EP3199901A1 - Verfahren zur herstellung einer wärmetauscheinrichtung - Google Patents

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EP3199901A1
EP3199901A1 EP17152457.2A EP17152457A EP3199901A1 EP 3199901 A1 EP3199901 A1 EP 3199901A1 EP 17152457 A EP17152457 A EP 17152457A EP 3199901 A1 EP3199901 A1 EP 3199901A1
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
refrigerant
housing
ribs
annular space
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17152457.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Pedro Gonzalez Rechea
Eugen Pfeifer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mahle International GmbH
Original Assignee
Mahle International GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F28F2255/14—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes molded
    • F28F2255/143—Heat exchanger elements made of materials having special features or resulting from particular manufacturing processes molded injection molded

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a heat exchanger device for a refrigeration system, according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a refrigeration system with a heat exchanger device, which is produced by such a method and a motor vehicle with such a refrigeration system.
  • Such heat exchanger devices are used in refrigeration systems, in particular in refrigeration systems of an air conditioning system, for example a vehicle air conditioning system.
  • the efficiency of the refrigeration system in particular when using CO 2 (R744) as a refrigerant, can be improved.
  • the low temperature level of the low pressure region of the refrigeration circuit can be used to further cool the warmer refrigerant in the high pressure region immediately after the gas cooler.
  • the heat exchanger device can be combined with a refrigerant collecting container (accumulator).
  • the object of the invention is to provide an improved or at least other embodiment of a method for producing a heat exchanger device, which is characterized in particular by lower production costs and a higher component quality.
  • the invention is based on the general idea of specifying a shaping method for producing the housing, the heat exchanger and / or the refrigerant collecting container, which allows the formation of complex and fine structures and at the same time allows a high component quality or small defects in the component.
  • the heat exchanger and / or the refrigerant collecting a material is caused by heating in a thixotropic state that is used as a material aluminum or an aluminum alloy and that the material is passed in the thixotropic state in a negative mold.
  • the thixotropic state is a mixed phase of solid and liquid phases of the material, the solid phases are small and finely divided and are surrounded by a continuous liquid phase.
  • a thixotropic state is characterized by the fact that the viscosity is reduced by the introduction of mechanical energy, in particular by shear stresses.
  • turbulence can be prevented so that air pockets can be prevented in the material.
  • a very high component quality and thus high strength of the component can be achieved.
  • very fine and filigree details can be formed on the component in this way.
  • high pressure and low pressure relate to each other, that is to say that a higher pressure prevails in operation in the high pressure range than in the low pressure range.
  • Typical pressures in the high pressure range are about 15 MPa.
  • Typical pressures in the low pressure range are about 10 MPa.
  • plastic is used as the material for the refrigerant collecting container and that the refrigerant collecting container is produced by plastic injection molding.
  • a favorable possibility provides that the material is passed laminar into the negative mold. Due to the laminar introduction of the material into the negative mold, no vortices occur which could introduce air into the material and could thus lead to defects, pores or voids. Consequently, the quality of the component is thereby increased.
  • Another favorable possibility provides that on an outer side of the heat exchanger ribs are formed, which protrude into the outer annulus. These ribs are already formed in the negative mold, so that the part of the heat transfer thus formed requires only a few post-processing steps.
  • the heat exchanger is arranged in the housing such that the ribs on the outside of the heat exchanger extend to the housing.
  • the radial rib length can be increased, whereby the surface of the heat exchanger is increased on the outside. Consequently, thus, the heat coupling to the refrigerant in the outer annulus can be improved.
  • ribs are formed on an inner side of the heat exchanger, which protrude into the inner annular space. This increases the heat transfer area to the refrigerant in the low pressure channel.
  • the ribs are already provided in the negative form of the heat exchanger, so that no finishing step is necessary for the ribs.
  • a particularly advantageous solution provides that the refrigerant collecting container is arranged in the heat exchanger such that the ribs on the inside of the heat exchanger extend as far as the refrigerant collecting container.
  • the radial rib length is increased, so that the heat transfer surface on the inside of the heat exchanger is further increased.
  • the inner annulus between the refrigerant receiver and the heat exchanger is divided into a plurality of channels, whereby the heat transfer to the refrigerant is also improved.
  • a wall thickness of the heat exchanger is between 0.5 mm and 2 mm.
  • Such a wall thickness can be produced by the method according to the invention. Due to the high strength of the heat exchanger thus produced such a wall thickness is sufficient to withstand the pressures of the refrigerant. At the same time, the relatively small wall thickness leads to a high heat transfer between the low-pressure channel and the high-pressure channel.
  • a favorable variant provides that two identical parts of the heat exchanger are produced, and that the common parts of the heat exchanger are connected to each other.
  • the same negative mold can be used for both identical parts to produce the heat exchanger from the two identical parts.
  • To a largely closed hollow body It is necessary in a casting process to divide the component into two parts, since otherwise the component can not be removed from the negative mold. Nevertheless, the formation of two identical parts can considerably reduce the production outlay since the same negative mold can be used for both identical parts.
  • a further favorable variant provides that ribs are formed on an outer side of the refrigerant collecting container which protrude into the inner annular space. Thereby, the heat transfer from the refrigerant tank to the coolant in the inner annulus is improved.
  • the ribs are already provided in the negative mold, so that no finishing steps are necessary for the ribs.
  • a particularly favorable variant provides that the refrigerant collecting container is arranged in the heat exchanger such that the ribs on the outside of the refrigerant collecting container extend to the heat exchanger. Thereby, the inner annular space between the refrigerant receiver and the heat exchanger is divided into a plurality of channels, whereby the heat transfer to the refrigerant is also improved.
  • Another particularly favorable variant provides that two identical parts of the refrigerant collecting container are produced, and that the common parts of the refrigerant collecting container are connected to each other. In this way only one negative mold is needed to make the refrigerant receiver.
  • the two identical parts of the refrigerant collecting container are welded together. Thereby, a fluid density and stable connection between the two identical parts can be produced.
  • ribs are formed on an inner side of the housing, which protrude into the outer annular space. This improves the stiffness of the case, reducing wall thickness and saving material. Moreover, the fins in the outer annulus create turbulence in the refrigerant, so that the heat transfer between the refrigerant and the heat exchanger is improved.
  • the ribs are already provided in the negative mold of the housing, so that no further post-processing step is necessary for the ribs.
  • a further advantageous possibility provides that the heat exchanger is arranged in the housing such that the ribs rest against the heat exchanger on the inside of the housing. In this way, the heat exchanger can be supported radially outward on the housing, so that the wall thickness of the heat exchanger can be further reduced.
  • a particularly advantageous possibility provides that two identical parts of the housing are produced, and that the common parts of the housing are connected to each other.
  • a mold can be used in the manufacture of the housing.
  • the two common parts of the housing are welded together to form the housing.
  • a favorable solution provides that a grid structure is formed on an outer side of the housing.
  • the grid structure is already formed in the negative mold of the housing, so that no post-processing steps are necessary to form the grid structure.
  • the grid structure on the outside increases the pressure stability of the housing.
  • the grid structure on the outside of the housing forms a triangular or quadrilateral grid, so-called isogrid or ortho-grid structures.
  • Such grids are regular structures that are easy to design and increase stability.
  • a particularly favorable solution provides that the housing, the heat exchanger and the refrigerant collecting container are arranged such that the respective mutually facing ribs engage with each other. In this way, a space-saving arrangement can be found in which an excellent increase of the heat transfer area can be achieved.
  • Another particularly favorable solution provides that the inner annular space at least partially forms the low-pressure channel.
  • the coolant which flows through the low-pressure channel must also flow through the inner annular space and can thereby absorb heat from the heat exchanger.
  • An advantageous variant provides that the outer annular space at least partially forms the high-pressure channel.
  • the coolant that flows through the high-pressure channel must also flow through the outer annular space and thus can deliver heat to the heat exchanger.
  • a further advantageous variant provides that a desiccant is arranged in the high-pressure passage in the region of the high-pressure inlet. This allows water contained in the refrigerant to be collected.
  • a desiccant is arranged in the high-pressure passage in the region of the high-pressure inlet. This allows water contained in the refrigerant to be collected.
  • high strength of the material the wall thicknesses of the housing and the heat exchanger can be reduced, so that the outer and inner annulus can be increased. Therefore, it is possible to arrange a desiccant in the outer annulus. Accordingly, a desiccant can also be arranged in the low-pressure channel in the region of the low-pressure outlet.
  • the invention is based on the general idea to use a refrigeration system for CO 2 with a refrigerant circuit in which circulates refrigerant in operation, with a compressor for driving the refrigerant, with an expansion valve, which separates a high pressure region and a low pressure region of the refrigerant circuit from each other a gas cooler for cooling the refrigerant in the high-pressure region, with an evaporator, with a heat exchanger device, which is produced by a method as described above, wherein the high-pressure passage of the heat exchanger device is connected in the high-pressure region of the refrigerant circuit downstream of the gas cooler and upstream of the expansion valve, and wherein the low-pressure channel of the heat exchanger device is arranged in the low-pressure region of the refrigerant circuit downstream of the expansion valve.
  • the advantages of the manufacturing method of the heat exchanger device can be optimally utilized, the above description of which reference is made in this regard.
  • the heat exchanger device is connected in the refrigerant circuit such that the high-pressure channel and the low-pressure channel are flowed through in countercurrent or cross-flow or a mixed form thereof. As a result, the heat between two media can be optimally replaced.
  • the refrigerant is CO 2 .
  • Conventional refrigerants are often harmful to the environment.
  • CFC-containing refrigerants have been banned, which attack the ozone hole.
  • the replacement refrigerants used are very strong in terms of climate. That means they have a very high greenhouse gas coefficient.
  • CO 2 is also greenhouse active, but significantly lower than the previously used refrigerant.
  • the invention is based on the general idea to use a refrigeration system as described above in a motor vehicle.
  • the advantages of the refrigeration system are thus transferred to the motor vehicle to the above description insofar reference is made.
  • the heat exchanger device 10 is used in air conditioning systems for motor vehicles, which in particular use CO 2 as the refrigerant 12.
  • the heat exchanger device 10 comprises a refrigerant receiver 28 and a heat exchanger 26.
  • the heat exchanger device 10 is usually installed in a refrigerant circuit of the refrigeration system, a typical order being as follows. From the compressor, the refrigerant is passed to a gas cooler, in which it can give off heat to the environment, on to an inner heat exchanger 16, which is at least partially formed by the heat exchanger 26 and on which the refrigerant 12 can deliver more heat. Specifically, the refrigerant 12 flows through a high pressure passage 18 of the heat exchanger device 10.
  • the refrigerant 12 is led to an expansion valve which separates a high pressure region of the refrigerant cycle from a low pressure region of the refrigerant cycle. Behind the expansion valve, the refrigerant 12 can expand and thereby cool. After the expansion valve, the refrigerant 12 is again conducted to the heat exchanger device 10, in particular to the inner heat exchanger 16 in a low pressure passage 20, in which the refrigerant can absorb heat from the high pressure passage 18. From there, the refrigerant 12 is directed to a heat exchanger which serves to receive heat from an object or component or medium to be cooled. From this heat exchanger is the refrigerant 12 is returned to the compressor, which drives the refrigerant 12 and thus closes the circuit.
  • the refrigerant 12 is brought to the expansion valve to a lower temperature level.
  • CO 2 the efficiency of the refrigeration system can be improved.
  • the heat exchanger device 10 has a housing 22 which encloses an interior 24. In the inner space 24 of the heat exchanger 26 and the refrigerant collecting tank 28 are arranged.
  • a low pressure port 32 and a high pressure port 34 are arranged at a first axial end 30 .
  • the low-pressure opening 32 is preferably arranged coaxially to a longitudinal central axis 36 of the heat exchanger device 10.
  • the high-pressure opening 34 is preferably arranged eccentrically to the longitudinal central axis 36.
  • the low-pressure opening 32 provides a fluid connection to the low-pressure passage 20.
  • the high-pressure opening 34 provides a fluid connection to the high-pressure passage 18.
  • the low-pressure passage 20 and the high-pressure passage 18 are heat-coupled and media-separated. The heat coupling and the media separation are effected by the heat exchanger 26.
  • the high-pressure passage 18, the low-pressure passage 20 and the heat exchanger 26 form the inner heat exchanger 16.
  • an outer annular space 38 is formed between the heat exchanger 26 and the housing 22.
  • the outer annulus 38 forms at least a portion of the high pressure passage 18.
  • ribs 42 may be provided on an outer wall 40 of the FIG Housing 22 .
  • ribs 42 may be arranged on an outer side 44 and increase the stability of the housing 22.
  • the ribs 42 may be arranged on the outer side 44 of the outer wall 40 in the form of a grid, for example a triangular grid or a quadrangular grid.
  • ribs 42 may be disposed on an inner side 46 of the outer wall 40, which also improve the stability of the housing.
  • the fins 42 in the outer annulus 38 may induce turbulence in the refrigerant 12, so that the heat transfer between the refrigerant 12 and the heat exchanger 26 is enhanced.
  • the housing 22 preferably has two identical parts 48.
  • the identical parts 48 have a slightly conical shape so that they can be produced by a casting method or by a manufacturing method similar to a casting method.
  • the identical parts 48 can be produced thereby, the material is introduced into a negative mold. Due to the slightly conical shape, the identical parts 48 can be easily removed from the negative mold.
  • the identical parts 48 are connected to each other to form the housing 22 and thus to enclose the inner space 24.
  • connection of the identical parts 48 can be made, for example, by positive locking, material connection or frictional engagement, particularly preferably by welding or screwing. Both identical parts 48 each have one of the low-pressure openings 32 and one of the high-pressure openings 34.
  • the housing 22 By forming the housing 22 from two identical parts 48, the production costs are reduced, since both identical parts required for the production of the housing 22 can be produced by an identical female mold 48.
  • the housing 22 also has a low-pressure opening 32 and a high-pressure opening 34. Also in the second axial end 50, the low pressure port 32 is preferably arranged coaxially and the high pressure port 34 is preferably arranged eccentrically. As a result, one of the identical parts 48 may form the first axial end 30 and the other identical part 48 may form the second axial end 50 of the housing 22.
  • FIGS. 2 and 3 two variants of the identical parts 48 of the housing 22 are shown.
  • ports 51 for the low pressure port 32 and the high pressure port 34 axially directed.
  • the terminals 51 are directed radially. Other oblique orientations of the terminals 51 are also possible.
  • the heat exchanger device 10 can be adapted to different arrangements of the refrigeration system.
  • the heat exchanger 26 is arranged and in turn encloses an interior 52 of the heat exchanger 26.
  • the interior 52 of the heat exchanger 26 of the refrigerant collecting tank 28 is arranged.
  • the heat exchanger 26 has, at a first axial end 54 of the heat exchanger 26, an inlet connection 56 which forms an opening to the interior 52. Furthermore, the inlet nozzle 56 engages in one of the low-pressure openings 32 of the housing 22. As a result, the inlet nozzle forms a fluid connection from the interior 52 of the heat exchanger 26 to the outside.
  • the heat exchanger 26 has at a second axial end 58 an outlet nozzle 60, which forms an opening in the interior 52 of the heat exchanger 26.
  • the outlet port 60 engages one of the low pressure ports 32 of the housing 22, preferably the low pressure port 32 at the second axial end 50 of the housing 22.
  • the outlet port 60 forms a fluid connection from the interior 52 of the heat exchanger 26 to the outside.
  • An outer wall 62 bounded with an outer side 64 of the outer wall 62, the outer annular space 38 inwardly. With an inner side 66, the outer wall 62 defines an inner annular space 68 to the outside.
  • the inner annulus 68 is formed between the heat exchanger 26 and the refrigerant receiver 28.
  • the inner annular space 68 at least partially forms the low-pressure channel 20.
  • ribs 42 may be provided, which project into the outer annular space 38. Thereby, the heat transfer between the refrigerant 12 in the outer annulus 38 and the heat exchanger 26 can be improved.
  • ribs 42 may be provided on the inner side 66 of the outer wall 62, which ribs engage in the inner annular space 68 in order to improve the heat transfer between the refrigerant 12 in the inner annular space 68 and the heat exchanger 26.
  • the heat exchanger 26 preferably has two identical parts 70 which are interconnected. At a first of the identical parts 70 of the inlet nozzle 56 is formed and at a second of the identical parts 70 of the heat exchanger 26 of the outlet nozzle 60 is formed, the geometrically in itself are the same.
  • the connection of the identical parts 70 of the heat exchanger 26 to the heat exchanger 26 can be done by positive engagement, material connection or frictional engagement. Particularly preferably, the identical parts 70 are welded or screwed together.
  • sealing elements 71 are provided between the heat exchanger 26 and the housing 22 .
  • first axial end 54 of the sealing elements 71 is arranged. It lies in a groove formed on the corresponding low-pressure opening 32 of the housing 22 and thus seals the inlet connection 56 against the low-pressure opening 32.
  • the outer annulus 38 and thus the high pressure channel 18 is sealed against the low pressure port 32.
  • one of the sealing elements 71 is arranged at the second axial end 58 of the heat exchanger 26.
  • sealing elements 71 are arranged in the region of a connection point of the respective identical parts 48 and 70 of the housing 22 and the heat exchanger.
  • the identical parts 70 of the heat exchanger 26 have at the connection point in each case a circumferential collar 73, to the respective axial end 54, 58 directed towards sealing surfaces. In each case one of the annular sealing elements 71 abuts against these sealing surfaces.
  • a recess is arranged at the connection point, on which an axial sealing surface 75 is formed on which one of the sealing elements 71 abuts.
  • a plurality of through holes 77 are formed, which in the axial direction, the outer annular spaces 38, each in one half of the heat exchanger device 10 are formed, connect together.
  • the refrigerant receiver 28 is arranged and in turn encloses an inner space 72 which forms a refrigerant collecting region 74.
  • the inlet bores 78 thus form a refrigerant inlet 79 of the refrigerant collecting tank 28.
  • the refrigerant tank 28 has at the first axial end 76 an outlet bore 80, which is preferably arranged coaxially to the longitudinal central axis 36.
  • a low pressure inlet adapter 82 is provided in order to be able to direct refrigerant flowing through a low pressure port 32 at the first axial end 30 of the housing 22 directly into the refrigerant collecting area 74 of the refrigerant receiver 28.
  • the low pressure inlet adapter 82 provides fluid communication from the low pressure port 32 at the first axial end 30 into the interior 72 and thus into the refrigerant collection region 74 of the refrigerant receiver 28.
  • the low pressure inlet adapter 82 engages the at least one inlet bore 78 so that fluid communication into the interior 72 of the refrigerant receiver 28 can be achieved. Furthermore, the low pressure inlet adapter 82 engages the inlet port 56 of the heat exchanger 26, so that the fluid connection to the low pressure port 32 of the housing 22 is made.
  • a second axial end 84 of the refrigerant collecting tank 28 is formed closed.
  • a bottom 86 is formed at the second axial end 84, on which refrigerant can accumulate in solid and / or liquid form.
  • a low pressure outlet adapter 88 is disposed at the second axial end 84, outside of the refrigerant receiver 28, a low pressure outlet adapter 88 is disposed.
  • the Niederbuchauslassadapter 88 is thus arranged between the refrigerant collecting tank 28 and the heat exchanger 26.
  • the low pressure outlet adapter 88 engages the outlet port 60 of the heat exchanger 26 and thus provides fluid communication with the low pressure port 32 at the second axial end 50 of the housing 22. Further, the low pressure outlet adapter 88 provides fluid communication with the inner annulus 68.
  • the low pressure passage 20 is formed between the two low pressure ports 32 of the housing 22.
  • the low pressure passage 20 extends from the low pressure port 32 at the first axial end 76 into the refrigerant receiver 28 and at the first axial end 76 back out of the refrigerant receiver 28 into the inner annulus 68. Further, the low pressure passage 20 extends along the inner annular space 68 to the second axial end 84 of the refrigerant receiver 28 and there through the Niederbuchauslassadapter 88 and through the outlet port 60 of the heat exchanger 26th
  • the refrigerant collecting tank 28 has two identical parts 90 which are connected to each other.
  • the two identical parts 90 of the refrigerant collecting tank 28 are different from each other through the inlet hole 78 and the outlet hole 80 at the first axial end 76 of the refrigerant collecting tank 28. Nevertheless, the two can Similar parts 90 are produced by a common negative mold. Only small post-processing steps, namely the drilling of the inlet bore 78 and the outlet bore 80 are necessary to adjust the common parts 90.
  • the low pressure inlet adapter 82 and the low pressure outlet adapter 88 provide the required asymmetry for flow guidance.
  • the housing 22, the heat exchanger 26 and the refrigerant receiver 28 may be made of the common parts 48, 70 and 90.
  • the refrigerant collecting container 28 may have ribs 42 which engage in the inner annular space 68.
  • the stability of the refrigerant collecting container 28 can be improved.
  • turbulences are induced by the fins 42 into the refrigerant in the inner annular space 68, which also allow improved heat transfer to the heat exchanger 26.
  • the heat transfer between the refrigerant 12 in the low-pressure passage 20 and the refrigerant 12 in the high-pressure passage 18 is improved.
  • ribs 42 are arranged on the outer wall 40 of the housing 22 both on the outer side 44 and on the inner side 46 ribs 42.
  • ribs 42 are disposed on the outer wall 62 of the heat exchanger 26 on both the outer side 64 and the inner side 66.
  • ribs 42 are arranged on the outside. The refrigerant receiver 28, the heat exchanger 26 and the housing 22 are arranged such that the ribs 42 mesh with each other.
  • no ribs are arranged on the outer side 44 of the outer wall 40 of the housing 22.
  • no ribs 42 are arranged on the outside 92 of the refrigerant collecting container 28.
  • the arranged on the heat exchanger 26 ribs and arranged on the housing 22 ribs 42 extend as far in the respective annular space 38, 68 that they touch the opposite wall.
  • ribs 42 protrude into the outer annular space 38 and contact the outer side 64 of the heat exchanger 26.
  • the arranged on the outer side 64 of the heat exchanger 26 ribs 42 project into the outer annular space 38 and touch the inner side 46 of Housing 22.
  • the arranged on the inside 66 of the outer wall 62 of the heat exchanger 26 ribs 42 protrude into the inner annulus 68 and touch the outside 92 of the refrigerant collecting 28th
  • ribs 42 are provided which protrude into the outer annular space 38.
  • two different types of ribs are provided both on the heat exchanger and on the housing 22.
  • a first type extends through the entire outer annulus 38 and contacts the respective opposite wall.
  • the other type of ribs 42 projects only in part into the outer annular space 38.
  • ribs 42 are T-shaped in cross-section and thus engage behind each other. Thereby, a particularly high surface for the heat transfer between the refrigerant 12 in the outer annulus 38 and the corresponding walls can be achieved.
  • the low-pressure inlet adapter 82 has a cylindrical inlet section 94 which has a central bore 96. From the central bore 96 branch two sub-channels 98, which each open into two outlet sections 100. The inlet portion 94 is formed so that it can be inserted from the interior 52 of the heat exchanger 26 into the inlet port 56.
  • the two outlet sections 100 are designed such that they can engage in the inlet bores 78 of the refrigerant collecting tank 28 from the outside.
  • a filter element 102 is additionally provided at the inlet portion 94, which filters the flowing through the low-pressure inlet adapter 82 refrigerant 12.
  • the low-pressure outlet adapter 88 has a central longitudinal bore 104 and a transverse bore 106 extending transversely thereto.
  • the transverse bore 106 is in the later installed state in the inner annular space 68.
  • the longitudinal bore 104 abuts on one side to the bottom 86 of the refrigerant collecting container 28 and is thus closed by the bottom 86.
  • An opposite opening of the longitudinal bore 104 is located in the outlet port 60 of the heat exchanger 26. Thereby, the low pressure outlet adapter 88 provides fluid communication from the inner annulus 68 to the outlet port 60.
  • a filter element 102 is provided, which filters from the Niederdruckauslassadapter 88 effluent refrigerant 12.
  • a swirl generator 108 is provided in the inner space 72 of the refrigerant collecting tank 28, which is arranged at the first axial end 76 of the refrigerant collecting tank 28.
  • the vortex generator 108 is arranged such that the refrigerant, which flows through the inlet bores 78 into the inner space 72, swirls, in particular is set in rotation.
  • Axially adjacent to a flow guide 110 is arranged.
  • the flow guide element 110 has a conical surface 112 facing the inlet bores 78.
  • the conical surface 112 is convex toward the inlet bores 78, so that the refrigerant 12 flowing into the internal space 72 through the inlet bores 78 is directed radially outward at the conical surface 112, so as to be directed to the outer wall 114 of the refrigerant receiver 28 becomes.
  • solid and liquid phases of the refrigerant 12 will precipitate on the outer wall 114, so that they are conveyed along the outer wall 114 toward the bottom 86 of the refrigerant collecting tank 28.
  • the flow guide element 110 further has an inflow opening 116, which is directed towards a center of the interior 72.
  • the inflow opening 116 is arranged coaxially.
  • a filter element 118 is provided, which is arranged in the inflow opening 116.
  • Refrigerant 12 which flows out of the refrigerant receiver 28, must flow through the flow guide 110. Consequently, the refrigerant 12 has to flow into the inflow opening 116 and is thus cleaned by the filter element 118.
  • a tube 120 is arranged, which is designed as a suction tube 122.
  • the tube 120 forms a fluid connection between the Interior 72 of the refrigerant collecting tank 28 and the inner annular space 68.
  • the tube 120 passes through the outlet bore 80 in the refrigerant collecting tank 28th
  • the tube 120 extends from the flow guide 110 in the direction of the bottom 86 of the refrigerant collecting container 28. In the vicinity of the bottom 86, the tube 120 has a bend 124, through which the tube 120 is deflected substantially by 180 °.
  • 180 ° means a deviation of 180 ° of less than 10 °, preferably less than 5 °, particularly preferably less than 2 °. From the bend 124, the tube 120 extends to and through the flow guide 110 to the outlet bore 80.
  • Refrigerant 12 which flows out of the refrigerant receiver 28, will flow into the tube 120 at the flow guide 110 through the tube toward the bottom flow at the bend 124 are deflected and flow through the tube 120 from the refrigerant receiver 28 into the inner annular space 68.
  • a suction port 126 is formed in the tube 120.
  • Liquid, in particular lubricant, for example oil of the compressor, which accumulates in the refrigerant collecting area 74 of the refrigerant collecting tank 28 can be sucked through the suction opening 126. Due to the flow of the refrigerant 12 in the tube 120, the oil is directed into the tube 120 by the Venturi effect. The oil is thus transported together with the refrigerant 12 from the refrigerant receiver 28. Thus, an oil discharge device 127 is formed.
  • An oil filter element 128 may be provided at the bottom 86 of the refrigerant collecting tank 28, preferably, the oil filter element 128 covers the suction opening 126, so that the oil sucked into the pipe 120 is freed from contamination.
  • a negative mold is produced for the identical parts.
  • a material from which the corresponding components are to be manufactured is initiated.
  • the material is aluminum or an aluminum alloy provided. Before the material is introduced into the negative mold, the material is placed in a paste-like, thixotropic state. This is done in particular by heating. Alternatively or additionally, it is provided that the material is additionally kneaded.
  • the thixotropic state is characterized in particular by a mixing phase between liquid and solid parts.
  • the solid parts are finely distributed in a continuous liquid phase. At rest, the material is thus firm, since the solid phases wedged against each other. As shearing forces are applied to the material, the solid particles begin to shift against each other so that the material behaves like a liquid. This behavior is also called thixotropic.
  • the negative mold Before introducing the material into the negative mold, the negative mold is preheated, in particular to a temperature at which the material can reach a thixotropic state.
  • the finished body Due to the lack of imperfections, the finished body has a higher strength than, for example, a manufactured by die-cast aluminum component. Thus, lower wall thicknesses of the components can be achieved. In addition, the components manufactured in this way are weldable.
  • plastic is used as the material for the refrigerant collecting container 28 and that the refrigerant collecting container 28 is produced by plastic injection molding.
  • a desiccant 131 may be provided in the outer annular space 38 and the inner annular space 68, which are otherwise usually arranged in the refrigerant collecting area 74 and thereby reduce the volume of the refrigerant collecting area 74.
  • An in Fig. 12 illustrated second embodiment of the heat exchanger device 10 differs from that in the Fig. 1 to 11 illustrated first embodiment of the heat exchanger device 10 characterized in that the tube 120 of the oil discharge 127 extends straight.
  • the tube 120 extends from the flow guide 110 toward the bottom 86 of the refrigerant receiver.
  • refrigerant 12 flows out of the refrigerant receiver 28, it does not necessarily have to flow through the pipe 120.
  • the refrigerant 12 can flow into the flow guide element 110 through the inflow opening 116 and flow out of the flow guide element 110 and thus out of the coolant receiver 28 via an outflow opening 117.
  • the refrigerant 12 flows through the inflow port 116 into the flow directing element 110, it flows past a first end of the tube 120 and thus can create a vacuum at the opening of the tube 120 through which liquid, particularly lubricant, such as oil, exhausts the tube 120 can be sucked.
  • the diameter of the tube 120 is selected so that due to the capillary effect, the oil is at least partially sucked into the tube 120. Due to the combined effect of capillary effect and Venturi effect, the oil from the bottom 86 of the refrigerant receiver 28 can be sucked.
  • the tube 120 is a suction tube 122.
  • the oil filter element 128 is disposed and covers the suction port 126 formed at the end of the tube 120.
  • Fig. 12 illustrated second embodiment of the heat exchanger device 10 with in the Fig. 1 to 11 illustrated first embodiment of the heat exchanger device 10 with respect to structure and function match, the above description of which reference is made.
  • FIG. 13 illustrated third embodiment of the heat exchanger device 10 differs from that in the Fig. 1 to 11 illustrated first embodiment of the heat exchanger device 10 in that the ⁇ laustrags beautiful 127 has a straight tube 120 which is arranged in the refrigerant collecting tank 28.
  • the tube 120 serves as a guide for a control rod 130, which connects a drive plate 132 with a valve body 134.
  • valve body 134 together with an oil discharge port 136 formed in the bottom 86 of the refrigerant receiver 28, forms an oil discharge valve 138, and when the valve body 134 is lifted from the oil discharge port 136 by the control rod 130, oil accumulated on the bottom 86 of the refrigerant receiver 28 can be accumulated has, from the refrigerant receiver 28 flow out.
  • the drive actuator 132 covers an outflow opening 117 of the flow-guiding element 110.
  • Refrigerant 12 which flows out of the refrigerant-collecting container 28, has to flow through this outflow opening 117.
  • the refrigerant 12 lifts the drive plate 132 in order to open the outflow opening 117.
  • the valve body 134 is raised via the control rod 130, so that the ⁇ laustragsventil 138 is opened.
  • the ⁇ laustragsventil 138 is controlled by the flow of the refrigerant 12.
  • Fig. 13 illustrated third embodiment of the heat exchanger device 10 with in the Fig. 1 to 11 illustrated first embodiment of the heat exchanger device 10 with respect to structure and function match, the above description of which reference is made.
  • An in Fig. 14 illustrated fourth embodiment of the heat exchanger device 10 differs from the in Fig. 13 illustrated third embodiment of the heat exchanger device 10 in that the ⁇ laustrage adopted 127 instead of a ⁇ laustragsventils 138 a Reciprocating pump 140 has.
  • the reciprocating pump 140 is driven via the drive plate 132 and the control rod 130.
  • the control rod 130 is connected to a piston 142 of the reciprocating pump 140.
  • the piston 142 may be reciprocated in a cylinder 144 formed in the tube 120.
  • an oil suction opening 146 is arranged laterally in the region of the cylinder 144, through which oil can be sucked into the cylinder 144.
  • the piston 142 In a rest position, the piston 142 is at a lowest position at which the piston 142 is close to the bottom 86. In this lowest position, the ⁇ lansaugö réelle 146 is released.
  • the piston 142 When the piston 142 is lifted away from the floor 86 by the drive actuator 132, the piston 142 closes the oil suction opening 146.
  • a pressure can be built up to convey the oil from the refrigerant receiver 28.
  • a check valve 148 is formed, through which the oil from the cylinder 144 can flow.
  • the check valve 148 prevents the oil from flowing back into the cylinder 144. As a result, by an up and down movement of the piston 142, the oil can be gradually pumped out.
  • the check valve 148 has a valve ball 150, which is pressed by a spring 152 against a conical valve seat 154.
  • the conical valve seat 154 encloses a valve opening 156, which represents an opening to the cylinder 144.
  • the in Fig. 14 illustrated fourth embodiment of the heat exchanger device 10 with in Fig. 13 illustrated third embodiment of the heat exchange device 10 in terms of construction and Function match, to the above description to which extent reference is made.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Wärmetauschereinrichtung (10) für eine Kälteanlage, insbesondere für eine Kälteanlage, die mit CO 2 arbeitet, mit einem Gehäuse (22), in welchem ein Hochdruckkanal (18) und ein Niederdruckkanal (20) für ein Kältemittel (12) ausgebildet sind, mit einem Wärmeübertrager (26), der den Hochdruckkanal (18) und den Niederdruckkanal (20) fluidisch voneinander trennt und thermisch koppelt, und mit einem Kältemittelsammelbehälter (28), der in dem Niederdruckkanal (20) angeordnet wird, wobei zwischen dem Gehäuse (22) und dem Wärmeübertrager (26) ein äußerer Ringraum (38) ausgebildet wird, wobei zwischen dem Wärmeübertrager (26) und dem Kältemittelsammelbehälter (28) ein innerer Ringraum (68) ausgebildet ist. Um die Bauteilqualität zu verbessern wird vorgeschlagen, dass zur Herstellung des Gehäuses (22), des Wärmeübertragers (26) und/oder des Kältemittelsammelbehälters (28) ein Werkstoff durch erwärmen in einen thixotropen Zustand versetzt wird, dass als Werkstoff Aluminium oder eine Aluminium-Legierung verwendet wird, und dass der Werkstoff im thixotropen Zustand in eine Negativform geleitet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Wärmetauschereinrichtung für eine Kälteanlage, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Kälteanlage mit einer Wärmetauschereinrichtung, die durch ein solches Verfahren hergestellt ist und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Kälteanlage.
  • Solche Wärmetauschereinrichtungen werden in Kälteanlagen, insbesondere in Kälteanlagen einer Klimaanlage, bspw. einer Fahrzeugklimaanlage, verwendet. Durch die Verwendung dieser Wärmetauschereinrichtungen kann der Wirkungsgrad der Kälteanlage, insbesondere bei Verwendung von CO2 (R744) als Kältemittel, verbessert werden. Durch die Wärmetauschereinrichtung kann das niedrige Temperaturniveau des Niederdruckbereichs des Kältekreislaufs genutzt werden, um das wärmere Kältemittel in dem Hochdruckbereich unmittelbar nach dem Gaskühler weiter abzukühlen. Dabei kann die Wärmetauschereinrichtung mit einem Kältemittelsammelbehälter (Akkumulator) kombiniert werden.
  • Bei der Verwendung von CO2 als Kältemittel herrschen relativ hohe Drücke im Kältekreislauf. Daher ist die Herstellung der Wärmetauschereinrichtung, insbesondere des Gehäuses, des Wärmeübertragers und des Kältemittelsammelbehälters aufwendig. Bei üblichen Gusserfahren, wie beispielsweise Aluminiumdruckgussverfahren, treten in dem Bauteil Fehlstellen, so genannte Lunker und Poren, auf. Dadurch ist die Festigkeit des Bauteils reduziert. Bei Druckgefäßen müsste daher mit einer großen Wandstärke gearbeitet werden. Die Verwendung von geschmiedeten oder nachbearbeiteten Gehäuseteilen ist erheblich teurer und aufwendiger.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine verbesserte oder zumindest andere Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer Wärmetauschereinrichtung bereitzustellen, dass sich insbesondere durch geringere Herstellungskosten und eine höhere Bauteilqualität auszeichnet.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken ein Formgebungsverfahren zur Herstellung des Gehäuses, des Wärmeübertragers und/oder des Kältemittelsammelbehälters anzugeben, das die Ausbildung von komplexen und feinen Strukturen erlaubt und gleichzeitig eine hohe Bauteilqualität, bzw. geringe Fehlstellen im Bauteil, erlaubt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zur Herstellung des Gehäuses, des Wärmeübertragers und/oder des Kältemittelsammelbehälters ein Werkstoff durch Erwärmen in einen thixotropen Zustand versetzt wird, dass als Werkstoff Aluminium oder eine Aluminiumlegierung verwendet wird und dass der Werkstoff im thixotropen Zustand in eine Negativform geleitet wird. In dem thixotropen Zustand liegt eine Mischphase aus festen und flüssigen Phasen des Werkstoffes vor, wobei die festen Phasen klein und fein verteilt sind und von einer durchgehenden flüssigen Phase umgeben sind. Ein thixotroper Zustand zeichnet sich dadurch aus, dass sich die Viskosität durch Einbringung von mechanischer Energie, insbesondere durch Scherspannungen, verringert. Beim Einleiten des Werkstoffs im thixotropen Zustand in die Negativform können dadurch Turbulenzen verhindert werden, so dass Lufteinschlüsse in den Werkstoff verhindert werden können. Dadurch kann zum einen eine sehr hohe Bauteilqualität und damit hohe Festigkeit des Bauteils erzielt werden. Zum anderen können auf diese Weise sehr feine und filigrane Details an dem Bauteil ausgebildet werden.
  • In der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen beziehen sich die Begriffe Hochdruck und Niederdruck aufeinander, das heißt, dass im Betrieb im Hochdruckbereich ein höherer Druck herrscht als im Niederdruckbereich. Typische Drücke im Hochdruckbereich liegen bei ungefähr 15 MPa. Typische Drücke im Niederdruckbereich liegen bei ungefähr 10 MPa.
  • Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass als Werkstoff für den Kältemittelsammelbehälter Kunststoff verwendet wird und dass der Kältemittelsammelbehälter durch Kunststoffspritzguss hergestellt ist.
  • Eine günstige Möglichkeit sieht vor, dass der Werkstoff laminar in die Negativform geleitet wird. Durch die laminare Einleitung des Werkstoffes in die Negativform treten keine Wirbel auf, welche Luft in den Werkstoff einleiten könnten und dadurch zu Fehlstellen, Poren oder Lunkern führen könnten. Folglich ist die Qualität des Bauteils dadurch erhöht.
  • Eine weitere günstige Möglichkeit sieht vor, dass an einer Außenseite des Wärmeübertragers Rippen ausgebildet werden, die in den äußeren Ringraum ragen. Diese Rippen sind dabei schon in der Negativform ausgebildet, so dass der derart gebildete Teil des Wärmeübertrages nur wenige Nachbearbeitungsschritte benötigt.
  • Eine weitere besonders günstige Möglichkeit sieht vor, dass der Wärmeübertrager derart in dem Gehäuse angeordnet wird, dass sich die Rippen an der Außenseite des Wärmeübertragers bis zu dem Gehäuse erstrecken. Dadurch kann die radiale Rippenlänge vergrößert werden, wodurch die Oberfläche des Wärmeübertragers an der Außenseite vergrößert wird. Folglich kann somit die Wärmekopplung zu dem Kältemittel im äußeren Ringraum verbessert werden.
  • Eine vorteilhafte Lösung sieht vor, dass an einer Innenseite des Wärmeübertragers Rippen ausgebildet werden, die in den inneren Ringraum ragen. Dadurch vergrößert sich die Wärmeübertragungsfläche auf das Kältemittel in dem Niederdruckkanal. Vorzugsweise sind die Rippen bereits in der Negativform des Wärmeübertragers vorgesehen, so dass für die Rippen kein Nachbearbeitungsschritt notwendig ist.
  • Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass der Kältemittelsammelbehälter derart in dem Wärmeübertrager angeordnet wird, dass sich die Rippen an der Innenseite des Wärmeübertragers bis zu dem Kältemittelsammelbehälter erstrecken. Dadurch wird die radiale Rippelänge vergrößert, sodass die Wärmeübertragungsfläche an der Innenseite des Wärmeübertragers noch weiter vergrößert wird. Des Weiteren wird dadurch der innere Ringraum zwischen dem Kältemittelsammelbehälter und dem Wärmeübertrager in mehrere Kanäle unterteilt wird, wodurch die Wärmeübertragung auf das Kältemittel ebenfalls verbessert wird.
  • Eine weitere besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass eine Wandstärke des Wärmeübertragers zwischen 0,5 mm und 2 mm beträgt. Eine solche Wandstärke ist durch das erfindungsgemäße Verfahren herstellbar. Aufgrund der hohen Festigkeit des derart hergestellten Wärmeübertragers ist eine derartige Wandstärke ausreichend um den Drücken des Kältemittels standzuhalten. Gleichzeitig führt die relativ geringe Wandstärke zu einer hohen Wärmeübertragung zwischen dem Niederdruckkanal und dem Hochdruckkanal.
  • Eine günstige Variante sieht vor, dass zwei Gleichteile des Wärmeübertragers hergestellt werden, und dass die Gleichteile des Wärmeübertragers miteinander verbunden werden. Auf diese Weise kann für beide Gleichteile die gleiche Negativform verwendet werden um aus den beiden Gleichteilen den Wärmeübertrager herzustellen. Um einen weitgehend geschlossenen Hohlkörper herzustellen ist bei einem Gießverfahren notwendig, das Bauteil in zwei Teile zu unterteilen, da ansonsten das Bauteil nicht aus der Negativform entfernt werden kann. Durch die Bildung von zwei Gleichteilen kann dennoch erheblich der Herstellungsaufwand reduziert werden, da dieselbe Negativform für beide Gleichteile verwendet werden kann.
  • Eine weitere günstige Variante sieht vor, dass an einer Außenseite des Kältemittelsammelbehälters Rippen ausgebildet werden, die in den inneren Ringraum ragen. Dadurch ist die Wärmeübertragung von dem Kältemittelbehälter zu dem Kühlmittel in dem inneren Ringraum verbessert. Vorzugsweise werden die Rippen bereits in der Negativform vorgesehen, so dass für die Rippen keine Nachbearbeitungsschritte notwendig sind.
  • Eine besonders günstige Variante sieht vor, dass der Kältemittelsammelbehälter derart in dem Wärmeübertrager angeordnet wird, dass sich die Rippen an der Außenseite des Kältemittelsammelbehälters bis zu dem Wärmeübertrager erstrecken. Dadurch wird der innere Ringraum zwischen dem Kältemittelsammelbehälter und dem Wärmeübertrager in mehrere Kanäle unterteilt wird, wodurch die Wärmeübertragung auf das Kältemittel ebenfalls verbessert wird.
  • Eine weitere besonders günstige Variante sieht vor, dass zwei Gleichteile des Kältemittelsammelbehälters hergestellt werden, und dass die Gleichteile des Kältemittelsammelbehälters miteinander verbunden werden. Auf diese Weise wird nur eine Negativform benötigt, um den Kältemittelsammelbehälter herzustellen.
  • Vorzugsweise sind die beiden Gleichteile des Kältemittelsammelbehälters miteinander verschweißt. Dadurch kann eine Fluiddichte und stabile Verbindung zwischen den beiden Gleichteilen hergestellt werden.
  • Eine vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass an einer Innenseite des Gehäuses Rippen ausgebildet werden, die in den äußeren Ringraum ragen. Dadurch wird die Steifigkeit des Gehäuses verbessert, sodass die Wandstärke reduziert und somit Material eingespart werden kann. Darüber hinaus erzeugen die Rippen in dem äußeren Ringraum Turbulenzen in dem Kältemittel, sodass die Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und dem Wärmeübertrager verbessert wird.
  • Vorzugsweise werden die Rippen bereits in der Negativform des Gehäuses vorgesehen, so dass für die Rippen kein weiterer Nachbearbeitungsschritt notwendig ist.
  • Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass der Wärmeübertrager derart in dem Gehäuse angeordnet wird, dass die Rippen an der Innenseite des Gehäuses an dem Wärmeübertrager anliegen. Auf diese Weise kann sich der Wärmeübertrager radial nach außen an dem Gehäuse abstützen, so dass die Wandstärke des Wärmeübertragers weiter reduziert werden kann.
  • Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass zwei Gleichteile des Gehäuses hergestellt werden, und dass die Gleichteile des Gehäuses miteinander verbunden werden. Dadurch kann bei der Herstellung des Gehäuses eine Form genutzt werden. Vorzugsweise werden die beiden Gleichteile des Gehäuses miteinander verschweißt, um das Gehäuse zu bilden.
  • Eine günstige Lösung sieht vor, dass an einer Außenseite des Gehäuses eine Gitterstruktur ausgebildet wird. Vorzugsweise ist die Gitterstruktur bereits in der Negativform des Gehäuses ausgebildet, so dass zur Ausbildung der Gitterstruktur keine Nachbearbeitungsschritte notwendig sind. Die Gitterstruktur an der Außenseite erhöht die Druckstabilität des Gehäuses.
  • Eine weitere günstige Lösung sieht vor, dass die Gitterstruktur an der Außenseite des Gehäuses ein Dreiecks- oder Viereckgitter bildet, so genannte Isogrid- oder Orthogrid-Strukturen. Solche Gitter sind regelmäßige Strukturen, die sich leicht entwerfen lassen und die die Stabilität erhöhen.
  • Eine besonders günstige Lösung sieht vor, dass das Gehäuse, der Wärmeübertrager und der Kältemittelsammelbehälter derart angeordnet werden, dass die jeweiligen einander zugewandten Rippen ineinander greifen. Auf diese Weise kann eine platzsparende Anordnung gefunden werden, bei welcher eine ausgezeichnete Erhöhung der Wärmeübertragungsfläche erzielt werden kann.
  • Eine weitere besonders günstige Lösung sieht vor, dass der innere Ringraum zumindest teilweise den Niederdruckkanal bildet. Dadurch muss das Kühlmittel, welches durch den Niederdruckkanal strömt auch durch den inneren Ringraum strömen und kann dadurch Wärme von dem Wärmeübertrager aufnehmen.
  • Eine vorteilhafte Variante sieht vor, dass der äußere Ringraum zumindest teilweise den Hochdruckkanal bildet. Dadurch muss das Kühlmittel, das durch den Hochdruckkanal strömt auch durch den äußeren Ringraum strömen und kann somit Wärme an den Wärmeübertrager abgeben.
  • Eine weitere vorteilhafte Variante sieht vor, dass in dem Hochdruckkanal im Bereich des Hochdruckeinlasses ein Trockenmittel angeordnet wird. Dadurch kann Wasser, das sich in dem Kältemittel befindet, aufgefangen werden. Durch die, durch das Verfahren erzielte, hohe Festigkeit des Werkstoffes können die Wandstärken des Gehäuses und des Wärmeübertragers reduziert werden, so dass der äußere und der innere Ringraum vergrößert sein können. Daher ist es möglich, in den äußeren Ringraum ein Trockenmittel anzuordnen. Entsprechend kann auch in dem Niederdruckkanal im Bereich des Niederdruckauslasses ein Trockenmittel angeordnet werden.
  • Ferner beruht die Erfindung auf dem allgemeinen Gedanken eine Kälteanlage für CO2 mit einem Kältemittelkreislauf zu verwenden, in welchem Kältemittel im Betrieb zirkuliert, mit einem Kompressor zum Antreiben des Kältemittels, mit einem Expansionsventil, das einen Hochdruckbereich und einen Niederdruckbereich des Kältemittelkreislaufs voneinander trennt, mit einem Gaskühler zum Kühlen des Kältemittels im Hochdruckbereich, mit einem Verdampfer, mit einer Wärmetauschereinrichtung, die durch ein Verfahren gemäß der vorstehenden Beschreibung hergestellt ist, wobei der Hochdruckkanal der Wärmetauschereinrichtung in dem Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufs stromab des Gaskühlers und stromauf des Expansionsventils angeschlossen ist, und wobei der Niederdruckkanal der Wärmetauschereinrichtung in dem Niederdruckbereich des Kältemittelkreislaufs stromab des Expansionsventils angeordnet ist. Dadurch können sich die Vorteile des Herstellungsverfahrens der Wärmetauschereinrichtung optimal ausgenutzt werden, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
  • Ferner ist es günstig, wenn die Wärmetauschereinrichtung derart in dem Kältemittelkreislauf angeschlossen ist, dass der Hochdruckkanal und der Niederdruckkanal im Gegenstrom oder Kreuzstrom oder einer Mischform daraus durchströmt werden. Dadurch kann die Wärme zwischen zwei Medien optimal ausgetauscht werden.
  • Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn das Kältemittel CO2 ist. Bisher übliche Kältemittel sind häufig umweltschädlich. Schon seit langem sind FCKW-haltige Kältemittel verboten, die das Ozonloch angreifen. Die daraufhin verwendeten Austauschkältemittel sind allerdings sehr stark klimaaktiv. Das heißt, sie haben einen sehr hohen Treibhauskoeffizienten. CO2 ist zwar auch treibhausaktiv, allerdings deutlich geringer als die bisher verwendeten Kältemittel.
  • Darüber hinaus beruht die Erfindung auf dem allgemeinen Gedanken eine Kälteanlage gemäß der vorstehenden Beschreibung in einem Kraftfahrzeug zu verwenden. Die Vorteile der Kälteanlage übertragen sich somit auf das Kraftfahrzeug auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
  • Es zeigen, jeweils schematisch,
    • Fig. 1
    eine Schnittdarstellung entlang eines Längsschnittes durch eine erfindungsgemäße Wärmetauschereinrichtung,
    Fig. 2
    eine Längsschnittdarstellung durch eine erste Variante eines Gleichteils des Gehäuses,
    Fig. 3
    eine Längsschnittdarstellung durch eine zweite Variante eines Gleichteils des Gehäuses,
    Fig. 4
    ein Ausschnitt einer Schnittdarstellung entlang der Schnittebene A-A aus Fig. 1, bei einer ersten Variante der Rippenanordnung,
    Fig. 5
    eine der Fig. 4 entsprechende Schnittdarstellung gemäß einer zweiten Variante der Rippenanordnung,
    Fig. 6
    eine der Fig. 4 entsprechende Schnittdarstellung einer dritten Variante der Rippenanordnung,
    Fig. 7
    eine der Fig. 4 entsprechende Schnittdarstellung einer vierten Variante der Rippenanordnung,
    Fig. 8
    eine Längsschnittdarstellung durch einen Niederdruckeinlassadapter, in einer ersten Variante,
    Fig. 9
    eine Längsschnittdarstellung durch einen Niederdruckeinlassadapter einer zweiten Variante, bei welcher ein Filterelement vorgesehen ist,
    Fig. 10
    eine Längsschnittdarstellung durch einen Niederdruckauslassadapter einer ersten Variante,
    Fig. 11
    eine Längsschnittdarstellung durch einen Niederdruckauslassadapter gemäß einer zweiten Variante, bei welcher ein Filterelement an dem Niederdruckauslassadapter angeordnet ist,
    Fig. 12
    eine Schnittdarstellung einer Ölaustragseinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform,
    Fig. 13
    eine Schnittdarstellung durch eine Ölaustragseinrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform, und
    Fig. 14
    eine Schnittdarstellung durch eine Ölaustragseinrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform.
  • Eine in den Fig. 1 bis 11 dargestellte erste Ausführungsform einer Wärmetauschereinrichtung 10 wird in Klimaanlagen für Kraftfahrzeuge verwendet, die insbesondere CO2 als Kältemittel 12 verwenden. Die Wärmetauschereinrichtung 10 umfasst einen Kältemittelsammelbehälter 28 und einen Wärmeübertrager 26. Die Wärmetauschereinrichtung 10 wird üblicherweise in einen Kältemittelkreislauf der Kälteanlage eingebaut, wobei eine typische Reihenfolge wie folgt ist. Vom Kompressor wird das Kältemittel zu einem Gaskühler geleitet, in welchen es Wärme an die Umgebung abgeben kann, weiter zu einem inneren Wärmetauscher 16, der zumindest teilweise durch den Wärmeübertrager 26 gebildet ist und an welchem das Kältemittel 12 noch weitere Wärme abgeben kann. Insbesondere strömt das Kältemittel 12 durch einen Hochdruckkanal 18 der Wärmetauschereinrichtung 10. Von der Wärmetauschereinrichtung 10 aus wird das Kältemittel 12 zu einem Expansionsventil geleitet, welches einen Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufs von einem Niederdruckbereich des Kältemittelkreislaufs trennt. Hinter dem Expansionsventil kann das Kältemittel 12 expandieren und sich dadurch abkühlen. Nach dem Expansionsventil wird das Kältemittel 12 wieder zu der Wärmetauschereinrichtung 10, insbesondere zu dem inneren Wärmetauscher 16 in einen Niederdruckkanal 20 geleitet, in welchem das Kältemittel Wärme aus dem Hochdruckkanal 18 aufnehmen kann. Von dort wird das Kältemittel 12 zu einem Wärmetauscher geleitet, der dazu dient, Wärme von einem zu kühlenden Objekt oder Bauteil oder Medium aufzunehmen. Von diesem Wärmetauscher wird das Kältemittel 12 wieder zu dem Kompressor geleitet, der das Kältemittel 12 antreibt und somit den Kreislauf schließt.
  • Durch den inneren Wärmetauscher 16 wird das Kältemittel 12 am Expansionsventil auf tieferes Temperaturniveau gebracht. Bei der Verwendung von CO2 als Kältemittel 12 kann dadurch der Wirkungsgrad der Kälteanlage verbessert werden.
  • Die Wärmetauschereinrichtung 10 weist ein Gehäuse 22 auf, das einen Innenraum 24 umschließt. In dem Innenraum 24 sind der Wärmeübertrager 26 und der Kältemittelsammelbehälter 28 angeordnet.
  • An einem ersten axialen Ende 30 sind eine Niederdrucköffnung 32 und eine Hochdrucköffnung 34 angeordnet. Die Niederdrucköffnung 32 ist vorzugsweise koaxial zu einer Längsmittelachse 36 der Wärmetauschereinrichtung 10 angeordnet. Die Hochdrucköffnung 34 ist vorzugsweise exzentrisch zu der Längsmittelachse 36 angeordnet.
  • Die Niederdrucköffnung 32 bietet eine Fluidverbindung zu dem Niederdruckkanal 20. Entsprechend bietet die Hochdrucköffnung 34 eine Fluidverbindung zu dem Hochdruckkanal 18. Der Niederdruckkanal 20 und der Hochdruckkanal 18 sind wärmegekoppelt und mediengetrennt ausgebildet. Die Wärmekopplung und die Medientrennung werden durch den Wärmeübertrager 26 bewirkt. Somit bilden der Hochdruckkanal 18, der Niederdruckkanal 20 und der Wärmeübertrager 26 den inneren Wärmetauscher 16.
  • Zwischen dem Wärmeübertrager 26 und dem Gehäuse 22 ist ein äußerer Ringraum 38 gebildet. Es besteht eine Fluidverbindung von dem äußeren Ringraum 38 zu der Hochdrucköffnung 34. Somit bildet der äußere Ringraum 38 zumindest einen Teil des Hochdruckkanals 18. An einer Außenwand 40 des Gehäuses 22 können Rippen 42 vorgesehen sein. Dabei können Rippen 42 an einer Außenseite 44 angeordnet sein und die Stabilität des Gehäuses 22 erhöhen. Beispielsweise können die Rippen 42 an der Außenseite 44 der Außenwand 40 in Form eines Gitters angeordnet sein, bspw. eines Dreiecksgitters oder eines Viereckgitters.
  • Des Weiteren können Rippen 42 an einer Innenseite 46 der Außenwand 40 angeordnet sein, welche ebenfalls die Stabilität des Gehäuses verbessern. Darüber hinaus können die Rippen 42 in dem äußeren Ringraum 38 Turbulenzen in das Kältemittel 12 induzieren, so dass die Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel 12 und dem Wärmeübertrager 26 verbessert wird.
  • Das Gehäuse 22 weist vorzugsweise zwei Gleichteile 48 auf. Die Gleichteile 48 weisen eine leicht konische Form auf, so dass sie durch ein Gießverfahren oder durch ein einem Gießverfahren ähnliches Herstellungsverfahren hergestellt werden können. Insbesondere können die Gleichteile 48 dadurch hergestellt werden, das Material in eine Negativform eingebracht wird. Durch die leicht konische Form können die Gleichteile 48 aus der Negativform einfach herausgenommen werden.
  • Die Gleichteile 48 sind miteinander verbunden, um das Gehäuse 22 zu bilden und somit den Innenraum 24 zu umschließen.
  • Die Verbindung der Gleichteile 48 kann dabei bspw. durch Formschluss, Stoffschluss oder Reibschluss, besonders bevorzugt durch Verschweißen oder Verschrauben hergestellt sein. Beide Gleichteile 48 weisen jeweils eine der Niederdrucköffnungen 32 und eine der Hochdrucköffnungen 34 auf.
  • Durch die Ausbildung des Gehäuses 22 aus zwei Gleichteilen 48 sind die Herstellungskosten reduziert, da durch eine identische Negativform beide für die Herstellung des Gehäuses 22 benötigte Gleichteile 48 hergestellt werden können.
  • An einem zweiten axialen Ende 50 weist das Gehäuse 22 ebenfalls eine Niederdrucköffnung 32 und eine Hochdrucköffnung 34 auf. Auch im zweiten axialen Ende 50 ist die Niederdrucköffnung 32 vorzugsweise koaxial angeordnet und die Hochdrucköffnung 34 vorzugsweise exzentrisch angeordnet. Dadurch kann eines der Gleichteile 48 das erste axiale Ende 30 und das andere Gleichteil 48 das zweite axiale Ende 50 des Gehäuses 22 bilden.
  • In den Fig. 2 und 3 sind zwei Varianten der Gleichteile 48 des Gehäuses 22 dargestellt. Bei der in Fig. 2 dargestellten Variante sind Anschlüsse 51 für die Niederdrucköffnung 32 und die Hochdrucköffnung 34 axial gerichtet. Bei der in Fig. 3 dargestellten Variante sind die Anschlüsse 51 radial gerichtet. Andere schräge Ausrichtungen der Anschlüsse 51 sind ebenfalls möglich. Dadurch kann die Wärmetauschereinrichtung 10 an verschieden Anordnungen der der Kälteanlage angepasst werden.
  • In dem Innenraum 24 des Gehäuses 22 ist der Wärmeübertrager 26 angeordnet und umschließt seinerseits einen Innenraum 52 des Wärmeübertragers 26. In dem Innenraum 52 des Wärmeübertragers 26 ist der Kältemittelsammelbehälter 28 angeordnet.
  • Der Wärmeübertrager 26 weist an einem ersten axialen Ende 54 des Wärmeübertragers 26 einen Einlassstutzen 56 auf, welcher eine Öffnung zu dem Innenraum 52 bildet. Ferner greift der Einlassstutzen 56 in eine der Niederdrucköffnungen 32 des Gehäuses 22. Dadurch bildet der Einlassstutzen eine Fluidverbindung von dem Innenraum 52 des Wärmeübertragers 26 nach außen.
  • Ferner weist der Wärmeübertrager 26 an einem zweiten axialen Ende 58 einen Auslassstutzen 60 auf, welcher eine Öffnung in den Innenraum 52 des Wärmeübertragers 26 bildet. Der Auslassstutzen 60 greift in eine der Niederdrucköffnungen 32 des Gehäuses 22 ein, vorzugsweise in die Niederdrucköffnung 32 am zweiten axialen Ende 50 des Gehäuses 22. Somit bildet der Auslassstutzen 60 eine Fluidverbindung von dem Innenraum 52 des Wärmeübertragers 26 nach außen.
  • Eine Außenwand 62 begrenzt mit einer Außenseite 64 der Außenwand 62 den äußeren Ringraum 38 nach innen. Mit einer Innenseite 66 begrenzt die Außenwand 62 einen inneren Ringraum 68 nach außen. Der innere Ringraum 68 ist zwischen dem Wärmeübertrager 26 und dem Kältemittelsammelbehälter 28 ausgebildet. Der innere Ringraum 68 bildet zumindest teilweise den Niederdruckkanal 20.
  • An der Außenseite 64 der Außenwand 62 können Rippen 42 vorgesehen sein, die in den äußeren Ringraum 38 ragen. Dadurch kann die Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel 12 in dem äußeren Ringraum 38 und dem Wärmeübertrager 26 verbessert werden.
  • Des Weiteren kann an der Innenseite 66 der Außenwand 62 Rippen 42 vorgesehen sein, welche in den inneren Ringraum 68 greifen, um die Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel 12 im inneren Ringraum 68 und dem Wärmeübertrager 26 zu verbessern.
  • Auch der Wärmeübertrager 26 weist vorzugsweise zwei Gleichteile 70 auf, die miteinander verbunden sind. An einem ersten der Gleichteile 70 ist dabei der Einlassstutzen 56 gebildet und an einem zweiten der Gleichteile 70 des Wärmeübertragers 26 ist der Auslassstutzen 60 gebildet, die geometrisch an sich gleich sind. Die Verbindung der Gleichteile 70 des Wärmeübertragers 26 zu dem Wärmeübertrager 26 kann dabei durch Formschluss, Stoffschluss oder Reibschluss erfolgen. Besonders bevorzugt werden die Gleichteile 70 miteinander verschweißt oder verschraubt.
  • Zwischen dem Wärmeübertrager 26 und dem Gehäuse 22 sind mehrere, beispielweise vier, Dichtelemente 71 vorgesehen. An dem ersten axialen Ende 54 ist eines der Dichtelemente 71 angeordnet. Es liegt in einer an der entsprechenden Niederdrucköffnung 32 des Gehäuses 22 gebildeten Nut und dichtet somit den Einlassstutzen 56 gegen die Niederdrucköffnung 32 ab. Somit ist der äußere Ringraum 38 und somit der Hockdruckkanal 18 gegen die Niederdrucköffnung 32 abgedichtet. Entsprechend ist am zweiten axialen Ende 58 des Wärmeübertragers 26 eines der Dichtelemente 71 angeordnet.
  • Des Weiteren sind im Bereich einer Verbindungsstelle der jeweiligen Gleichteile 48 und 70 des Gehäuses 22 und des Wärmeübertragers 26 solche Dichtelemente 71 angeordnet. Die Gleichteile 70 des Wärmeübertragers 26 weisen an der Verbindungsstelle jeweils einen umlaufenden Kragen 73 auf, zu dem jeweiligen axialen Ende 54, 58 hin gerichtete Dichtflächen bilden. An diesen Dichtflächen liegt jeweils eines der ringförmigen Dichtelemente 71 an.
  • In den Gleichteilen 48 des Gehäuses 22 ist an der Verbindungsstelle eine Ausnehmung angeordnet, an welcher eine axiale Dichtfläche 75 gebildet ist an welcher eines der Dichtelemente 71 anliegt. Somit wird durch die Dichtelemente 71 an der Verbindungsstelle eine zusätzliche Abdichtung des Hochdruckkanals 18 gegen die Umgebung gebildet.
  • In dem umlaufenden Kragen 73 sind mehrere Durchgangsbohrungen 77 ausgebildet, welche in axialer Richtung die äußeren Ringraume 38, die jeweils in einer Hälfte der Wärmetauschereinrichtung 10 gebildet sind, miteinander verbinden.
  • In dem Innenraum 52 des Wärmeübertragers 26 ist der Kältemittelsammelbehälter 28 angeordnet und umschließt seinerseits einen Innenraum 72, der einen Kältemittelsammelbereich 74 bildet.
  • An einem ersten axialen Ende 76 des Kältemittelsammelbehälters 28 sind mindestens eine, vorzugsweise zwei Einlassbohrungen 78 angeordnet, die exzentrisch zu der Längsmittelachse 36 der Wärmetauschereinrichtung 10 angeordnet sind. Die Einlassbohrungen 78 bilden somit einen Kältemitteleinlass 79 des Kältemittelsammelbehälters 28. Des Weiteren weist der Kältemittelsammelbehälter 28 am ersten axialen Ende 76 eine Auslassbohrung 80 auf, welche vorzugsweise koaxial zur Längsmittelachse 36 angeordnet ist.
  • Um Kältemittel, dass durch eine Niederdrucköffnung 32 am ersten axialen Ende 30 des Gehäuses 22 einströmt direkt in den Kältemittelsammelbereich 74 des Kältemittelsammelbehälters 28 leiten zu können, ist ein Niederdruckeinlassadapter 82 vorgesehen. Der Niederdruckeinlassadapter 82 bietet eine Fluidverbindung von der Niederdrucköffnung 32 am ersten axialen Ende 30 in den Innenraum 72 und damit in den Kältemittelsammelbereich 74 des Kältemittelsammelbehälters 28.
  • Der Niederdruckeinlassadapter 82 greift in die mindestens eine Einlassbohrung 78 ein, so dass eine Fluidverbindung in den Innenraum 72 des Kältemittelsammelbehälters 28 erreicht werden kann. Des Weiteren greift der Niederdruckeinlassadapter 82 in den Einlassstutzen 56 des Wärmeübertragers 26 ein, so dass die Fluidverbindung zu der Niederdrucköffnung 32 des Gehäuses 22 hergestellt ist.
  • An einem zweiten axialen Ende 84 ist der Kältemittelsammelbehälter 28 geschlossen ausgebildet. Insbesondere ist am zweiten axialen Ende 84 ein Boden 86 ausgebildet, an welchem sich Kältemittel in fester und/oder flüssiger Form ansammeln kann.
  • Am zweiten axialen Ende 84, außerhalb des Kältemittelsammelbehälters 28, ist ein Niederdruckauslassadapter 88 angeordnet. Der Niederdruckauslassadapter 88 ist also zwischen dem Kältemittelsammelbehälter 28 und dem Wärmeübertrager 26 angeordnet. Vorzugsweise greift der Niederdruckauslassadapter 88 in den Auslassstutzen 60 des Wärmeübertragers 26 ein und bietet somit eine Fluidverbindung zu der Niederdrucköffnung 32 am zweiten axialen Ende 50 des Gehäuses 22. Ferner bietet der Niederdruckauslassadapter 88 eine Fluidverbindung zu dem inneren Ringraum 68.
  • Somit ist der Niederdruckkanal 20 zwischen den beiden Niederdrucköffnungen 32 des Gehäuses 22 gebildet. Der Niederdruckkanal 20 erstreckt sich von der Niederdrucköffnung 32 am ersten axialen Ende 76 in den Kältemittelsammelbehälter 28 hinein und am ersten axialen Ende 76 wieder aus dem Kältemittelsammelbehälter 28 heraus in den inneren Ringraum 68 hinein. Weiter erstreckt sich der Niederdruckkanal 20 entlang des inneren Ringraums 68 bis zum zweiten axialen Ende 84 des Kältemittelsammelbehälters 28 und dort durch den Niederdruckauslassadapter 88 und durch den Auslassstutzen 60 des Wärmeübertragers 26.
  • Auch der Kältemittelsammelbehälter 28 weist zwei Gleichteile 90 auf, die miteinander verbunden sind. Die beiden Gleichteile 90 des Kältemittelsammelbehälters 28 unterscheiden sich durch die Einlassbohrung 78 und die Auslassbohrung 80 an dem ersten axialen Ende 76 des Kältemittelsammelbehälters 28 voneinander. Dennoch können die beiden Gleichteile 90 durch eine gemeinsame Negativform hergestellt werden. Lediglich kleine Nachbearbeitungsschritte, nämlich das Bohren der Einlassbohrung 78 und der Auslassbohrung 80 sind notwendig, um die Gleichteile 90 anzupassen.
  • Der Niederdruckeinlassadapter 82 und der Niederdruckauslassadapter 88 bewirken die benötigte Asymmetrie für die Strömungsführung. So können das Gehäuse 22, der Wärmeübertrager 26 und der Kältemittelsammelbehälter 28 aus den Gleichteilen 48, 70 und 90 hergestellt sein.
  • An einer Außenseite 92 kann der Kältemittelsammelbehälter 28 Rippen 42 aufweisen, die in den inneren Ringraum 68 greifen. Dadurch kann zum einen die Stabilität des Kältemittelsammelbehälters 28 verbessert werden. Zum anderen werden durch die Rippen 42 Turbulenzen in das Kältemittel im inneren Ringraum 68 induziert, die auch eine verbesserte Wärmeübertragung zum dem Wärmeübertrager 26 ermöglichen. Dadurch ist die Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel 12 in dem Niederdruckkanal 20 und dem Kältemittel 12 in dem Hochdruckkanal 18 verbessert.
  • In den Fig. 4 bis 7 sind vier verschiedene beispielhafte Varianten für die Anordnung der Rippen 42 an dem Gehäuse 22, an dem Wärmeübertrager 26 und dem Kältemittelsammelbehälter 28 dargestellt. Bei der in Fig. 4 dargestellten Variante sind an der Außenwand 40 des Gehäuses 22 sowohl an der Außenseite 44 als auch an der Innenseite 46 Rippen 42 angeordnet. Ebenfalls sind an der Außenwand 62 des Wärmeübertragers 26 sowohl an der Außenseite 64 als auch an der Innenseite 66 Rippen 42 angeordnet. Auch am Kältemittelsammelbehälter 28 sind an der Außenseite Rippen 42 angeordnet. Der Kältemittelsammelbehälter 28, der Wärmeübertrager 26 und das Gehäuse 22 sind derart angeordnet, dass die Rippen 42 ineinander greifen.
  • Bei der in Fig. 5 dargestellten Variante sind an der Außenseite 44 der Außenwand 40 des Gehäuses 22 keine Rippen angeordnet. Ebenso sind an der Außenseite 92 des Kältemittelsammelbehälters 28 keine Rippen 42 angeordnet. Die am Wärmeübertrager 26 angeordneten Rippen und die am Gehäuse 22 angeordneten Rippen 42 erstrecken sich soweit in den jeweiligen Ringraum 38, 68, dass sie die gegenüberliegende Wand berühren.
  • Die an der Außenwand 40 des Gehäuses 22 angeordneten Rippen 42 ragen in den äußeren Ringraum 38 hinein und berühren die Außenseite 64 des Wärmeübertragers 26. Die an der Außenseite 64 des Wärmeübertragers 26 angeordneten Rippen 42 ragen in den äußeren Ringraum 38 und berühren die Innenseite 46 des Gehäuses 22. Die an der Innenseite 66 der Außenwand 62 des Wärmeübertragers 26 angeordneten Rippen 42 ragen in den innere Ringraum 68 hinein und berühren die Außenseite 92 des Kältemittelsammelbehälters 28.
  • Bei der in Fig. 6 dargestellten Variante sind nur Rippen 42 vorgesehen, die in den äußeren Ringraum 38 ragen. Dabei sind sowohl am Wärmeübertrager als auch am Gehäuse 22 zwei verschiedene Sorten von Rippen vorgesehen. Eine erste Sorte erstreckt sich durch den gesamten äußeren Ringraum 38 und berührt die jeweils gegenüberliegende Wand. Die andere Sorte der Rippen 42 ragt nur zu einem Teil in den äußeren Ringraum 38 hinein.
  • Bei einer in Fig. 7 dargestellten Variante sind nur in den äußeren Ringraum 38 ragende Rippen 42 vorgesehen. Die Rippen sind im Querschnitt T-förmig ausgebildet und hintergreifen sich dadurch gegenseitig. Dadurch kann eine besonders hohe Oberfläche für die Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel 12 in dem äußeren Ringraum 38 und den entsprechenden Wänden erzielt werden.
  • In Fig. 8 und Fig. 9 sind zwei verschiedene Varianten für den Niederdruckeinlassadapter 82 dargestellt. Bei der in Fig. 8 dargestellten Variante weist der Niederdruckeinlassadapter 82 einen zylinderförmigen Einlassabschnitt 94 auf, der eine zentrale Bohrung 96 aufweist. Von der zentralen Bohrung 96 verzweigen sich zwei Teilkanäle 98, die jeweils in zwei Auslassabschnitten 100 münden. Der Einlassabschnitt 94 ist derart ausgebildet, dass er von dem Innenraum 52 des Wärmeübertragers 26 in den Einlassstutzen 56 eingesetzt werden kann. Die beiden Auslassabschnitte 100 sind derart ausgebildet, dass sie von außen in die Einlassbohrungen 78 des Kältemittelsammelbehälter 28 eingreifen können.
  • Bei der in Fig. 9 dargestellten Variante ist am Einlassabschnitt 94 zusätzlich ein Filterelement 102 vorgesehen, welches das durch den Niederdruckeinlassadapter 82 einströmende Kältemittel 12 filtert.
  • In den Fig. 10 und 11 sind zwei Varianten eines Niederdruckauslassadapters 88 dargestellt. Der Niederdruckauslassadapter 88 weist eine zentrale Längsbohrung 104 und eine quer dazu verlaufende Querbohrung 106 auf. Die Querbohrung 106 liegt im späteren eingebauten Zustand im inneren Ringraum 68. Die Längsbohrung 104 stößt an einer Seite an den Boden 86 des Kältemittelsammelbehälters 28 und ist damit durch den Boden 86 verschlossen. Eine gegenüberliegende Öffnung der Längsbohrung 104 liegt im Auslassstutzen 60 des Wärmeübertragers 26. Dadurch bietet der Niederdruckauslassadapter 88 eine Fluidverbindung von dem inneren Ringraum 68 zu dem Auslassstutzen 60.
  • Bei der in Fig. 11 dargestellten Variante des Niederdruckauslassadapters 88 ist ein Filterelement 102 vorgesehen, welches aus dem Niederdruckauslassadapter 88 ausströmendes Kältemittel 12 filtert.
  • In dem Innenraum 72 des Kältemittelsammelbehälters 28 ist ein Wirbelgenerator 108 vorgesehen, welcher am ersten axialen Ende 76 des Kältemittelsammelbehälters 28 angeordnet ist. Der Wirbelgenerator 108 ist derart angeordnet, das Kältemittel, das durch die Einlassbohrungen 78 in den Innenraum 72 einströmt, verwirbelt, insbesondere in Rotation versetzt wird.
  • Axial angrenzend dazu ist ein Strömungsleitelement 110 angeordnet. Das Strömungsleitelement 110 weist eine den Einlassbohrungen 78 zugewandte konische Fläche 112 auf. Die konische Fläche 112 ist zu den Einlassbohrungen 78 hin konvex, so dass das Kältemittel 12, das durch die Einlassbohrungen 78 in den Innenraum 72 einströmt an der konischen Fläche 112 radial nach außen geleitet wird, so dass es zu der Außenwand 114 des Kältemittelsammelbehälters 28 gelenkt wird. Dadurch werden feste und flüssige Phasen des Kältemittels 12 sich an der Außenwand 114 niederschlagen, so dass sie entlang der Außenwand 114 in Richtung Boden 86 des Kältemittelsammelbehälters 28 befördert werden.
  • Das Strömungsleitelement 110 weist ferner eine Einströmöffnung 116 auf, welche zu einer Mitte des Innenraums 72 gerichtet ist. Vorzugsweise ist die Einströmöffnung 116 koaxial angeordnet.
  • Um Verunreinigungen zurückhalten zu können ist ein Filterelement 118 vorgesehen, welches in der Einströmöffnung 116 angeordnet ist.
  • Kältemittel 12, das aus dem Kältemittelsammelbehälter 28 ausströmt muss durch das Strömungsleitelement 110 strömen. Folglich muss das Kältemittel 12 dazu in die Einströmöffnung 116 einströmen und wird somit durch das Filterelement 118 gereinigt.
  • Ferner ist in dem Innenraum 72 ein Rohr 120 angeordnet, welches als Saugrohr 122 ausgebildet ist. Das Rohr 120 bildet eine Fluidverbindung zwischen dem Innenraum 72 des Kältemittelsammelbehälters 28 und dem inneren Ringraum 68. Dazu durchgreift das Rohr 120 die Auslassbohrung 80 im Kältemittelsammelbehälter 28.
  • Das Rohr 120 verläuft ausgehend vom Strömungsleitelement 110 in Richtung Boden 86 des Kältemittelsammelbehälters 28. In der Nähe des Bodens 86 weist das Rohr 120 eine Biegung 124 auf, durch welche das Rohr 120 im Wesentlichen um 180° umgelenkt ist.
  • Im Wesentlichen 180° bedeutet dabei eine Abweichung von 180° von weniger als 10°, bevorzugt weniger als 5°, besonders bevorzugt weniger als 2°. Von der Biegung 124 aus erstreckt sich das Rohr 120 bis zu dem Strömungsleitelement 110 und durch dieses hindurch bis zu der Auslassbohrung 80.
  • Kältemittel 12, das aus dem Kältemittelsammelbehälter 28 ausströmt, wird am Strömungsleitelement 110 in das Rohr 120 einströmen durch das Rohr in Richtung Boden strömen an der Biegung 124 umgelenkt werden und durch das Rohr 120 aus dem Kältemittelsammelbehälter 28 in den inneren Ringraum 68 einströmen.
  • An der Biegung 124 ist eine Saugöffnung 126 in dem Rohr 120 ausgebildet. Durch die Saugöffnung 126 kann Flüssigkeit, insbesondere Schmiermittel, bspw. Öl des Kompressors, das sich in dem Kältemittelsammelbereich 74 des Kältemittelsammelbehälter 28 ansammelt, angesaugt werden. Durch die Strömung des Kältemittels 12 in dem Rohr 120 wird das Öl durch den Venturi-Effekt in das Rohr 120 geleitet. Das Öl wird somit zusammen mit dem Kältemittel 12 aus dem Kältemittelsammelbehälter 28 befördert. Somit ist eine Ölaustragseinrichtung 127 gebildet.
  • Am Boden 86 des Kältemittelsammelbehälters 28 kann ein Ölfilterelement 128 vorgesehen sein, bevorzugt deckt das Ölfilterelement 128 die Saugöffnung 126 ab, so dass das Öl, das in das Rohr 120 angesaugt wird von Verschmutzungen befreit wird.
  • Bei der Herstellung der Gleichteile 48, 70, 90 wird für die Gleichteile eine Negativform hergestellt. In die Negativform wird ein Werkstoff, aus welchem die entsprechenden Bauteile gefertigt werden sollen, eingeleitet.
  • Als Werkstoff ist Aluminium oder eine Aluminiumlegierung vorgesehen. Vor dem Einleiten des Werkstoffs in die Negativform wird der Werkstoff in einen pastösen, thixotropen Zustand versetzt. Dies erfolgt insbesondere durch Erhitzen. Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen, dass der Werkstoff zusätzlich geknetet wird.
  • Der thixotrope Zustand zeichnet sich insbesondere durch eine Mischphase zwischen flüssigen und festen Teilen aus. Die festen Teile sind dabei fein in einer durchgängigen flüssigen Phase verteilt. In Ruhe ist der Werkstoff dadurch fest, da sich die festen Phasen gegeneinander verkeilen. Sobald Scherkräfte auf den Werkstoff ausgeübt werden, beginnen die festen Partikel gegeneinander sich zu verschieben, so dass der Werkstoff sich wie eine Flüssigkeit verhält. Dieses Verhalten wird auch als thixotrop bezeichnet.
  • Vor dem Einbringen des Werkstoffs in die Negativform wird die Negativform vorgeheizt, insbesondere auf eine Temperatur bei welcher der Werkstoff einen thixotropen Zustand erreichen kann.
  • Die Einbringung des Werkstoffs in die Negativform erfolgt so langsam, dass eine laminare Strömung des Werkstoffs ermöglicht ist. Dadurch können Fehlstellen, wie Lunker oder Poren vermieden werden. Dennoch ist eine Ausbildung von sehr feinen Strukturen möglich.
  • Durch das Fehlen von Fehlstellen weist der fertige Körper eine höhere Festigkeit auf, als bspw. ein durch Aluminiumdruckguß hergestelltes Bauteil. Somit können geringere Wandstärken der Bauteile erzielt werden. Darüber hinaus sind die derart gefertigten Bauteile schweißbar.
  • Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass als Werkstoff für den Kältemittelsammelbehälter 28 Kunststoff verwendet wird und dass der Kältemittelsammelbehälter 28 durch Kunststoffspritzguss hergestellt ist.
  • Aufgrund der geringeren Wandstärke der Bauteile kann in den äußeren Ringraum 38 und den inneren Ringraum 68 jeweils ein Trockenmittel 131 vorgesehen sein, die ansonsten üblicherweise in dem Kältemittelsammelbereich 74 angeordnet sind und dadurch das Volumen des Kältemittelsammelbereichs 74 verringern.
  • Eine in Fig. 12 dargestellte zweite Ausführungsform der Wärmetauschereinrichtung 10 unterscheidet sich von der in den Fig. 1 bis 11 dargestellten ersten Ausführungsform der Wärmetauschereinrichtung 10 dadurch, dass das Rohr 120 der Ölaustragseinrichtung 127 gerade verläuft. Das Rohr 120 erstreckt sich von dem Strömungsleitelement 110 in Richtung Boden 86 des Kältemittelsammelbehälters. Wenn Kältemittel 12 aus dem Kältemittelsammelbehälter 28 ausströmt muss dieses nicht zwangsläufig durch das Rohr 120 strömen. Das Kältemittel 12 kann durch die Einströmöffnung 116 in das Strömungsleitelement 110 einströmen und über eine Ausströmöffnung 117 aus dem Strömungsleitelement 110 und damit aus dem Kältemittelsammelbehälter 28 ausströmen.
  • Wenn das Kältemittel 12 durch die Einströmöffnung 116 in das Strömungsleitelement 110 strömt, strömt es an einem ersten Ende des Rohrs 120 vorbei und kann auf diese Weise an der Öffnung des Rohrs 120 einen Unterdruck erzeugen, durch welchen Flüssigkeit, insbesondere Schmiermittel, beispielsweise Öl, aus dem Rohr 120 angesaugt werden kann.
  • Der Durchmesser des Rohrs 120 ist derart gewählt, dass aufgrund des Kapillareffekts das Öl zumindest teilweise in das Rohr 120 gesaugt wird. Durch die kombinierte Wirkung aus Kapillareffekt und Venturi-Effekt kann das Öl vom Boden 86 des Kältemittelsammelbehälters 28 abgesaugt werden. Somit ist das Rohr 120 ein Saugrohr 122.
  • An einem bodenseitigen Ende des Rohrs 120 ist das Ölfilterelement 128 angeordnet und bedeckt die an dem Ende des Rohrs 120 gebildete Saugöffnung 126.
  • Im Übrigen stimmt die in Fig. 12 dargestellte zweite Ausführungsform der Wärmetauschereinrichtung 10 mit der in den Fig. 1 bis 11 dargestellten ersten Ausführungsform der Wärmetauschereinrichtung 10 hinsichtlich Aufbau und Funktion überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
  • Eine in Fig. 13 dargestellte dritte Ausführungsform der Wärmetauschereinrichtung 10 unterscheidet sich von der in den Fig. 1 bis 11 dargestellten ersten Ausführungsform der Wärmetauschereinrichtung 10 dadurch, dass die Ölaustragseinrichtung 127 ein gerades Rohr 120 aufweist, das in dem Kältemittelsammelbehälter 28 angeordnet ist. Das Rohr 120 dient dabei als Führung für eine Steuerstange 130, welche einen Antriebsteller 132 mit einem Ventilkörper 134 verbindet.
  • Der Ventilkörper 134 bildet zusammen mit einer Ölaustragsöffnung 136, welche im Boden 86 des Kältemittelsammelbehälters 28 gebildet ist ein Ölaustragsventil 138, wenn der Ventilkörper 134 durch die Steuerstange 130 von der Ölaustragsöffnung 136 abgehoben wird, kann Öl, das sich am Boden 86 des Kältemittelsammelbehälters 28 angesammelt hat, aus dem Kältemittelsammelbehälter 28 ausströmen.
  • Der Antriebsteller 132 bedeckt eine Ausströmöffnung 117 des Strömungsleitelements 110. Kältemittel 12, das aus dem Kältemittelsammelbehälter 28 ausströmt, muss durch diese Ausströmöffnung 117 strömen. Dabei hebt das Kältemittel 12 den Antriebsteller 132 an, um die Ausströmöffnung 117 zu öffnen. Durch das Anheben des Antriebstellers 132 wird über die Steuerstange 130 auch der Ventilkörper 134 angehoben, so dass das Ölaustragsventil 138 geöffnet wird. Somit wird das Ölaustragsventil 138 durch die Strömung des Kältemittels 12 gesteuert.
  • Auf diese Weise kann erreicht werden, dass in regelmäßigen Abständen, Öl aus dem Kältemittelsammelbehälter abgelassen wird und dadurch dem Kompressor zurückgeführt werden kann.
  • Im Übrigen stimmt die in Fig. 13 dargestellte dritte Ausführungsform der Wärmetauschereinrichtung 10 mit der in den Fig. 1 bis 11 dargestellten ersten Ausführungsform der Wärmetauschereinrichtung 10 hinsichtlich Aufbau und Funktion überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
  • Eine in Fig. 14 dargestellte vierte Ausführungsform der Wärmetauschereinrichtung 10 unterscheidet sich von der in Fig. 13 dargestellten dritten Ausführungsform der Wärmetauschereinrichtung 10 dadurch, dass die Ölaustrageeinrichtung 127 statt eines Ölaustragsventils 138 eine Hubkolbenpumpe 140 aufweist. Die Hubkolbenpumpe 140 wird über den Antriebsteller 132 und die Steuerstange 130 angetrieben.
  • Die Steuerstange 130 ist mit einem Kolben 142 der Hubkolbenpumpe 140 verbunden. Der Kolben 142 kann in einem Zylinder 144, welcher in dem Rohr 120 gebildet ist, hin und her bewegt werden. In dem Rohr 120 ist im Bereich des Zylinders 144 eine Ölansaugöffnung 146 seitlich angeordnet, durch welche Öl in den Zylinder 144 angesaugt werden kann. In einer Ruhestellung, ist der Kolben 142 an einer tiefsten Position, bei welcher der Kolben 142 dem Boden 86 nahe ist. In dieser tiefsten Position ist die Ölansaugöffnung 146 freigegeben. Wird der Kolben 142 durch den Antriebsteller 132 vom Boden 86 weg gehoben, verschließt der Kolben 142 die Ölansaugöffnung 146. Auf dem weiteren Weg bis zu einer oberen Endlage kann somit ein Druck aufgebaut werden, um das Öl aus dem Kältemittelsammelbehälter 28 zu befördern.
  • In dem Rohr ist ein Rückschlagventil 148 ausgebildet, durch welches das Öl aus dem Zylinder 144 ausströmen kann. Durch die Ausbildung als Rückschlagventil 148 verhindert das Rückschlagventil 148, dass das Öl zurück in den Zylinder 144 strömen kann. Dadurch kann durch eine Auf- und Ab-Bewegung des Kolbens 142 das Öl nach und nach abgepumpt werden.
  • Vorzugsweise weist das Rückschlagventil 148 eine Ventilkugel 150 auf, welche durch eine Feder 152 gegen einen konisch ausgebildeten Ventilsitz 154 gedrückt ist. Der konisch ausgebildete Ventilsitz 154 umschließt dabei eine Ventilöffnung 156, welche eine Öffnung zu dem Zylinder 144 darstellt.
  • Im Übrigen stimmt die in Fig. 14 dargestellte vierte Ausführungsform der Wärmetauschereinrichtung 10 mit der in Fig. 13 dargestellten dritten Ausführungsform der Wärmetauscheinrichtung 10 hinsichtlich Aufbau und Funktion überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.

Claims (16)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Wärmetauschereinrichtung (10) für eine Kälteanlage, insbesondere für eine Kälteanlage, die mit CO2 arbeitet,
    - mit einem Gehäuse (22), in welchem ein Hochdruckkanal (18) und ein Niederdruckkanal (20) für ein Kältemittel (12) ausgebildet sind,
    - mit einem Wärmeübertrager (26), der den Hochdruckkanal (18) und den Niederdruckkanal (20) fluidisch voneinander trennt und thermisch koppelt, und
    - mit einem Kältemittelsammelbehälter (28), der in dem Niederdruckkanal (20) angeordnet wird,
    - wobei zwischen dem Gehäuse (22) und dem Wärmeübertrager (26) ein äußerer Ringraum (38) ausgebildet wird,
    - wobei zwischen dem Wärmeübertrager (26) und dem Kältemittelsammelbehälter (28) ein innerer Ringraum (68) ausgebildet ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass zur Herstellung des Gehäuses (22), des Wärmeübertragers (26) und/oder des Kältemittelsammelbehälters (28) ein Werkstoff durch erwärmen in einen thixotropen Zustand versetzt wird,
    - dass als Werkstoff Aluminium oder eine Aluminium-Legierung verwendet wird, und
    - dass der Werkstoff im thixotropen Zustand in eine Negativform geleitet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Werkstoff laminar in die Negativform geleitet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an einer Außenseite (64) des Wärmeübertragers (26) Rippen (42) ausgebildet werden, die in den äußeren Ringraum (38) ragen.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an einer Innenseite (66) des Wärmeübertragers (26) Rippen (42) ausgebildet werden, die in den inneren Ringraum (68) ragen.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass zwei Gleichteile (70) des Wärmeübertragers (26) hergestellt werden, und
    - dass die Gleichteile (70) des Wärmeübertragers (26) miteinander verbunden werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an einer Außenseite (92) des Kältemittelsammelbehälters Rippen (42) ausgebildet werden, die in den inneren Ringraum (68) ragen.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüchen 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass zwei Gleichteile (90) des Kältemittelsammelbehälters (28) hergestellt werden, und
    - dass die Gleichteile (90) des Kältemittelsammelbehälters (28) miteinander verbunden werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüchen 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an einer Innenseite (46) des Gehäuses (22) Rippen (42) ausgebildet werden, die in den äußeren Ringraum (38) ragen.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüchen 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass zwei Gleichteile (48) des Gehäuses (22) hergestellt werden, und
    - dass die Gleichteile (48) des Gehäuses (22) miteinander verbunden werden.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüchen 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass an einer Außenseite (44) des Gehäuses (22) eine Gitterstruktur ausgebildet wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Gitterstruktur an der Außenseite (44) des Gehäuses (22) ein Dreiecks- oder Viereckgitter, bildet.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Gehäuse (22), der Wärmeübertrager (26) und der Kältemittelsammelbehälter (28) derart angeordnet werden, dass die jeweiligen einander zugewandten Rippen (42) ineinander greifen.
  13. Kälteanlage für CO2 mit einem Kältemittelkreislauf, in welchem Kältemittel (12) im Betrieb zirkuliert, mit einem Kompressor zum Antreiben des Kältemittels (12), mit einem Expansionsventil, das einen Hochdruckbereich und einen Niederdruckbereich des Kältemittelkreislaufes voneinander trennt, mit einem Gaskühler zum Kühlen des Kältemittels (12) im Hochdruckbereich, mit einem Verdampfer und mit einer Wärmetauschereinrichtung (10), die durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 hergestellt ist, wobei der Hochdruckkanal (18) der Wärmetauschereinrichtung (10) in dem Hochruckbereich des Kältemittelkreislauf stromab des Gaskühlers und stromauf des Expansionsventils angeschlossen ist, und wobei der Niederdruckkanal (20) der Wärmetauschereinrichtung (10) in dem Niederdruckbereich des Kältemittelkreislauf stromab des Expansionsventils angeordnet ist.
  14. Kälteanlage nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Wärmetauschereinrichtung (10) derart in dem Kältemittelkreislauf angeschlossen ist, dass der Hochdruckkanal (18) und der Niederdruckkanal (20) im Gegenstrom oder Kreuzstrom oder einer Mischform daraus durchströmt werden.
  15. Kälteanlage nach Anspruch 13 oder 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Kältemittel (12) CO2 ist.
  16. Kraftfahrzeug mit einer Kälteanlage nach einem der Ansprüche 13 bis 15.
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