EP2373934B1 - Verdampfer für einen kältekreis - Google Patents

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EP2373934B1
EP2373934B1 EP09760524.0A EP09760524A EP2373934B1 EP 2373934 B1 EP2373934 B1 EP 2373934B1 EP 09760524 A EP09760524 A EP 09760524A EP 2373934 B1 EP2373934 B1 EP 2373934B1
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EP
European Patent Office
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evaporator
heat
region
exchanger element
refrigerant
Prior art date
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EP09760524.0A
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English (en)
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EP2373934A1 (de
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Gottfried DÜRR
Günther FEUERECKER
Stefan Hirsch
Tobias Isermeyer
Caroline Janzen
Christoph Walter
Achim Wiebelt
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Mahle Behr GmbH and Co KG
Original Assignee
Mahle Behr GmbH and Co KG
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Publication date
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    • 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
    • F25B40/00—Subcoolers, desuperheaters or superheaters
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B41/00—Fluid-circulation arrangements
    • F25B41/30—Expansion means; Dispositions thereof
    • F25B41/39—Dispositions with two or more expansion means arranged in series, i.e. multi-stage expansion, on a refrigerant line leading to the same evaporator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B2341/00—Details of ejectors not being used as compression device; Details of flow restrictors or expansion valves
    • F25B2341/06—Details of flow restrictors or expansion valves
    • F25B2341/064—Superheater expansion valves
    • 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
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    • F25B2400/00—Component parts or details not otherwise provided for in this subclass
    • F25B2400/05—Compression system with heat exchange between particular parts of the system
    • F25B2400/054—Compression system with heat exchange between particular parts of the system between the suction tube of the compressor and another part of the cycle
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    • F25B2500/18—Optimization, e.g. high integration of refrigeration components
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    • 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
    • F25B2600/00—Control issues
    • F25B2600/21—Refrigerant outlet evaporator temperature

Definitions

  • the invention relates to an evaporator for a refrigeration cycle, in particular for a motor vehicle, according to the preamble of claim 1.
  • JP-A-2004 012127 discloses an evaporator according to the preamble of claim 1.
  • the exchanger member allows overheating of the refrigerant leaving the evaporator section by transferring heat defined by the inlet side refrigerant flow to the exiting refrigerant flow. This makes it possible in particular, the refrigerant the evaporator area to flow through with little or no overheating.
  • the refrigerant can also be present in the entire evaporator area as a wet steam phase and thus cause a complete and homogeneous cooling of the evaporator area.
  • the first expansion element means any suitable expansion element such as a fixed throttle, a thermostatic expansion valve (TXV) or an electronically controlled expansion valve. Since the first expansion element is arranged upstream of the exchanger element, the exchanger element can also be regarded as an internal low-pressure heat exchanger of the refrigeration circuit.
  • the evaporator according to the invention thus comprises an evaporator region essentially in heat exchange with the outer space and the exchanger element essentially effecting an internal heat exchange.
  • a second expansion element is provided on the inlet side between the exchanger element and the evaporator region.
  • the inlet-side part of the exchanger element arranged upstream of the evaporator region can transmit an amount of enthalpy to the outlet-side refrigerant flow in a particularly effective manner.
  • the second expansion element is preferably a fixed throttle, which is to be dimensioned accordingly.
  • the second expansion element can also be designed to be adjustable, either as an alternative or in addition to a controllable design of the first expansion element.
  • the first expansion element is designed as the only interface of the evaporator region and the exchanger element to the remaining refrigerant circuit, wherein the first expansion element is designed in particular as a thermostatic expansion valve.
  • the first refrigerant undergoes substantially no overheating in normal operation in the evaporator region, wherein overheating takes place on the outlet side of the evaporator region in the exchanger element.
  • the entire evaporator region is subject to a substantially homogeneous cooling performance, and in particular no load-dependent overheating region is present in the evaporator region in its expansion.
  • the exchanger member is formed in a simple manner as a section of parallel channels, wherein at least one leading channel is in thermal exchange with at least one recirculating channel via a partition wall.
  • Number and length of the channels can be designed depending on the required performance of the exchanger member and given space.
  • the leading channel and the returning channel have a substantially spiral course.
  • a spiral shape in the sense of the invention is to be understood as a circular, elliptical, polygonal or other spiral-shaped arrangement.
  • the evaporator region and the exchanger element are designed as a structurally integrated unit.
  • the evaporator region and the exchanger element can also be embodied as structurally separated units, which, however, in particular are not necessarily mounted at different locations and connected to one another via refrigerant lines.
  • the evaporator region is designed as an air-cooled climatic evaporator for conditioning an air stream, in particular as a flat-tube evaporator.
  • the evaporator is designed as a cooling body for cooling thermally conductive elements connected to the heat sink.
  • evaporator areas particularly high demands are placed on a homogeneous cooling all of the elements regularly.
  • An example of the spatial design of such an evaporator area is in the document EP 1 835 251 A1 described, wherein the heat sink has a flat plate shape with igelartig arranged thereon supports for cylindrical memory cells.
  • the embodiments of the invention embodied as a cooling body evaporator region are not limited to this example.
  • the heat sink may also be formed to cool flat-cells ("coffee-bags") or prismatic cells, be configured as a folded heat sink, or the like.
  • the elements are designed as electrical energy stores, in particular lithium-ion storage cells.
  • Lithium-ion storage cells not only require a high cooling capacity due to their power density, but also place high demands on compliance with a given temperature range in terms of function, operational reliability and service life.
  • a further heat source in particular power electronics, can also be thermally connected to the exchanger element.
  • the exchanger member is only partially designed as an inner heat exchanger of the refrigerant circuit and also allows heat transfer to the outside area, wherein the introduced heat additionally ensures overheating of the refrigerant in the exchanger element.
  • the exchanger element can also be designed without heat exchange with the outside area or as exclusively internal heat exchanger.
  • the heat sink is formed at least in the evaporator region in a sandwich plate construction.
  • a sandwich plate construction Such a construction of a plate evaporator is for example in the document DE 195 28 116 B4 described, wherein a plurality of layers of perforated, in particular solder-plated sheets are stacked one above the other to form the channels for the refrigerant.
  • the exchanger element is also particularly preferably designed in a plate-sandwich construction, in particular in a structural unit with the evaporator region.
  • the in Fig. 1 Evaporator shown comprises an evaporator section 1 and a connected thereto exchanger element 2.
  • the evaporator 1 is designed as a flat-tube evaporator for conditioning of air L for a passenger compartment. To optimize its performance and improve homogeneity, it is divided into six blocks in the present case, through which a refrigerant K flows through in succession.
  • the evaporator region is thus designed as a heat exchanger connected thermally to the outer region, wherein the exchanger element is designed essentially as an inner heat exchanger.
  • a thermostatic expansion valve 3 is arranged as a first expansion member in front of the exchanger member 2, wherein a leading refrigerant flow is controlled by the expansion valve 3.
  • the refrigerant flow exiting the evaporator also flows through the expansion valve, the control taking place as a function of pressure and temperature of the exiting flow. In this way, an overheating of the exiting stream is ensured continuously, which subsequently enters the suction side in a compressor of the refrigeration circuit.
  • a second expansion element 4 in the form of a fixed throttle is provided on the input side of the evaporator region 1 or between exchanger element 2 and evaporator region 1. This ensures that the incoming stream of refrigerant in the region of the exchanger member only partially expands, wherein in this area sufficient for overheating amount of heat is transferred to the exiting stream. In the entire evaporator region 1 can therefore not be superheated refrigerant, so wet steam, with appropriate control.
  • the exchanger member may be designed as parallel, leading back and forth channels 2a, 2b, which are in thermal contact via a wall 2c.
  • Fig. 3 shows various suitable variants of such an arrangement.
  • the embodiments A, C, D and E may be formed as extruded profiles, which include both channels 2a, 2b.
  • Type B consists of two concentric tubes, at the ends of which corresponding feed pieces (not shown) for the refrigerant are arranged.
  • the hydraulic cross section for the recirculating channel is greater than for the leading channel to account for the expansion in the evaporator 1, 2.
  • the exchanger member 2 may be formed as a multi-channel pipe section with the flat tube evaporator 3 as a structurally integrated unit, for example.
  • the expansion valve 3 may be provided on this unit. D the connections of the expansion valve 3 in a known manner, the only interface of the evaporator 1, 2 to the rest of the refrigerant circuit.
  • the second embodiment according to Fig. 4 differs from the first example only in the structural design in particular of the evaporator section 1, but is in the function (see Fig. 2 ) identical.
  • the evaporator region 1 is formed as a plate-shaped heat sink, are mounted on the elements to be cooled (not shown) in the form of lithium-ion storage cells thermally conductive.
  • An example for a specific design of such designed as a heat sink evaporator is in the document EP 1 835 251 A1 described.
  • the heat sink In the constructive detail design of the heat sink is formed in a sandwich-plate construction of stacked, solder-plated sheets or plates, wherein the refrigerant channels are formed by means of pre-punched openings in the sheets. The sheet stack is then soldered flat in a soldering oven.
  • a detailed example of such a construction of an evaporator is from the document DE 195 28 116 B4 known.
  • the exchanger element 2 is provided separated from the plate-shaped heat sink or evaporator region 1 and connected to the latter via refrigerant lines.
  • Fig. 5 is formed in contrast to the second embodiment, the plate-shaped heat sink 1 as an integrated structural unit with the exchanger element 2.
  • Fig. 6 shows an exemplary shape of the refrigerant channels of the exchanger member 2, wherein the parallel, leading and returning channels 2a, 2b are spirally wound with their thermally connecting partition 2c in a plane spiral.
  • a diversion in depth In the middle of the spiral for each of the channels is a diversion in depth, which can be realized for example by a connection hole in the cooling plate.
  • the helical design of the exchanger element 2 counteracts its property as an internal heat exchanger of the refrigeration circuit.
  • a spiral configuration of the exchanger element can also be achieved by winding tubes, for example with cross-sections according to FIG Fig. 3 , be achieved.
  • the return and return channels in the embodiments according to the Fig. 3 and Fig. 6 be reversed, so that the channels 2a are formed as returning and the channels 2b as leading channels.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Verdampfer für einen Kältekreis, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Es ist bekannt, den Kältemittelstrom durch den Verdampfer eines Kältekreises zu regeln, zum Beispiel mittels eines thermostatischen Expansionsventils, so dass austrittsseitig des Verdampfers bzw. saugseitig eines Verdichters des Kältekreises eine Überhitzung des Kältemittels sichergestellt ist. Hierdurch ist die Kühlleistung nicht homogen über den gesamten Verdampfer verteilt. Dies ist nicht nur allgemein bei Verdampfern zur Luftkonditionierung zum Beispiel eines Fahrzeuginnenraums unerwünscht, sondern in besonderem Maße auch bei der Kühlung von Wärmequellen, bei denen es auf die Einhaltung eines bevorzugten Temperaturbereichs besonders ankommt. JP-A-2004 012127 offenbart ein Verdampfer gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Verdampfer für einen Kältekreis anzugeben, bei dem ein definierter Bereich mit besonders homogener Kühlleistung gegeben ist.
  • Diese Aufgabe wird für einen eingangs genannten Verdampfer erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch das Tauscherglied wird eine Überhitzung des den Verdampferbereich verlassenden Kältemittels ermöglicht, indem Wärme definiert von dem einlassseitigen Kältemittelstrom auf den austretenden Kältemittelstrom übertragen wird. Dies ermöglicht es insbesondere, das Kältemittel den Verdampferbereich ohne oder mit nur geringfügiger Überhitzung durchströmen zu lassen. So kann das Kältemittel auch in dem gesamten Verdampferbereich als Nassdampfphase vorliegen und somit eine vollständige und homogene Kühlung des Verdampferbereichs bewirken. Unter einem Kältemittel im Sinne der Erfindung ist jedes geeignete Betriebsmittel eines Kältekreises zu verstehen, insbesondere neben herkömmlichen Kältemitteln wie etwa R134a auch CO2. Unter dem ersten Expansionsorgan im Sinne der Erfindung ist jedes geeignete Expansionsorgan wie etwa eine Festdrossel, ein thermostatisches Expansionsventil (TXV) oder auch ein elektronisch geregeltes Expansionsventil zu verstehen. Da das erste Expansionsorgan stromaufwärts des Tauscherglieds,angeordnet ist, kann das Tauscherglied auch als ein innerer Niederdruck-Wärmeübertrager des Kältekreises betrachtet werden. Der erfindungsgemäße Verdampfer umfasst somit einen im Wesentlichen mit dem Außenraum in Wärmeaustausch stehenden Verdampferbereich und das im Wesentlichen einen innerem Wärmeaustausch bewirkende Tauscherglied.
  • Bei dem Verdampfer gemäß Anspruch 1 ist einlassseitig zwischen dem Tauscherglied und dem Verdampferbereich ein zweites Expansionsorgan vorgesehen. Hierdurch kann der einlassseitige Teil des dem Verdampferbereich vorgelagerten Tauscherglieds besonders effektiv eine Enthalpiemenge auf den auslassseitigen Kältemittelstrom übertragen. Bei dem zweiten Expansionsorgan handelt es sich im Interesse einer einfachen Bauweise bevorzugt um eine Festdrossel, die entsprechend zu dimensionieren ist. Je nach Anforderungen kann das zweite Expansionsorgan aber auch regelbar ausgelegt sein, entweder alternativ oder ergänzend zu einer regelbaren Auslegung des ersten Expansionsorgans.
  • Bei dem Verdampfer gemäß Anspruch 1 ist das erste Expansionsorgan als einzige Schnittstelle von Verdampferdereich und Tauscherglied zu dem übrigen Kältekreis ausgebildet, wobei das erste Expansionsorgan insbesondere als thermostatisches Expansionsventil ausgebildet ist.
  • In allgemein bevorzugter Ausführungsform erfährt das erste Kältemittel in einem Normalbetrieb im Verdampferbereich im Wesentlichen keine Überhitzung, wobei eine Überhitzung austrittsseitig des Verdampferbereichs in dem Tauscherglied erfolgt. Hierdurch unterliegt der gesamte Verdampferbereich einer im Wesentlichen homogenen Kühlleistung, und insbesondere ist kein in seiner Ausdehnung lastabhängiger Überhitzungsbereich in dem Verdampferbereich vorhanden.
  • Bei der Erfindung gemäß Anspruch 1, ist das Tauscherglied auf einfache Weise als Abschnitt paralleler Kanäle ausgebildet, wobei zumindest ein hinführender Kanal mit zumindest einem rückführenden Kanal über eine Trennwand in thermischem Austausch steht. Anzahl und Länge der Kanäle können dabei je nach geforderter Leistung des Tauscherglieds und gegebenem Bauraum ausgelegt sein. In besonders bevorzugter Detailgestaltung haben der hinführende Kanal und der rückführende Kanal einen im Wesentlichen spiralförmigen Verlauf. Hierdurch kann ein kompaktes Tauschglied realisiert werden. Unter einer Spiralform im Sinne der Erfindung ist eine kreisförmige, elliptische, mehreckige oder sonstige spiraliförmige Anordnung zu verstehen.
  • Im Interesse einer Integration von Bauteilen und Minimierung des Bauraums sind in bevorzugter Ausführung zumindest der Verdampferbereich und das Tauscherglied als baulich integrierte Einheit ausgebildet. Je nach Anforderungen können der Verdampferbereich und das Tauscherglied aber auch als baulich separierte Einheiten ausgebildet sein, die insbesondere aber nicht notwendig an verschiedenen Orten montiert und über Kältemittelleitungen miteinander verbunden sind.
  • Bei einer möglichen Ausführungsform der Erfindung ist der Verdampferbereich als luftdurchströmter Klimaverdampfer zur Klimatisierung eines Luftstroms, insbesondere als Flachrohrverdampfer, ausgebildet.
  • Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Verdampfer als Kühlkörper zur Kühlung von thermisch leitfähig mit dem Kühlkörper verbundenen Elementen ausgebildet. Bei solchen Verdampferbereichen werden regelmäßig besonders hohe Anforderungen an eine homogene Kühlung sämtlicher der Elemente gestellt. Ein Beispiel für die räumliche Gestaltung eines solchen Verdampferbereichs ist in der Druckschrift EP 1 835 251 A1 beschrieben, wobei der Kühlkörper eine flache Plattenform mit igelartig daran angeordneten Halterungen für zylindrische Speicherzellen hat. Die von der Erfindung umfassten Bauformen eines als Kühlkörper ausgebildeten Verdampferbereichs sind nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Zum Beispiel kann der Kühlkörper auch zur Kühlung von Flachzellen ("Coffee-Bags") oder prismatischen Zellen ausgeformt sein, als gefalteter Kühlkörper-ausgebildet sein oder Ähnliches.
  • In bevorzugte Detailgestaltung sind dabei die Elemente als elektrische Energiespeicher, insbesondere Lithium-Ionen-Speicherzellen, ausgebildet. Lithium-lonen-Speicherzellen erfordern nicht nur eine hohe Kühlleistung aufgrund ihrer Leistungsdichte, sondern stellen auch in Funktion, Betriebssicherheit und Lebensdauer hohe Anforderungen an die Einhaltung eines gegebenen Temperaturbereichs.
  • In möglicher Detailgestaltung kann zudem eine weitere Wärmequelle, insbesondere eine Leistungselektronik, thermisch an das Tauscherglied angebunden sein. Bei einer solchen Gestaltung wird das Tauscherglied nur teilweise als innerer Wärmetauscher des Kältekreises ausgelegt und erlaubt auch einen Wärmeübergang mit dem Außenbereich, wobei die eingebrachte Wärme zusätzlich eine Überhitzung des Kältemittels im Tauscherglied sicherstellt. Alternativ kann das Tauscherglied aber auch ohne Wärmeaustausch mit dem Außenbereich bzw. als ausschließlich innerer Wärmeübertrager ausgelegt sein.
  • Bei einer bevorzugten, kostengünstigen und einfachen Bauform ist der Kühlkörper zumindest im Verdampferbereich in einer Platten-Sandwich-Bauweise ausgebildet. Eine solche Bauweise eines Plattenverdampfers ist zum Beispiel in der Druckschrift DE 195 28 116 B4 beschrieben, wobei mehrere Lagen von durchbrochenen, insbesondere lotplattierten Blechen sandwichartig übereinander gestapelt werden, um die Kanäle für das Kältemittel auszubilden. Besonders bevorzugt ist dabei auch das Tauscherglied in einer Platten-Sandwich-Bauweise ausgebildet, insbesondere in baulicher Einheit mit dem Verdampferbereich.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen sowie den abhängigen Ansprüchen.
  • Nachfolgend werden mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele eines Verdampfers beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
    • Fig. 1
    zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
    Fig. 2
    zeigt ein Druck-Enthalpie-Diagramm eines Kältekreises mit erfindungsgemäßem Verdampfer.
    Fig. 3
    zeigt mehrere Querschnitte A-E möglicher Bauformen eines Tauschglieds.
    Fig. 4
    zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
    Fig. 5
    zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
    Fig. 6
    zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Bauform eines Tauscherglieds.
  • Der in Fig. 1 gezeigte Verdampfer umfasst einen Verdampferbereich 1 und ein diesem angeschlossenes Tauscherglied 2. Der Verdampfer 1 ist als Flachrohr-Verdampfer zur Konditionierung von Luft L für einen Fahrgastraum ausgebildet. Zur Optimierung seiner Leistung und Verbesserung der Homogenität ist er in vorliegend sechs Blöcke aufgeteilt, die nacheinander von einem Kältemittel K durchströmt werden. Der Verdampferbereich ist somit als ein thermisch mit dem Außenbereich verbundener Wärmetauscher ausgebildet, wobei das Tauscherglied im Wesentlichen als ein innerer Wärmetauscher ausgebildet ist.
  • Ein thermostatisches Expansionsventil 3 ist als ein erstes Expansionsorgan vor dem Tauscherglied 2 angeordnet, wobei ein hinführender Kältemittelstrom durch das Expansionsventil 3 geregelt wird. Der aus dem Verdampfer austretende Kältemittelstrom durchströmt das Expansionsventil ebenfalls, wobei die Regelung in Abhängigkeit von Druck und Temperatur des austretenden Stroms erfolgt. Auf diese Weise wird kontinuierlich eine Überhitzung des austretenden Stroms sichergestellt, der nachfolgend saugseitig in einen Verdichter des Kältekreises eintritt.
  • Eingangsseitig des Verdampferbereichs 1 bzw. zwischen Tauscherglied 2 und Verdampferbereich 1 ist ein zweites Expansionsorgan 4 in Form einer Festdrossel vorgesehen. Hierdurch wird erreicht, dass der eintretende Strom des Kältemittels im Bereich des Tauscherglieds nur teilweise expandiert, wobei in diesem Bereich eine zur Überhitzung ausreichende Wärmemenge auf den austretenden Strom übertragen wird. In dem gesamten Verdampferbereich 1 kann daher bei entsprechender Regelung nicht überhitztes Kältemittel, also Nassdampf, vorliegen.
  • In einfacher Ausführung kann das Tauscherglied als parallele, hin- und rückführende Kanäle 2a, 2b ausgelegt sein, die über eine Wand 2c in thermischem Kontakt stehen. Fig. 3 zeigt verschiedene geeignete Varianten einer solchen Anordnung. Insbesondere die Ausführungen A, C, D und E können als Strangpressprofile ausgebildet sein, die beide Kanäle 2a, 2b umfassen. Ausführung B besteht aus zwei konzentrischen Rohren, an deren Enden entsprechende Zuführstücke (nicht dargestellt) für das Kältemittel angeordnet sind. In jedem Fall ist der hydraulische Querschnitt für den rückführenden Kanal größer als für den hinführenden Kanal, um der Expansion im Verdampfer 1, 2 Rechnung zu tragen.
  • Das Tauscherglied 2 kann zum Beispiel als mehrkanaliger Rohrabschnitt mit dem Flachrohrverdampfer 3 als baulich integrierte Einheit ausgebildet sein. Insbesondere kann auch das Expansionsventil 3 an dieser Einheit vorgesehen sein. D die Anschlüsse des Expansionsventils 3 stellen in bekannter Weise die einzige Schnittstelle des Verdampfers 1, 2 zum übrigen Kältekreis dar.
  • Bei dem in Fig. 2 gezeigten Kreislauf des Kältemittels erfolgen nacheinander
    • Verdichtung A,
    • annähernd isobare Abkühlung in einem Kondensator B,
    • erste isenthalpe Expansion C durch das Expansionsventil 3,
    • annähernd isobare Enthalpieabgabe D im einströmenden Teil des Tauscherglieds,
    • zweite annähernd isobare Expansion E durch die Festdrossel 4,
    • annähernd isobare Enthalpieaufnahme F im Verdampferbereich 1, und
    • Überhitzung G im ausströmenden Teil des Tauscherglieds 2.
  • In dem Zustandsdiagramm Fig. 2 ist zudem eine Zustandskurve des Kältemittels eingetragen. Die Bereiche F und G grenzen im Schnitt mit der Zustandskurve aneinander. Dies stellt den Fall dar, dass die Überhitzung exakt mit dem Übergang vom Verdampferbereich 1 in das Tauscherglied 2 beginnt.
  • Typische beispielhafte Betriebspunkte für das Kältemittel sind dabei:
    • 6 bar, 20 °C nach erstem Expansionsorgan 3 bzw. Übergang C nach D, 6 bar, 10 °C nach Tauscherglied eintrittsseitig bzw. Übergang D nach E,
    • 6 bar, 10 °C nach Tauscherglied 2 eintrittsseitig bzw. Übergang D nach E,
    • 3 bar, 0°C im Verdampferbereich 1 bzw. im Bereich F bis zum Übergang nach G,
    • 3 bar, 10 °C nach Tauscherglied 2 austrittsseitig bzw. Übergang G nach A.
  • Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 unterscheidet sich vom ersten Beispiel nur in der baulichen Gestaltung insbesondere des Verdampferbereichs 1, ist aber in der Funktion (siehe Fig. 2) identisch.
  • Vorliegend ist der Verdampferbereich 1 als plattenförmiger Kühlkörper ausgebildet, auf dem zu kühlende Elemente (nicht dargestellt) in Form von Lithium-Ionen-Speicherzellen thermisch leitend angebracht sind. Ein Beispiel für eine konkrete Bauform eines solchen als Kühlkörper ausgebildeten Verdampfers ist in der Druckschrift EP 1 835 251 A1 beschrieben.
  • In der konstruktiven Detailgestaltung ist der Kühlkörper dabei in einer Sandwich-Platten-Bauweise aus aufeinander geschichteten, lotplattierten Blechen bzw. Platten ausgebildet, wobei die Kältemittelkanäle mittels vorgestanzter Durchbrechungen in den Blechen ausgeformt werden. Der Blechstapel wird dann in einem Lötofen flächig miteinander verlötet. Ein detailliertes Beispiel für eine solche Bauweise eines Verdampfers ist aus der Druckschrift DE 195 28 116 B4 bekannt.
  • Im vorliegende Beispiel ist das Tauscherglied 2 separiert von dem plattenförmigen Kühlkörper bzw. Verdampferbereich 1 vorgesehen und über Kältemittelleitungen mit diesem verbunden.
  • Bei dem dritten Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist im Unterschied zu dem zweiten Ausführungsbeispiel der plattenförmige Kühlkörper 1 als integrierte bauliche Einheit mit dem Tauscherglied 2 ausgebildet.
  • Fig. 6 zeigt eine beispielhafte Formgebung der Kältemittelkanäle des Tauscherglieds 2, wobei die parallel verlaufenden, hin- und rückführenden Kanäle 2a, 2b mit ihrer thermisch verbindenden Trennwand 2c in einer Ebene spiralförmig gewickelt sind. In der Mitte der Spirale erfolgt für jeden der Kanäle eine Umleitung in der Tiefe, die zum Beispiel durch eine Anschlussbohrung in der Kühlplatte realisiert sein kann. Die spiralförmige Gestaltung des Tauscherglieds 2 kommt seiner Eigenschaft als innerer Wärmetauscher des Kältekreises entgegen.
  • In der baulichen Realisierung ist das spiralförmige Tauscherglied 2 ebenso wie der Verdampferbereich 1 in Fig. 4, Fig. 5 durch einen Stapel von durchbrochenen Blechen aufgebaut. Im Beispiel nach Fig. 5 sind dies zweckmäßig die durchgehend gleichen Bleche wie die des Verdampferbereichs.
  • Alternativ kann eine spiralförmige Gestaltung des Tauscherglieds auch durch Aufwicklung von Rohren, zum Beispiel mit Querschnitten gemäß Fig. 3, erzielt werden.
  • Alternativ können die hin- und rückführenden Kanäle in den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 3 und Fig. 6 vertauscht werden, so dass die Kanäle 2a als rückführende und die Kanäle 2b als hinführende Kanäle ausgebildet sind.
  • Es versteht sich, dass die einzelnen Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele je nach Anforderungen sinnvoll miteinander kombiniert werden können.

Claims (11)

  1. Verdampfer für einen Kältekreis, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend
    einen Verdampferbereich (1), wobei ein den Verdampferbereich (1) durchströmendes Kältemittel in dem Verdampferbereich (1) Wärme von einem Außenbereich aufnimmt,
    wobei der Verdampferbereich (1) einlassseitig einem ersten Expansionsorgan (3) in Strömungsrichtung des Kältemittels nachgeordnet ist, wobei ein Tauscherglied (2) zwischen dem Verdampferbereich (1) und dem ersten Expansionsorgan (3) vorgesehen ist, wobei Wärme von dem Kältemittel stromaufwärts des Verdampferbereichs (1) auf das Kältemittel stromabwärts des Verdampferbereichs (1) übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass einlassseitig zwischen dem Tauscherglied (2) und dem Verdampferbereich (1) ein zweites Expansionsorgan (4) vorgesehen ist und wobei das erste Expansionsorgan (3) als einzige Schnittstelle von Verdampferbereich (1) und Tauscherglied (2) zu dem übrigen Kältekreis ausgebildet ist, wobei das erste Expansionsorgan (3) insbesondere als thermostatisches Expansionsventil ausgebildet ist, wobei das Tauscherglied (2) als Abschnitt paralleler Kanäle (2a, 2b) ausgebildet ist, wobei zumindest ein hinführender Kanal (2a) mit zumindest einem rückführenden Kanal (2b) über eine Trennwand (2c) in thermischem Austausch steht.
  2. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kältemittel in einem Normalbetrieb im Verdampferbereich (1) im Wesentlichen keine Überhitzung erfährt, wobei eine Überhitzung austrittsseitig des Verdampferbereichs (1) in dem Tauscherglied (2) erfolgt.
  3. Verdampfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der hinführende Kanal (2a) und der rückführende Kanal (2b) einen im Wesentlichen spiralförmigen Verlauf aufweisen.
  4. Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Verdampferbereich (1) und das Tauscherglied (2) als baulich integrierte Einheit ausgebildet sind.
  5. Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampferbereich (1) und das Tauscherglied (2) als baulich separierte Einheiten ausgebildet sind.
  6. Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampferbereich (1) als luftdurchströmter Klimaverdampfer zur Klimatisierung eines Luftstroms, insbesondere als Flachrohrverdampfer, ausgebildet ist.
  7. Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (1) als Kühlkörper zur Kühlung von thermisch leitfähig mit dem Kühlkörper verbundenen Elementen ausgebildet ist.
  8. Verdampfer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente als elektrische Energiespeicher, insbesondere Lithium-Ionen-Speicherzellen, ausgebildet sind.
  9. Verdampfer nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine von den Elementen verschiedene Wärmequelle, insbesondere eine Leistungselektronik, thermisch an das Tauscherglied (2) angebunden ist.
  10. Verdampfer nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper zumindest im Verdampferbereich (1) in einer Platten-Sandwich-Bauweise ausgebildet ist.
  11. Verdampfer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass auch das Tauscherglied in einer Platten-Sandwich-Bauweise ausgebildet ist, insbesondere in baulicher Einheit mit dem Verdampferbereich (1).
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