DE102012109038B4

DE102012109038B4 - Vorrichtung zur Wärmeübertragung in einem Kältemittelkreislauf

Info

Publication number: DE102012109038B4
Application number: DE102012109038.6A
Authority: DE
Inventors: Peter Heyl
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2012-09-25
Publication date: 2020-10-15
Anticipated expiration: 2032-09-26
Also published as: DE102012111975B4; DE102012111975A1; DE102012109038A1

Abstract

Vorrichtung für einen Kältemittelkreislauf (2, 2') mit einem Wärmeübertrager (6) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Luft, wobei der Wärmeübertrager (6) mit einem Ventil (17) und einem Sammler (7) als ein kompaktes, zusammenhängendes Modul (30) mit integrierten Kältemittelverbindungen ausgebildet ist, wobei das Ventil (17)- innerhalb des Sammlers (7) integriert angeordnet ist und- als Verbindungselement zwischen dem Sammler (7) und dem Wärmeübertrager (6) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (30) vom Kältemittel bidirektional durchströmbar ausgebildet ist, wobei das Modul (30) in der ersten Strömungsrichtung des Kältemittels zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die Luft in der Reihenfolge Wärmeübertrager (6), Ventil (17) und Sammler (7) sowie in der zweiten Strömungsrichtung des Kältemittels zur Wärmeübertragung von der Luft an das Kältemittel in der Reihenfolge Sammler (7), Ventil (17) und Wärmeübertrager (6) durchströmt wird und dass neben dem Ventil (17) ein zweites Ventil (18) innerhalb des Sammlers (7) oder des Wärmeübertragers (6) integriert angeordnet ist, wobei die Ventile (17, 18) mit separaten Antrieben oder mit einem gemeinsamen Antrieb ansteuerbar ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für einen Kältemittelkreislauf mit einem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Luft. Des Weiteren betrifft die Erfindung die Verwendung der Vorrichtung in einem Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges.
Aus dem Stand der Technik bekannte Serienfahrzeuge weisen zum Kühlen des Fahrgastraumes eine Klimaanlage auf. Für zukünftige Fahrzeuggenerationen wird dabei insbesondere die Nutzung der Klimaanlage in einem kombinierten Kälteanlagen- und Wärmepumpenbetrieb sowie einem Nachheizbetrieb zum Heizen, Kühlen und Entfeuchten der zu konditionierenden Luft des Fahrgastraums untersucht. Der Kältemittelkreislauf der Klimaanlage wird für den Betrieb in den unterschiedlichen Modi angepasst.
An die technischen Komponenten in modernen Kraftfahrzeugen wird dabei aufgrund ihrer Vielzahl ganz allgemein die Anforderung gestellt, dass das Volumen der einzelnen Komponenten und deren Anordnung zueinander zu optimieren sind, um die gewünschte Funktionsvielfalt durch Unterbringung aller Komponenten im begrenzten Bauraum des Kraftfahrzeuges realisieren zu können. Die Anordnungen der Komponenten müssen platzsparend und kostensparend kombiniert werden.
Bekannte Fahrzeugklimasysteme bestehen aus diversen Einzelkomponenten, wie dem gewöhnlich in der Fahrzeugfront angeordneten Kondensator, dem an den Fahrzeugmotor angebundenen und durch diesen angetriebenen Verdichter, dem im Fahrgastraum angeordneten Verdampfer sowie Schläuchen und Verbindungen. Zum Antrieb des Verdichters, wird üblicherweise der Motor des Fahrzeuges durch Einkoppeln mechanischer Energie zum Antrieb der Verdichterwelle genutzt. In Zukunft werden auch elektrische Verdichter Verwendung finden, welche von der Hochvoltbatterie des Hybrid- oder Elektrofahrzeuges versorgt werden. Kühlerlüfter und Gebläse werden elektrisch vom 12 V Bordnetz gespeist.
Die Komponenten der Anlage werden herkömmlich einzeln in die Fahrzeugfertigung geliefert und dort montiert. Durch die Mehrzahl der Komponenten sind verschiedene Montageschritte erforderlich, die eine Vielzahl von Verbindungen betreffen und den Installationsaufwand erhöhen. Die während der Montage zu fertigenden Verbindungen stellen zudem potentielle Leckagestellen dar, die wiederum gegebenenfalls sehr zeitaufwendig und kostenintensiv zu korrigieren sind.
Aus der WO 2012/025099 A1 geht eine Heiz-/Kühleinrichtung für Kraftfahrzeuge mit einem Kältemittelkreislauf, aufweisend einen Verdichter, einen Gaskühler, einen inneren Wärmeübertrager, ein Expansionsventil, einen Kältemittelspeicher und einen Verdampfer, hervor. Der Gaskühler und der Verdampfer sind jeweils mit einem Kühlmittelkreislauf thermisch gekoppelt. Der Verdichter, der Gaskühler und der Verdampfer sind als Baueinheit zu einem Kältemittelblock zusammengefasst.
In der DE 101 41 389 A1 wird ein Kühlmittelkreislauf eines Kraftfahrzeuges mit einem Kühlmittel/Kältemittelwärmeübertrager für die thermische Kopplung einer Kälteanlage mit dem Kühlmittelkreislauf offenbart. Das Kühlmittel dient im Betrieb des Kältemittelkreislaufes im Wärmepumpenmodus als Wärmequelle zum Beheizen des Innenraumes des Kraftfahrzeuges. Der Kühlmittel/Kältemittelwärmeübertrager ist mit einem Außenwärmeübertrager, einem Akkumulator/Sammler und einem inneren Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufes sowie einem Kühler des Kühlmittelkreislaufes als Wärmeübertragermodul mit integrierten Verbindungsleitungen ausgebildet.
In der JP 2000-205 700 A wird ein in einem Kondensator eines Kältemittelkreislaufes integrierter Kältemittelsammler beschrieben. Die Kondensator-Sammler-Einheit ist zum Vermeiden des Ansteigens des Hochdrucks innerhalb des Kondensators nach dem Abschalten des Verdichters mit einem Verbindungspfad ausgebildet. Der Kondensator weist Sammelrohre auf, welche über Strömungspfade miteinander verbunden sind. Der zwischen dem Sammler und einem Sammelrohr des Kondensators ausgebildete Verbindungspfad ist oberhalb des Flüssigkeitsspiegels des Kältemittels im Sammler angeordnet. Innerhalb des Sammlers ist zudem eine Ventileinrichtung zum Öffnen und Verschließen des Verbindungspfades vorgesehen, sodass der Verbindungspfad je nach Drucklage beziehungsweise Betrieb des Verdichters geöffnet oder geschlossen wird.
In der DE 698 24 694 T2 ist ein Kältemittelkreislauf für eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges mit einem Verdichter, einem Kondensator, einem Sammler, einem Expansionsorgan und einem Verdampfer gezeigt. Der Kältemittelkreislauf weist zudem eine Vordruckmindervorrichtung auf, welche zwischen dem Kondensator und dem Sammler angeordnet ist und dem Absenken des Drucks des Kältemittels im flüssigen Zustand bis auf den Sättigungsdampfdruck dient.
Aus der JP 2003-083 643 A geht ein Verdampfer, aufweisend ein Sammelrohr an der Eintrittsseite sowie ein Sammelrohr an der Austrittsseite, welche über Strömungspfade miteinander verbunden sind, sowie ein Expansionsventil hervor. Der Verdampfer und das Expansionsventil sind als Einheit miteinander verbunden. Das Expansionsventil ist dabei zwischen den Sammelrohren angeordnet und weist jeweils eine Verbindung zu den Sammelrohren auf. Das in den Verdampfer eintretende Kältemittel wird beim Durchströmen des Expansionsventils entspannt.
In der DE 10 2011 005 749 A1 wird ein Sammler für ein mit einem Kältemittel betriebenes Kühl- oder/und Heizsystem offenbart. Der Sammler umfasst einen mit Kältemittel befüllten Behälter mit einem Kältemitteleingang und einem Kältemittelausgang. In einem ersten Teil des Behälters liegt das Kältemittel in flüssigem Zustand und in einem zweiten Teil des Behälters in gasförmigem Zustand vor. Ferner ist eine Abscheideeinrichtung vorgesehen, welche abhängig vom Druck oder/und von der Temperatur des Kältemittels bewirkt, dass flüssiges oder gasförmiges Kältemittel zum Kältemittelausgang geleitet wird.
In der DE 103 42 110 A1 wird ein Kältemittelkreislauf einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage mit einem von einem Motor angetriebenen Verdichter, einem Kondensator, einem Expansionsorgan, einem Kältemittelsammler und einem Verdampfer beschrieben. Innerhalb des Kältemittelkreislaufes ist zudem eine Druckabsenkungsvorrichtung vorgesehen, welche im Falle eines Stillstands des Verdichters eine Druckabsenkung bewirkt.
In der US 2011/0030934 A1 ist eine Vorrichtung zur Trennung der unterschiedlichen Phasen Dampf und Flüssigkeit sowie zum Sammeln eines Kältemittels in Form eines Gefäßes, mit einer Dampfleitung, einer Flüssigkeitsleitung, einer Zugangsleitung und einem Element zur Regulierung des Massenstroms des Kältemittels gezeigt. Die Zugangsleitung ist mit einem Expansionsventil ausgebildet. Das Element zur Regulierung des Massenstroms ist innerhalb der Dampfleitung angeordnet. Die Dampfleitung ist mit einem ersten Sammelrohr und die Flüssigkeitsleitung ist mit einem zweiten Sammelrohr eines Wärmeüberträgers verbunden
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Komponenten eines Kältemittelkreislaufes einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges innerhalb eines Moduls anzuordnen. Das Modul soll als Kombination der Komponenten einen geringen Bauraum beanspruchen. Durch die konstruktive Verbindung der Komponenten sind die Wartungs- und Montagekosten sowie die Kältemittelleckage nach außen zu minimieren. Damit soll die Anzahl nach außen dichtender Verbindungen verringert werden. Das Modul soll während der Montage einfach im Fahrzeug integrierbar sein.
Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung für einen Kältemittelkreislauf mit einem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Luft, insbesondere Umgebungsluft, gelöst.
Der Kältemittelkreislauf weist einen Verdichter, den Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung, einen Sammler, ein Expansionsorgan und einen Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und einem zu konditionierenden Luftmassenstrom auf.
Der Sammler wird dabei je nach Betriebsmodus des Kältemittelkreislaufes und Beaufschlagung mit Kältemittel auf Hochdruckniveau oder Mitteldruckniveau als Receiver sowie auf Niederdruckniveau als Akkumulator betrieben.
Nach der Konzeption der Erfindung ist der Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Luft der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Ventil und dem Sammler als ein kompaktes, zusammenhängendes Modul mit integrierten Kältemittelverbindungen ausgebildet. Das Ventil ist konzeptionsgemäß innerhalb des Sammlers oder innerhalb des Wärmeübertragers integriert angeordnet und als Verbindungselement zwischen dem Sammler und dem Wärmeübertrager ausgebildet.
Bei der Integration des Ventils innerhalb des Wärmeübertragers ist das Ventil bevorzugt in einem Sammelrohr angeordnet.
Mit der Integration der Komponenten innerhalb des kompakten, vormontierbaren Moduls sind keine Kältemittelleitungen und deren Verbindungen zwischen den Komponenten notwendig. Das Modul kann bezüglich des Transports, der Montage der Komponenten und im Fahrzeug sowie der leckagefreien Verbindungen kostensparend mit höherer Qualität verarbeitet werden.
Das Modul ist erfindungsgemäß vom Kältemittel bidirektional durchströmbar ausgebildet. Das Modul wird dabei in der ersten Strömungsrichtung des Kältemittels zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die Luft in der Reihenfolge Wärmeübertrager, Ventil und Sammler durchströmt. In der zweiten Strömungsrichtung des Kältemittels zur Wärmeübertragung von der Luft an das Kältemittel strömt das Kältemittel nacheinander durch den Sammler, das Ventil und den Wärmeübertrager.
Alternativ ist das Ventil auch verschließbar und sperrt im geschlossenen Zustand entweder den Strömungspfad des Kältemittels durch den Sammler oder den Strömungspfad des Kältemittels durch den Wärmeübertrager ab. Das Kältemittel wird dann durch einen weiteren Strömungspfad, welcher ebenfalls ein Ventil aufweisen kann, geleitet.
Das Ventil ist bevorzugt als Expansionsventil, Umschaltventil, Durchgangsventil und/oder Absperrventil ausgebildet. Bei der Ausbildung des Ventils als Durchgangsventil wird zwischen den Stellungen „Auf“ und „Zu“ umgeschaltet.
Neben dem ersten Ventil ist konzeptionsgemäß ein zweites Ventil ausgebildet, welches ebenfalls innerhalb des Sammlers oder des Wärmeübertragers integriert angeordnet ist. Die Ventile sind dabei entweder mit jeweils getrennt voneinander steuerbaren Antrieben, das heißt mit separaten Antrieben, ausgebildet oder weisen einen gemeinsamen Antrieb auf, um die Ventile gleichzeitig und gemeinsam anzusteuern. Dabei ist vorteilhaft ein Ventil geöffnet, während das andere Ventil geschlossen ist und umgekehrt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Sammler über eine extern lösbare Verbindung mit dem Wärmeübertrager verbunden. Die extern lösbare Verbindung ist dabei vorteilhaft als Steckpassverbinder ausgebildet. Um eine mögliche Kältemittelleckage auszuschließen, ist die Verbindung zwischen dem Sammler und dem Wärmeübertrager alternativ als nicht lösbare Verbindung ausgebildet, welche beispielsweise durch Löten, Kleben, Schrumpfen oder Reibschweißen herstellbar ist.
Der Wärmeübertrager weist bezüglich seiner Grundfläche jeweils zwei gegenüberliegende Schmalseiten und Längsseiten auf. Unter der Grundfläche ist dabei die Fläche senkrecht zur Strömungsrichtung der Luft zu verstehen, das heißt die Fläche, durch welche die Luft in den Wärmeübertrager einströmt beziehungsweise ausströmt. Der Sammler ist bevorzugt an einer der Schmalseiten der Grundfläche des Wärmeübertragers angeordnet. Dabei ist ein erstes Ende des Sammlers an der ersten Längsseite des Wärmeübertragers und ein zweites Ende des Sammlers an der zweiten Längsseite des Wärmeübertragers angeordnet, sodass sich der Sammler über die gesamte Länge einer Schmalseite des Wärmeübertragers erstreckt. Nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich der Sammler nur über einen Teil der Schmalseite des Wärmeübertragers.
Der Sammler weist vorteilhaft die Form eines Zylinders, wie einer Flasche oder eines Rohres, auf. Dabei können der Sammler beziehungsweise der Sammler in Verbindung mit dem Wärmeübertrager entweder stehend, das heißt vertikal ausgerichtet, oder liegend, das heißt horizontal ausgerichtet, angeordnet sein.
Besonders vorteilhaft ist, dass das Modul lediglich zwei Kältemitteldurchlässe aufweist. Der erste Kältemitteldurchlass ist dabei als Verbindung einer Kältemittelleitung des Kältemittelkreislaufes mit dem Wärmeübertrager und der zweite Kältemitteldurchlass als Verbindung einer Kältemittelleitung des Kältemittelkreislaufes mit dem Sammler ausgebildet.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind der erste Kältemitteldurchlass an der oberen Längsseite des Wärmeübertragers im Bereich des oberen Endes des Sammlers und der zweite Kältemitteldurchlass im unteren Bereich des Sammlers angeordnet. Im unteren Bereich des Sammlers ist vorteilhaft auch das Ventil ausgebildet.
Alternativ ist das Modul mit drei Kältemitteldurchlässen versehen, wobei der dritte Kältemitteldurchlass strömungstechnisch parallel zum zweiten Kältemitteldurchlass ausgebildet ist. Der dritte Kältemitteldurchlass ist dann ebenfalls als direkte Verbindung einer Kältemittelleitung des Kältemittelkreislaufes mit dem Sammler verbunden. Am Sammler können zudem weitere, zu den vorhandenen Kältemitteldurchlässen wiederum strömungstechnisch parallel geschaltete Kältemitteldurchlässe angeordnet sein.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist das Modul eine Serviceöffnung zum Austausch einer innerhalb des Sammlers angeordneten Komponente auf. Die Serviceöffnung ist vorteilhaft wiederverschließbar und am Sammler ausgebildet.
Mit Hilfe der Serviceöffnung können beispielsweise im Sammler integrierte Komponenten, wie ein Trockner oder ein Filter, eingesetzt, entnommen oder ausgetauscht werden. Die Filterelemente dienen dem Schutz des Ventils beziehungsweise des Kältemittelkreislaufes.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Wärmeübertrager eine Tiefe im Bereich von 10 mm bis 20 mm auf. Unter der Tiefe ist dabei die Ausdehnung des Wärmeübertragers in Strömungsrichtung der Luft zu verstehen. Die Tiefe ergibt sich somit aus der Ausdehnung senkrecht zur Grundfläche des Wärmeübertragers, wobei unter der Grundfläche die Fläche senkrecht zur Strömungsrichtung der Luft zu verstehen ist, das heißt die Fläche, durch welche die Luft in den Wärmeübertrager einströmt beziehungsweise ausströmt.
Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung, insbesondere im Hinblick auf die sehr platzsparende Gestaltung und die reduzierte Anzahl an Verbindungen innerhalb der Kältemittelleitungen des Kältemittelkreislaufes, ermöglicht die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges.
Der Kältemittelkreislauf ist dabei bevorzugt für einen kombinierten Kälteanlagen- und Wärmepumpenmodus sowie für einen Nachheizmodus der Klimaanlage ausgebildet. Beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Kältemittelkreislauf beim Betrieb im Wärmepumpenmodus wird im Wärmeübertrager Wärme von der Umgebungsluft an das Kältemittel übertragen. Die Umgebungsluft dient als Wärmequelle.
Weitere Vorteile der Vorrichtung beziehungsweise des kompakten, zusammenhängenden Moduls mit integrierten Kältemittelverbindungen gegenüber dem Stand der Technik lassen sich folgendermaßen zusam m enfassen:

- kältemittelleckagefreie, hermetische Verbindungen zwischen den Komponenten des Moduls und Reduzierung der Anzahl der nach außen zu dichtenden Verbindungen,
- platz- und bauraumsparende Einheit zur einfachen Integration in einem Kraftfahrzeug,
- Reduzierung des Herstellungs-, Wartungs- und Montageaufwandes und der damit verbundenen Kosten, zum Beispiel durch Vormontieren,
- Möglichkeit des Tests des Moduls vor der Montage im Kraftfahrzeug führt zur Verringerung von Qualitätsproblemen und Nachbearbeitungsaufwand.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen

1: die Klimaanlage mit einem ersten Kältemittelkreislauf als Anordnung im Kraftfahrzeug,
2: die Klimaanlage mit einem zweiten Kältemittelkreislauf unter alternativer Anordnung der Komponenten,
3: aus einem Wärmeübertrager, einem Ventil und einem Sammler kombinierte Komponente des Kältemittelkreislaufes sowie
4: Detaildarstellung der Komponente aus 3.

In 1 ist die Klimaanlage 1 für ein Kraftfahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf 2 und einem Motorkühlkreislauf 3 als Anordnung im Kraftfahrzeug dargestellt.
Der primäre Kältemittelkreislauf 2 umfasst neben den in Strömungsrichtung des Kältemittels bei Kälteanlagenmodus nacheinander angeordneten Verdampfer 4, Verdichter 5, als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager 6, Sammler 7 und Ventil 16 auch einen inneren Wärmeübertrager 8. Unter dem inneren Wärmeübertrager 8 ist ein kreislaufinterner Wärmeübertrager zu verstehen, welcher der Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel bei Hochdruck und dem Kältemittel bei Niederdruck dient. Dabei wird beispielsweise einerseits das flüssige Kältemittel nach der Kondensation weiter abgekühlt und andererseits das Sauggas vor dem Verdichter 5 überhitzt.
Das Rückschlagventil 19 verhindert das Durchströmen des Kältemittels aus Richtung des Ventils 16 in den Wärmeübertrager 11. In der entgegengesetzten Strömungsrichtung ist das Rückschlagventil 19 durchlässig.
Erfolgt die Verflüssigung des Kältemittels bei unterkritischem Betrieb, wie zum Beispiel mit dem Kältemittel R134a oder bei bestimmten Umgebungsbedingungen mit Kohlendioxid, wird der Wärmeübertrager 6 als Kondensator bezeichnet. Ein Teil der Wärmeübertragung findet bei konstanter Temperatur statt. Bei überkritischem Betrieb beziehungsweise bei überkritischer Wärmeabgabe im Wärmeübertrager 6 nimmt die Temperatur des Kältemittels stetig ab. In diesem Fall wird der Wärmeübertrager 6 auch als Gaskühler bezeichnet. Überkritischer Betrieb kann unter bestimmten Umgebungsbedingungen oder Betriebsweisen der Klimaanlage 1 zum Beispiel mit dem Kältemittel Kohlendioxid auftreten.
Zum gleichzeitigen Kühlen und Entfeuchten sowie Heizen der Zuluft für den Fahrgastraum, auch als Reheat bezeichnet, weist der Kältemittelkreislauf 2 der Klimaanlage 1 sekundäre Strömungspfade mit zusätzlichen Komponenten auf. Am Austritt des Verdichters 5 ist ein Abzweig 21 ausgebildet. Zwischen dem Abzweig 21 und dem Wärmeübertrager 6 ist ein zusätzliches Absperrventil 14 angeordnet. Ein erster sekundärer Strömungspfad erstreckt sich vom Abzweig 21 bis zum Abzweig 23 zwischen dem Expansionsventil 16 sowie dem Ventil 9 und weist in Strömungsrichtung des Kältemittels vom Verdichter 5 ausgehend ein Absperrventil 13 sowie einen Wärmeübertrager 11 auf, welcher auch als Heizregister 11 bezeichnet wird und die Funktion eines zweiten Kondensators/Gaskühlers erfüllt.
Neben dem ersten sekundären Strömungspfad erstreckt sich ein zweiter sekundärer Strömungspfad von einem Abzweig 22 bis zur Mündungsstelle 24 am Eintritt in den Verdichter 5 beziehungsweise den inneren Wärmeübertrager 8. Der zweite sekundäre Strömungspfad mündet zwischen dem Austritt aus dem Verdampfer 4 und dem inneren Wärmeübertrager 8 in den primären Kältemittelkreislauf und weist ein als Expansionsventil ausgebildetes Expansionsorgan 18 sowie einen Wärmeübertrager 10 auf. Der Wärmeübertrager 10 kann einerseits von Kältemittel und andererseits vom Kühlmittel des Motorkühlkreislaufes 3, beispielsweise eines Verbrennungsmotors oder eines Elektromotors, durchströmt werden. Das Kühlmittel kann beispielsweise auch in einem Kühlmittelkreislauf der Fahrzeugelektronik zirkulieren. Kältemittelseitig wird der Wärmeübertrager 10 als Verdampfer betrieben, sodass je nach Betriebsmodus Wärme vom Kühlmittel an das Kältemittel übertragen wird. Der Wärmeübertrager 10 wird auch als Chiller bezeichnet.
Ein dritter sekundärer Strömungspfad mit einem Absperrventil 15 verbindet den Abschnitt zwischen dem Absperrventil 14 und dem Wärmeübertrager 6 mit dem Eintritt des Verdichters 5.
Innerhalb des Motorkühlkreislaufes 3 wird das Kühlmittel, bevorzugt ein Wasser-Glykol-Gemisch, zwischen dem Motor 20 und dem Wärmeübertrager 12 umgewälzt. Im Wärmeübertrager 12, welcher auch als Heizungswärmeübertrager bezeichnet wird, wird die vom Motor 20 abgegebene Wärme an die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft übertragen. Der Wärmeübertrager 12 ist als Glykol-Luft-Wärmeübertrager ausgebildet.
Die parallel geschalteten Strömungspfade des Motorkühlkreislaufes 3 werden mittels eines als Drei-Wege-Ventils ausgebildeten Absperrventils 25 geöffnet oder geschlossen, wobei jeder Strömungspfad separat geschaltet werden kann.
Je nach Wärmepumpenmodus mit unterschiedlichen Wärmequellen sind die als Expansionsventile ausgebildeten Ventile 17, 18 wechselseitig geschlossen oder geöffnet, sodass entweder der Wärmeübertrager 6 oder der Wärmeübertrager 10 von Kältemittel durchströmt wird, während der jeweils andere Wärmeübertrager 6, 10 nicht beaufschlagt ist. Alternativ können auch beide Wärmeübertrager 6, 10 von Kältemittel durchströmt werden, sodass sowohl die Umgebungsluft als auch das Kühlmittel des Motorkühlkreislaufes 3 als Wärmequellen nutzbar sind.
Die Ventile 13, 14, 15 sind in der dargestellten Ausführungsform als 2-2-Wegeventile ausgebildet. Die Ventile 13, 14, 15 weisen folglich jeweils zwei Anschlüsse und zwei Schaltstellungen auf. Alternativ sind die Ventile 13, 14 oder die Ventile 14, 15 auch jeweils in einer Kombination als ein 3-2-Wegeventil oder unter Hinzunahme aller drei Ventile 13, 14, 15 als ein 4-2-Wegeventil bei gleichen Ventilcharakteristiken der Ventile 13, 14, 15 ausgebildet.
Die Ventile 9, 16, 17, 18 können je nach Betriebsmodus auch als Festdrosseln ausgebildet sein.
Der Sammler 7, welcher in den angegebenen Ausführungsformen im Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufes 2 angeordnet ist und als Receiver betrieben wird, ist in Abhängigkeit des Einsatzes in einem kombinierten Kältemittelkreislauf zum Kühlen und Heizen alternativ auch als Akkumulator auf der Niederdruckseite in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Eintritt des Kältemittels in den Verdampfer 4 oder nach dem Verdampfer 4 anordenbar. Der Sammler 7 kann zudem auch auf Mitteldruckniveau, das heißt einem Zwischendruck zwischen Hochdruck und Niederdruck des Kältemittels, und damit als Receiver betrieben werden, um beispielsweise die Kältemittelfüllmenge im Kältemittelkreislauf zu optimieren.
Bei der Anordnung der Komponenten des Kältemittelkreislaufes 2 in einem Kraftfahrzeug wird in einen Frontbereich 26, einen Radkasten 27, einen Wasserkasten 28 und ein Klimagerät 29 unterschieden. Bei der Anordnung nach 1 sind die Ventile 13, 14, 15, 17, der Sammler 7 und der Abzweig 21 im Radkasten 27 sowie der Wärmeübertrager 6 im Frontbereich 26 des Kraftfahrzeuges untergebracht. Der Wärmeübertrager 10, die Ventile 9, 16, 18, 25, das Rückschlagventil 19, die Abzweige 22, 23 sowie die Mündungsstelle 24 sind im Wasserkasten 28 und damit in unmittelbarer Nähe zum Klimagerät 29 mit den Wärmeübertragern 4, 11, 12 angeordnet. Die übrigen Komponenten des Kältemittelkreislaufes 2 befinden sich im Motorraum des Kraftfahrzeuges.
2 zeigt die Klimaanlage 1 mit einem alternativ zum Kältemittelkreislauf 2 nach 1 ausgebildeten Kältemittelkreislauf 2'. Der wesentliche Unterschied der Ausbildung der Kältemittelkreisläufe 2, 2' liegt in der Einbindung der Wärmeübertrager 8 und 10 beziehungsweise der Einbindung des zweiten sekundären Strömungspfades in den primären Kältemittelkreislauf 2'.
Nach 1 erstreckt sich der zweite sekundäre Strömungspfad vom Abzweig 22, welcher zwischen dem Ventil 16 und dem inneren Wärmeübertrager 8 angeordnet ist, bis zur Mündungsstelle 24, welche zwischen dem Austritt aus dem Verdampfer 4 und dem inneren Wärmeübertrager 8 ausgebildet ist.
Nach der Ausgestaltung in 2 ist der Abzweig 22 zwischen dem Sammler 7 und dem Ventil 17 ausgebildet. Die Mündungsstelle 24 ist am Eintritt in den Verdichter 5 ausgebildet, sodass der Austritt des Wärmeübertragers 10 direkt mit dem Eintritt in den Verdichter 5 verbunden ist.
Der Sammler 7 ist innerhalb des Kältemittelkreislaufes 2, 2' derart angeordnet, dass das Kältemittel den Sammler 7 unabhängig vom Betriebsmodus der Klimaanlage 1 unter Hochdruck beaufschlagt. Das Kältemittel wird erst nach dem Durchströmen des Sammlers 7 beim Kälteanlagenmodus im Expansionsventil 16 und im Wärmepumpenmodus im Expansionsventil 17 und/oder im Expansionsventil 18 entspannt.
Beim Betrieb der Klimaanlage 1 in einem Wärmepumpenmodus kann der Sammler 7 auch mit Kältemittel auf Niederdruckniveau und damit als Akkumulator beaufschlagt werden. In diesem Fall wird das Kältemittel beim Durchströmen des Expansionsventils 16 entspannt, während das Expansionsventil 17 und/oder das Expansionsventil 18 voll geöffnet sind. Zudem besteht die Möglichkeit, den Sammler 7 auf einem Mitteldruckniveau zu betreiben, wobei mit den Expansionsventilen 16 und 17 die Füllmenge beziehungsweise die Dichte des Kältemittels geregelt wird.
In 3 ist ein aus dem Wärmeübertrager 6, dem Ventil 17 und dem Sammler 7 kombiniertes Modul 30 des Kältemittelkreislaufes 2 aus 1 dargestellt. Der Wärmeübertrager 6, der Sammler 7 und das Ventil 17 bilden dabei das zusammenhängende Modul 30, welches lediglich zwei Kältemitteldurchlässe 31, 32 aufweist. Mit Hilfe des Druckaufnehmers 33 wird der Druck des Kältemittels auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufes 2, 2' im Kälteanlagenmodus bestimmt.
Der primäre Kältemittelkreislauf 2 wird im Kälteanlagenmodus der Klimaanlage 1 derart beaufschlagt, dass das Kältemittel vom Verdichter 5 durch das Ventil 14 zum ersten Kältemitteldurchlass 31 des Moduls 30 geleitet wird. Das Kältemittel strömt durch den ersten Kältemitteldurchlass 31 in den als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager 6 ein. Die Strömungsrichtung des Kältemittels im Kälteanlagenmodus ist in 3 mit durchgezogenen Pfeilen gezeigt. Der Kältemitteldurchlass 31 entspricht dem Eintritt in den Wärmeübertrager 6.
Das Modul 30 weist am Austritt des Wärmeübertragers 6 das mit dem Austritt fest und dicht verbundene Ventil 17 auf. Das Kältemittel strömt aus dem Wärmeübertrager 6 aus und durch das Ventil 17 in den ebenfalls mit dem Ventil 17 fest und dicht verbundenen Sammler 7 ein. Das Ventil 17 ist dabei mit einer als Durchlass ausgebildeten ersten Öffnung mit dem Wärmeübertrager 6 und mit einer als Durchlass ausgebildeten zweiten Öffnung mit dem Sammler 7 verbunden. Das Ventil 17 ist derart geöffnet, dass das Kältemittel ohne oder mit vernachlässigbar geringem Druckverlust hindurchströmt.
Der Sammler 7 erstreckt sich an der gesamten Schmalseite des Wärmeübertragers 6 vom Kältemitteldurchlass 31, welcher im Bereich der oberen Längsseite angeordnet ist, bis zum Ventil 17, welches an der unteren Längsseite angeordnet ist. Das Ventil 17 ist als Verbindung zwischen dem Wärmeübertrager 6 und dem Sammler 7 ausgebildet.
Das Kältemittel strömt im Kälteanlagenmodus durch den zweiten Kältemitteldurchlass 32 aus dem Modul 30 aus. Der zweite Kältemitteldurchlass 32 ist im unteren Bereich des Sammlers 7 angeordnet. Unter dem unteren Bereich des Sammlers 7 ist dabei der Bereich zu verstehen, in welchem der Sammler 7 mit dem Ventil 17 verbunden ist.
Der primäre Kältemittelkreislauf 2 nach 1 wird im Wärmepumpenmodus der Klimaanlage 1 derart beaufschlagt, dass das Kältemittel durch den zweiten Kältemitteldurchlass 32 in den Sammler 7 einströmt. Die Strömungsrichtung des Kältemittels im Wärmepumpenmodus ist in 3 mit gestrichelten Pfeilen dargestellt.
Vom Sammler 7 aus wird das flüssige Kältemittel durch das als Expansionsventil betriebene Ventil 17 in den Wärmeübertrager 6 geleitet und dabei in das Zweiphasengebiet entspannt. Der Wärmeübertrager 6 wird als Verdampfer betrieben. Das Kältemittel tritt nach der Wärmeaufnahme aus dem ersten Kältemitteldurchlass 31 aus dem Modul 30 aus.
Das Kältemittel strömt im Vergleich der Betriebsmodi der Klimaanlage 1 in entgegengesetzter Strömungsrichtung durch das Modul 30, insbesondere den Wärmeübertrager 6 und das Ventil 17. Das Modul 30 ist damit bidirektional durchström bar.
Für den Einsatz im Kältemittelkreislauf 2' nach 2 weist das Modul 30, umfassend den Wärmeübertrager 6, den Sammler 7 und das Ventil 17 neben den zwei Kältemitteldurchlässen 31, 32 einen zusätzlichen, nicht dargestellten Kältemitteldurchlass auf. Der zusätzliche Kältemitteldurchlass, welcher dem Abzweig 22 der Ausführungsform nach 2 entspricht, ist dabei parallel zum zweiten Kältemitteldurchlass 32 am Sammler 7 ausgebildet.
Alternativ kann der Sammler 7 mit weiteren Kältemitteldurchlässen, insbesondere als Verbindungen zu zusätzlichen Wärmeübertragern, ausgebildet sein.
Das Modul 30 kann des Weiteren derart weitergebildet sein, dass es nicht nur den zusätzlichen Kältemittelauslass, entsprechend dem Abzweig 22 nach 2, sondern auch das Ventil 18 umfasst. Das Ventil 18 ist dann bevorzugt ebenfalls innerhalb des Sammlers 7 angeordnet. Der zusätzliche Kältemittelauslass am Sammler 7 beziehungsweise am Modul 30, wenn das Ventil 18 außerhalb des Sammlers 7 angeordnet ist, ist in Bezug auf den Kältemittelkreislauf 2' nach 2 in Strömungsrichtung nach dem Ventil 18 beziehungsweise zwischen dem Ventil 18 und dem Wärmeübertrager 10 angeordnet. Zudem kann der Sammler 7 zusätzlich weitere Ventile aufweisen.
Die Ventile 17, 18 weisen bevorzugt jeweils separate Antriebe auf, können alternativ aber auch mittels eines gemeinsamen Antriebs angesteuert werden. Die Antriebe sind vorteilhaft als elektrische Antriebe ausgebildet.
Nach einer alternativen Ausgestaltung können die Ventile 17, 18 auch als ein Umschaltventil ausgebildet sein, welches innerhalb des Sammlers 7 angeordnet ist. Das Umschaltventil ist dann als ein 3-2-Wege-Ventil ausgebildet, welches jeweils in einer Strömungsrichtung auch als Expansionsventil verwendbar ist.
Das Ventil 17 kann zudem auch als ein kombiniertes Umschalt-/Expansionsventil ausgebildet sein.
Der Wärmeübertrager 6 weist bevorzugt eine Ausdehnung in Tiefenrichtung im Bereich von 8 mm bis 20 mm auf, wobei auch andere Größen und Sonderabmessungen eingeschlossen sind. Unter der Tiefe ist im Falle eines luftbeaufschlagten Wärmeübertragers 6 die Ausdehnung des Wärmeübertragers 6 in Strömungsrichtung der Luft zu verstehen. Die Tiefe ergibt sich somit aus der Ausdehnung senkrecht zur Grundfläche des Wärmeübertragers, wobei unter der Grundfläche die Fläche senkrecht zur Strömungsrichtung der Luft zu verstehen ist, das heißt die Fläche, durch welche die Luft in den Wärmeübertrager einströmt beziehungsweise ausströmt.
4 zeigt eine Detaildarstellung des Moduls 30 aus 3, insbesondere des Ventils 17 als Verbindungselement zwischen dem Wärmeübertrager 6 einerseits und dem Sammler 7 andererseits.
Das entweder als elektronisches Expansionsventil, als thermostatisches Expansionsventil oder als Festdrossel ausgebildete Ventil 17, jeweils mit einer Abschaltfunktion kombinierbar, ist innerhalb des Sammlers 7 integriert angeordnet. Der Sammler 7 weist eine langgestreckte Form auf, welche die Form eines Rohres oder einer Flasche annimmt. Der Sammler 7 kann zudem elliptische oder eckige Formen aufweisen. Das Ventil 17 ist dabei im unteren Bereich des Sammlers 7 angeordnet. Das Kältemittel strömt je nach Betriebsmodus in Strömungsrichtung 34 vom Wärmeübertrager 6 in den Sammler 7 oder vom Sammler 7 in den Wärmeübertrager 6.
Der Sammler 7 ist mit dem Wärmeübertrager 6 über eine extern lösbare oder alternativ eine unlösbare Verbindung verbunden. Die extern lösbare Verbindung ist vorteilhaft als Steckpassverbinder ausgebildet, welcher zur Verbindung für einen Behälter des Wärmeübertragers 6 mit einem Anschlussrohr für die Zuleitung oder die Ableitung des wärmeübertragenden, den Wärmeübertrager 6 durchströmenden Kältemittels vorgesehen ist. Unter einem Steckpassverbinder sind somit alle im Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage verwendeten lösbaren Verbindungen zu verstehen.
Der erste Kältemitteldurchlass 31 ist nach 3 an dem Steckpassverbinder ausgebildet.
Der Sammler 7 kann auf der das Ventil 17 aufweisenden Seite mit einer Verschraubung ausgebildet sein, welche zusätzlich als Verbindungselement für einen Steckpassverbinder nutzbar ist.
Das Modul 30 weist zudem eine nicht dargestellte Serviceöffnung, zum Beispiel für den Austausch eines innerhalb des Sammlers 7 angeordneten, ebenfalls nicht dargestellten Trockners, auf. Die verschließbare Serviceöffnung ist dabei am Sammler 7 ausgebildet und im oberen Bereich angeordnet.
Nach einer alternativen Ausgestaltung des Moduls 30 ist die verschließbare Serviceöffnung unten und das Ventil 17 oben am Sammler 7 angeordnet. Die Serviceöffnung kann zudem an jeder beliebigen Position des Sammlers 7 ausgebildet sein.
Neben dem Trockner oder einem Trocknerpaket kann der Sammler 7 auch einen Filter, welcher nicht dargestellt ist, umfassen.
Das Modul 30, welches als eine Kombination der Komponenten Wärmeübertrager 6, Sammler 7 und Ventil 17 ausgebildet ist, kann ebenso mit einem oder mehreren der Ventile 13, 14, 15, 18 und/oder dem inneren Wärmeübertrager 8 zusammengefasst ausgebildet sein. Die zusätzlichen Komponenten können dabei bereits kombiniert sein. Die Ausbildungen umfassen dabei die die Komponenten verbindenden Kältemittelleitungen mit den in den Leitungen vorgesehenen Abzweigen und/oder Mündungsstellen.
Bezugszeichenliste

1: Klimaanlage
2, 2': Kältemittelkreislauf
3: Motorkühlkreislauf
4: Wärmeübertrager, Verdampfer
5: Verdichter
6: Wärmeübertrager
7: Sammler
8: innerer Wärmeübertrager
9: Ventil
10: Wärmeübertrager, Verdampfer
11: Wärmeübertrager, Heizregister
12: Wärmeübertrager, Heizungswärmeübertrager
13: Ventil, Absperrventil
14: Ventil, Absperrventil
15: Ventil, Absperrventil
16: Ventil, Expansionsorgan, Expansionsventil
17: Ventil, Expansionsventil
18: Ventil, Expansionsorgan, Expansionsventil
19: Rückschlagventil
20: Motor
21: Abzweig
22: Abzweig
23: Abzweig
24: Mündungsstelle
25: Ventil, Drei-Wege-Ventil
26: Frontbereich
27: Radkasten
28: Wasserkasten
29: Klimagerät
30: Modul
31: erster Kältemitteldurchlass - Austritt/Eintritt
32: zweiter Kältemitteldurchlass - Austritt/Eintritt
33: Druckaufnehmer
34: Strömungsrichtung des Kältemittels

Claims

Vorrichtung für einen Kältemittelkreislauf (2, 2') mit einem Wärmeübertrager (6) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Luft, wobei der Wärmeübertrager (6) mit einem Ventil (17) und einem Sammler (7) als ein kompaktes, zusammenhängendes Modul (30) mit integrierten Kältemittelverbindungen ausgebildet ist, wobei das Ventil (17) - innerhalb des Sammlers (7) integriert angeordnet ist und - als Verbindungselement zwischen dem Sammler (7) und dem Wärmeübertrager (6) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (30) vom Kältemittel bidirektional durchströmbar ausgebildet ist, wobei das Modul (30) in der ersten Strömungsrichtung des Kältemittels zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die Luft in der Reihenfolge Wärmeübertrager (6), Ventil (17) und Sammler (7) sowie in der zweiten Strömungsrichtung des Kältemittels zur Wärmeübertragung von der Luft an das Kältemittel in der Reihenfolge Sammler (7), Ventil (17) und Wärmeübertrager (6) durchströmt wird und dass neben dem Ventil (17) ein zweites Ventil (18) innerhalb des Sammlers (7) oder des Wärmeübertragers (6) integriert angeordnet ist, wobei die Ventile (17, 18) mit separaten Antrieben oder mit einem gemeinsamen Antrieb ansteuerbar ausgebildet sind.
Vorrichtung für einen Kältemittelkreislauf (2, 2') mit einem Wärmeübertrager (6) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Luft, wobei der Wärmeübertrager (6) mit einem Ventil (17) und einem Sammler (7) als ein kompaktes, zusammenhängendes Modul (30) mit integrierten Kältemittelverbindungen ausgebildet ist, wobei das Ventil (17) - innerhalb des Wärmeübertragers (6) integriert angeordnet ist und - als Verbindungselement zwischen dem Sammler (7) und dem Wärmeübertrager (6) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (30) vom Kältemittel bidirektional durchströmbar ausgebildet ist, wobei das Modul (30) in der ersten Strömungsrichtung des Kältemittels zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die Luft in der Reihenfolge Wärmeübertrager (6), Ventil (17) und Sammler (7) sowie in der zweiten Strömungsrichtung des Kältemittels zur Wärmeübertragung von der Luft an das Kältemittel in der Reihenfolge Sammler (7), Ventil (17) und Wärmeübertrager (6) durchströmt wird und dass neben dem Ventil (17) ein zweites Ventil (18) innerhalb des Sammlers (7) oder des Wärmeübertragers (6) integriert angeordnet ist, wobei die Ventile (17, 18) mit separaten Antrieben oder mit einem gemeinsamen Antrieb ansteuerbar ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (17) als Expansionsventil und als Durchgangsventil ausgebildet ist, wobei das Ventil (17) je nach Strömungsrichtung des Kältemittels als Expansionsventil oder als Durchgangsventil betreibbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammler (7) über eine extern lösbare Verbindung mit dem Wärmeübertrager (6) verbunden angeordnet ist, wobei die extern lösbare Verbindung als Steckpassverbinder ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (6) jeweils zwei gegenüberliegende Schmalseiten und Längsseiten aufweist, wobei der Sammler (7) an einer der Schmalseiten des Wärmeübertragers (6) angeordnet ist und sich über die Länge der Schmalseite erstreckt, sodass ein erstes Ende des Sammlers (7) an der ersten Längsseite des Wärmeübertragers (6) und ein zweites Ende des Sammlers (7) an der zweiten Längsseite des Wärmeübertragers (6) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (30) nur zwei Kältemitteldurchlässe (31, 32) aufweist, wobei der erste Kältemitteldurchlass (31) als Verbindung einer Kältemittelleitung mit dem Wärmeübertrager (6) und der zweite Kältemitteldurchlass (32) als Verbindung einer Kältemittelleitung mit dem Sammler (7) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (30) mit einer Serviceöffnung zum Austausch einer innerhalb des Sammlers (7) angeordneten Komponente ausgebildet ist, wobei die Serviceöffnung verschließbar und am Sammler (7) ausgebildet ist.