4 cm und B etwa 5,5 cm. Hieraus ergibt sich ein Verhältnis von UB von etwa 0,73. Eine Höhe H des Stapels von Platten 1 beträgt etwa 4 cm. Die äußeren Abmessungen des Verdampfers haben für dieses konkrete Beispiel eine gesamte Länge von 8,8 cm, eine gesamte Breite von 6,2 cm und eine Höhe von 4 cm.
  • Die erste Flut 4 umfasst vorliegend eine Anzahl n1 von zwei Strömungskanälen erster Art 2, die zweite Flut 5 umfasst eine Anzahl n2 von drei Strömungskanälen 2 und die dritte Flut umfasst eine Anzahl n3 von vier Strömungskanälen 2. Somit gelten für die Verhältnisse der Anzahlen von Strömungskanälen die Bedingungen:
    • 1 <= n2/n1 = 1,5 <= 1,5 und
    • 1 <= n3/n2 = 1,33 <= 3.
  • Durch die Zunahme der jeweiligen Anzahl der Strömungskanäle 2 in aufeinander folgenden Fluten 4, 5, 6 wird die Expansion des Kältemittels berücksichtigt und insbesondere eine ausreichende Überhitzung des Kältemittels am Austritt des Verdampfers sichergestellt.
  • Zwischen den einzelnen Platten 1 sind zumindest auf der Seite des Kältemittels keine Turbulenzeinlagen vorgesehen. Die Platten 1 haben je nach Anforderungen Einprägungen und Strukturierungen, um die Oberfläche zu vergrößern und Turbulenzen in das strömende Kältemittel einzubringen.
  • Die in Strömungskanäle zweiter Art 3 sind durch unterbrochene Linien dargestellt und werden vorliegend von einem flüssigen Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs als zweites Fluid durchströmt. Die Zuführungen und Abführungen für das zweite Fluid sind nicht dargestellt.
  • Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verdampfers. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 durchströmt das Kältemittel hierbei nur zwei Fluten 4, 5, so dass der Durchströmungsweg des Kältemittels insgesamt U-förmig (U-flow-Wärmetauscher) ist. Die Abmessungen der Platten 1 sind die gleichen wie im ersten Ausführungsbeispiel.
  • Die Anzahl der Strömungskanäle der ersten Flut 4 ist in diesem Beispiel n1=3 und die Anzahl der Strömungskanäle der zweiten Flut 5 ist n2=4. Die Anzahl der Strömungskanäle erfüllt somit die Bedingung 1 < = n ⁢ 2 / n ⁢ 1 = 1 , 33 < = 3.
    Figure imgb0001
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist auch der Weg des Kühlmittels durch die Strömungskanäle zweiter Art 3 in mehrere Fluten unterteilt. Insbesondere zeigt dabei die Fig. 3 eine Darstellung der Fluten des zweiten Fluids bzw. Kühlmittels, wobei die Darstellung Fig. 2 die Fluten des Kältemittels des gleichen Verdampfers zeigt. Wenn beide Fluide in mehrere Fluten aufgeteilt sind kann es zweckmäßig vorgesehen sein, dass eine oder mehrere der Sonderplatten 7 sowohl eine Versperrung für das erste Fluid als auch eine Versperrung für das zweite Fluid aufweist. Hierdurch lässt sich die Zahl von notwendigen Sonderplatten verringern und insgesamt die Zahl der Gleichteile des Verdampfers erhöhen.
  • Fig. 4 zeigt eine Vorrichtung zur Kühlung einer Wärmequelle 10 eines Kraftfahrzeugs, vorliegend einer Lithium-lonen-Batterie eines Hybridantriebs. Die Batterie 10 wird durch einen Kreislauf mit flüssigem Kühlmittel gekühlt, das über eine Umwälzpumpe 11 umgewälzt wird. Die von der Batterie 10 aufgenommene Wärme wird dabei über einen Wärmetauscher 12 abgeführt, der ein efindungsgemäßer Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele ist.
  • Der Verdampfer 12 ist in einem Kältekreislauf 13 integriert, der zugleich zur Klimatisierung des Kraftfahrzeugs dient. Hierzu wird das Kältemittel über einen Verdichter 14 verdichtet und nachfolgend über einen Kondensator oder Gaskühler 15 gekühlt. Dem Kondensator oder Gaskühler 15 nachfolgend sind ein Klimaverdampfer 16 und der erfindungsgemäße Verdampfer 12 parallel geschaltet, wobei vor jedem der Verdampfer 12, 16 jeweils ein Expansionsorgan 16a, 12a angeordnet ist. Eine Lüfter 17 fördert Luft zur Konditionierung durch den Klimaverdampfer 16.
  • Es sind andere Verschaltungen der Verdampfer 12, 16 wie etwa seriell, insbesondere mit schaltbaren Bypässen, denkbar. Ebenso kann für beide Verdampfer 12, 16 ein gemeinsames Expansionsorgan vorgesehen sein.
  • Fig. 5 zeigt eine Abwandlung der Vorrichtung aus Fig. 4, bei der der Kühlmittelkreis zusätzlich zu dem Verdampfer 16 noch einen parallel geschalteten Zusatzkühler 18 aufweist, der von Außenluft umströmt wird. Durch nicht dargestellte Ventile kann das Kühlmittel wahlweise den Verdampfer 12, den Kühler 18 oder beide Wärmetauscher 12, 18 durchströmen, um in allen Betriebssituationen eine optimale Kühlung von Batterie 10 und Fahrzeuginnenraum zu gewährleisten.
  • Es versteht sich, dass die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen je nach Anforderungen sinnvoll miteinander kombiniert werden können.

Claims (15)

  1. Verdampfer, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Mehrzahl von parallel zueinander in einer Hochrichtung gestapelten Platten (1) mit fluchtend angeordneten Durchbrechungen (1a, 1 b) zur Zuführung und Abführung eines als Kältemittel ausgebildeten ersten Fluids und eines zweiten Fluids,
    wobei zwischen zwei benachbarten Platten (1) ein Strömungskanal (2) erster Art zur Führung des ersten Fluids im Wechsel mit einem Strömungskanal (3) zweiter Art zur Führung des zweiten Fluids ausgebildet sind,
    wobei eine wärmeübertragende Fläche der Platten (1) eine Länge (L) in Strömungsrichtung des Kältemittels und eine hierzu senkrechte Breite (B) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Verhältnis der Länge zu der Breite (L/B) nicht größer als etwa 1,3 ist, wobei das Kältemittel die Strömungskanäle (2) in einer ersten, einen oder mehrere der Strömungskanäle (2) erster Art umfassenden Flut (4) und zumindest einer der ersten Flut nach einer Umlenkung (8) nachfolgenden, einen oder mehrere der Strömungskanäle (2) erster Art umfassenden zweiten Flut (5) durchströmt.
  2. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Länge zu der Breite UB nicht kleiner als etwa 0,5, insbesondere nicht kleiner als etwa 0,7 ist.
  3. Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für das Verhältnis der Anzahl der Strömungskanäle der zweiten Flut (n2) zu der Anzahl der Strömungskanäle der ersten Flut (n1) die Beziehung 1 <= n2/n1 <= 3 gilt.
  4. Verdampfer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass genau zwei Fluten (4, 5) für das Kältemittel vorgesehen sind.
  5. Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel eine dritte, einen oder mehrere Strömungskanäle (2) erster Art umfassende Flut (6) durchströmt, die auf eine der zweiten Flut (5) nachfolgende zweite Umlenkung (8) folgt.
  6. Verdampfer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass für das Verhältnis der Anzahl der Strömungskanäle der zweiten Flut (n2) zu der Anzahl der Strömungskanäle der ersten Flut (n1) die Beziehung 1 < = n ⁢ 2 / n ⁢ 1 < = 1 , 5
    Figure imgb0002
    gilt.
  7. Verdampfer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass für das Verhältnis der Anzahl der Strömungskanäle der dritten Flut (n3) zu der Anzahl der Strömungskanäle der zweiten Flut (n2) die Beziehung 1 < = n ⁢ 3 / n ⁢ 2 < = 3
    Figure imgb0003
    gilt.
  8. Verdampfer nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Strömungskanäle der dritten Flut (n3) und die Anzahl der Strömungskanäle der zweiten Flut (n2) und die Anzahl der Strömungskanäle der ersten Flut (n1) annähernd gleich oder identisch sind.
  9. Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Fluid den Verdampfer in zumindest zwei Fluten durchströmt, die jeweils einen oder mehrere der Strömungskanäle (3) zweiter Art umfassen.
  10. Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Trennung aufeinander folgender Fluten (4, 5, 6) durch eine von den anderen Platten (1) verschiedene Sonderplatte (7) ausgebildet ist, die anstelle einer oder mehrerer der Durchbrechungen eine Versperrung (7a) aufweist.
  11. Verdampfer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonderplatte (7) sowohl eine Versperrung (7a) zur Trennung von Fluten des Kältemittels als auch eine Versperrung zur Trennung von Fluten des zweiten Fluids aufweist.
  12. Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer eine räumliche Orientierung aufweist, bei der die Strömungsrichtung der letzten der Fluten (5, 6) im Wesentlichen in Richtung der Schwerkraft verläuft.
  13. Vorrichtung zur Kühlung einer Wärmequelle eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter (14), einem Kondensator oder Gaskühler (15), einem ersten Verdampfer (16) zur Luftkonditionierung eines Fahrgastraums und einem zweiten Verdampfer (12),
    wobei der zweite Verdampfer (12) in thermischem Austausch mit einem die Wärmequelle (10) kühlenden Kühlmittelkreislauf steht,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der zweite Verdampfer (12) als Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (10) eine Fahrbatterie des Kraftfahrzeugs ist, insbesondere eine Lithium-lonen-Batterie.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kältekreislauf der Verdichter (14) dem zweiten Verdampfer (12) unmittelbar nachgeordnet ist.
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