DE102018129988A1

DE102018129988A1 - Kompaktwärmeübertragereinheit und Klimaanlagenmodul, insbesondere für Elektrofahrzeuge

Info

Publication number: DE102018129988A1
Application number: DE102018129988.5A
Authority: DE
Inventors: Peter Heyl; Radim Cech; Radek Slavik
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2018-07-09
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2020-01-09
Also published as: JP2021531197A; US20210178853A1; CN112384393A; EP4332490A2; JP7506654B2; EP3822101B1; EP3822101A4; WO2020013506A1; US20230103879A1; EP3822101A1; US11613156B2; EP4332490A3; JP2024057068A; KR20200006489A; ES2982513T3; KR102193569B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kompaktwärmeübertragereinheit (1) in Kraftfahrzeugklimaanlagen, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Kondensatorbereich (6) für die Kondensation des Kältemittels als Wärmeübertragungsfläche und ein Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich (5) als Sammler für das Kältemittel als Plattenpakete eines Wärmeübertragers in einem Plattenwärmeübertrager zusammengefasst ausgebildet sind und ein Klimaanlagenmodul mit einer Kompaktwärmeübertragereinheit.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kompaktwärmeübertragereinheit und ein Klimaanlagenmodul, welche auf Grund der Konstruktionsweise, Kompaktheit und Anschlussbedingungen insbesondere für Elektrofahrzeuge geeignet sind. Unter einem Klimaanlagenmodul ist eine Vorrichtung zur Erzeugung beziehungsweise Bereitstellung von Wärme und/oder Kälte zu verstehen, welche als Teil der Klimatisierungseinheit die Fahrzeugkabine eines Fahrzeuges klimatisiert. Das Klimaanlagenmodul beinhaltet damit alle wesentlichen Komponenten des Kältemittelkreislaufes und ist in besonderer Weise ausgestaltet, um gerade bei Elektrofahrzeugen mit einem typischen niedrigen Abwärmetemperaturniveau und der bevorzugten Nutzung von elektrischen Verdichtern einsetzbar zu sein.
Im Stand der Technik sind in Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen überwiegend luftgekühlte Kondensatoren im Einsatz. Dies hängt damit zusammen, dass Luftkühler eine kostengünstige Möglichkeit der Wärmeabfuhr für den Kälteanlagenbetrieb gestatten.
Alternativ sind jedoch auch wassergekühlte Kondensatoren von Klimaanlagenmodulen bekannt, wodurch sich die Möglichkeit der geringeren Dimensionierung der flüssigkeitsgekühlten Kondensatoren durch die höhere Effizienz bei der Wärmeübertragung durch die Flüssigkeitskühlung im Unterschied zur Luftkühlung ergibt.
Nachteilig an wassergekühlten Kondensatoren im Bereich der Fahrzeugklimatisierung ist, dass der zusätzliche Kühlwasserkreislauf zu zusätzlichen apparativen und damit auch Kostenaufwendungen führt, wohingegen die luftgekühlten Kondensatoren parallel zum Motorkühler der Verbrennungsmaschinen ohne zusätzliche apparative Aufwendungen im Motorraum positioniert und betrieben werden konnten.
Nachteilig an Klimaanlagen sowohl mit luftgekühlten als auch wassergekühlten Kondensatoren ist, dass die Integration der einzelnen Komponenten der Klimaanlagen an verschiedenen Orten innerhalb des Fahrzeuges erfolgte und die Komponenten innerhalb des Montageprozesses des Fahrzeuges mit teilweisen komplexen Arbeitsabläufen miteinander verbunden werden mussten.
Es besteht weiterhin ein Bestreben der Fachwelt darin, ein Klimaanlagenmodul und eine Kompaktwärmeübertragereinheit zur Verfügung zu stellen, welche einfach zu montieren sind und auch einfach für eine Reparatur auszutauschen beziehungsweise auszuwechseln sind.
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein Klimaanlagenmodul zur Verfügung zu stellen, welches insbesondere für Elektrofahrzeuge geeignet ist und welches einfach in die Komponentenumgebung eines Elektrofahrzeuges integrierbar ist.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung eine Kompaktwärmeübertragereinheit zur Verfügung zu stellen, welche verschiedene Wärmeübertragerbereiche zusammenfasst, die kostengünstig herstellbar ist und die besonders platzsparend ausgeführt ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem Klimaanlagenmodul und einer Kompaktwärmeübertragereinheit mit den Merkmalen gemäß der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Aufgabe der Erfindung wird insbesondere durch eine Kompaktwärmeübertragereinheit in Kraftfahrzeugklimaanlagen gelöst, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Kondensatorbereich für die Kondensation des Kältemittels als Wärmeübertragungsfläche und ein Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich als Sammler für das Kältemittel als Plattenpakete eines Wärmeübertragers in einem Plattenwärmeübertrager zusammengefasst ausgebildet sind. Damit sind die Funktionen der Kondensation des Kältemittels und des Kältemittelsammelns auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufes baulich in einer Komponente des Kompaktwärmeübertragers angeordnet und damit folglich in diese Komponente integriert. In dieser Konfiguration ist die Kompaktwärmeübertragereinheit besonders bevorzugt als flüssigkeitsgekühlter und insbesondere wassergekühlter Kondensator in der Klimaanlage einsetzbar. Ein Plattenwärmeübertrager besteht nach dem Verständnis der Erfindung aus Plattenpaketen, welche zu Bereichen nach Funktionen zusammengefasst werden. So ist der Kondensatorbereich der Bereich der Wärmeübertragungsfläche, in welchem die Kondensation des Kältemittels erfolgt. Der Kondensatorbereich ist als ein Plattenpaket entsprechender Größe und Wärmeübertragungsfläche ausgebildet und wird mit dem Plattenpaket des Hochdruck-Kältemittelsammlerbereiches gemeinsam zu einem einteiligen Plattenwärmeübertrager verbunden. Die Wärmeübertragerplatten der Plattenpakete können mit Rippen oder Lamellen zur Verbesserung der Wärmeübertragungseigenschaften ausgeführt sein.
Von besonderem Vorteil ist, dass der Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich, auch als Receiver bezeichnet, baulich in die Kompaktwärmeübertragereinheit integriert ist. Der Receiver ist vorteilhaft direkt nach dem Kondensatorbereich im Kältemittelkreislauf angeordnet und nach dem Receiver schließt sich die Unterkühlstrecke für das Kondensat nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung an.
Vorteilhaft schließt sich die Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers an die Unterkühlstrecke an. Das in der Komponente der Kompaktwärmeübertragereinheit beziehungsweise alternativ außerhalb der Kompaktwärmeübertragereinheit angeordnete Entspannungsorgan und der Verdampfer sowie die Niederdruckseite des inneren Wärmeübertragers folgen im Kältemittelkreislauf, wie in den Ausführungsbeispielen noch erläutert wird. In der vorangehend beschriebenen Konfiguration der Kompaktwärmeübertragereinheit mit Kondensatorbereich, Unterkühlungsbereich, Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich und innerem Wärmeübertragerbereich ist der Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich alternativ vorteilhaft als separater Hochdruck-Kältemittelsammler ausgeführt.
Besonders vorteilhaft ist dem Kondensatorbereich nachgeschaltet ein separater Unterkühlungsbereich für die Unterkühlung des Kältemittels ausgebildet und als weiteres Plattenpaket in die Kompaktwärmeübertragereinheit integriert.
Die Anordnung von Kondensatorbereich, Unterkühlungsbereich und Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich erfolgt bevorzugt nebeneinander, wobei die Bereiche als Plattenpakete des Plattenwärmeübertragers ausgeführt sind. Das Kältemittel gelangt zuerst in den Kondensatorbereich und von diesem über eine direkte Verbindung in den Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich. In diesem wird das Kältemittel gesammelt und danach in den Unterkühlungsbereich geführt.
Alternativ ist das Plattenpaket des Hochdruck-Kältemittelsammlerbereiches im Plattenwärmeübertrager zwischen den Plattenpaketen des Kondensatorbereiches und des Unterkühlungsbereiches angeordnet.
Bevorzugt ist der Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich der Kompaktwärmeübertragereinheit von unten füll- und entleerbar ausgebildet. Nach dieser Ausgestaltung füllt sich der Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich von unten nach oben mit flüssigem Kältemittel, wobei das flüssige Kältemittel auch von unten abgeführt und in den Unterkühlungsbereich geleitet wird.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung sind ein Verdampferbereich, ein Innerer Wärmeübertragerbereich und ein Kondensatorbereich als Plattenpakete ausgebildet und im einteiligen Plattenwärmeübertrager zusammengefasst angeordnet. Diese Konfiguration wird gegebenenfalls um den Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich ergänzt, wodurch die Kompaktwärmeübertragereinheit alle Wärmeübertragerfunktionen eines Kälteanlagenkreislaufes und gegebenenfalls zusätzlich auch die Sammlerfunktion beinhaltet. Die hohe Funktionsintegration gestattet eine besonders platzsparende Bauweise des Klimaanlagenmoduls.
Alternativ dazu wird der Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich als separater Hochdruck-Kältemittelsammler ausgeführt.
Vorteilhaft werden ein Filter und/oder ein Trockner für das Kältemittel sowie ein Expansionsorgan in die Kompaktwärmeübertragereinheit integriert.
Um eine bestmögliche Effizienz des Kreislaufes aus thermodynamischer Sicht zu gewährleisten, werden vorteilhaft die einzelnen Wärmeübertragerbereiche und Funktionsbereiche mit unterschiedlichen Temperaturniveaus durch Isolationsplatten zwischen den Bereichen thermisch voneinander isoliert ausgebildet. Je nach Anwendungsfall, Temperaturniveau und Platzverhältnissen sind mindestens zwei oder auch mehr Bereiche durch Isolationsplatten voneinander thermisch isoliert. Die Isolationsplatte kann dabei als Platte ausgestaltet sein, die nicht durchströmt wird oder die mit Luft oder Stickstoff gefüllt ist oder unter Vakuum steht, um den Wärmedurchgang von einem Bereich zum anderen durch die Isolationsplatte hindurch zu minimieren.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen den Wärmeübertrager- und/oder Funktionsbereichen der Kompaktwärmeübertragereinheit ein Transferkanal als Plattenpaket des Plattenwärmeübertragers zur Leitung des Kältemittels von einer Unterseite zu einer Oberseite der Kompaktwärmeübertragereinheit angeordnet. Der Transferkanal besteht dabei aus mindestens einer Platte und ermöglicht die Leitung des Kältemittels in vertikaler Richtung zwischen zwei Bereichen, so dass in einem Bereich das Kältemittel beispielsweise am Boden gesammelt und über den Transferkanal nach oben geleitet wird und anschließend im benachbarten Bereich von oben wieder verteilt werden kann.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Kompaktwärmeübertragereinheit besteht für Fälle, in denen das Sammeln und das Verteilen des Kältemittels in dem jeweiligen Bereich nicht auf der gleichen Seite sondern auf einer gegenüberliegende Seite der Kompaktwärmeübertragereinheit erfolgt. Dann muss das Kältemittel beispielsweise von der Unterseite des Kondensatorbereiches auf die Oberseite des Hochdruck-Kältemittelsammlerbereiches oder des Unterkühlungsbereiches geführt werden. Dies erfolgt vorteilhaft über den angegebenen in die Kompaktwärmeübertragereinheit integrierten Transferkanal, auch als Sammlerkanal bezeichnet, der im Plattenwärmeübertrager als Transferplatte ausgeführt ist und in dem das Kältemittel in einem kanalartigen Hohlraum von unten nach oben oder gegebenenfalls andersherum geführt wird.
Je nach Wärmeübertragungsaufgabe und Verschaltung der Bereiche der Kompaktwärmeübertragungeinheit ist auch das Kühlmittel über eine integrierte Transferplatte innerhalb des Plattenwärmeübertragers von unten nach oben oder umgekehrt führbar.
Generell kann der Kältemittel- und Kühlmittelstrom im Ein- oder Mehrpass-Design erfolgen.
Fertigungstechnisch sind die einzelnen Bereiche und Plattenpakete vorzugsweise miteinander verlötet.
Die Aufgabe der Erfindung wird insbesondere durch ein Klimaanlagenmodul gelöst, welches durch seine kompakte Bauweise besonders für Elektrofahrzeuge geeignet ist. Das Klimaanlagenmodul weist einen Kältemittelkreislauf auf, welcher innerhalb des Klimaanlagenmoduls vollständig geschlossen ist. Bei entsprechender Ausführung der Verbindungsleitungen und des Verdichters als Hermetikverdichter müssen keine Kältemittelverbindungen zwischen Komponenten des Kältemittelkreislaufes bei der Montage des Klimaanlagenmoduls im Fahrzeug hergestellt werden.
Das Klimaanlagenmodul weist zwei Anschlüsse für einen Kaltwasserkreislauf auf, welcher der Versorgung einer Klimatisierungseinheit mit kaltem Wasser dient. Weiterhin weist das Klimaanlagenmodul zwei Anschlüsse für einen Kühlwasserkreislauf auf, welcher der Kühlung des Kältemittels dient. Der Kältemittelkreislauf weist mindestens einen Verdichter, ein Expansionsorgan sowie mindestens zwei Wärmeübertrager zur Verdampfung und Kondensation des Kältemittels auf. In besonderer Weise ist das Klimaanlagenmodul dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertrager als Wärmeübertragerbereiche in einer Kompaktwärmeübertragereinheit zusammengefasst ausgebildet sind. Dabei ist die Kompaktwärmeübertragereinheit als einteiliger Plattenwärmeübertrager aus mehreren Plattenpaketen ausgebildet.
Nach der Konzeption der Erfindung sind die einzelnen Wärmeübertrager nicht als separate Komponenten des Kältemittelkreislaufes ausgeführt, sondern zusammengefasst in einem einteiligen Plattenwärmeübertrager, der den Kern des Klimaanlagenmoduls bildet. Im Ergebnis ist es somit möglich, die Kältemittelverbindungen zwischen den einzelnen Komponenten des Kältemittelkreislaufes innerhalb des Klimaanlagenmoduls vorzufertigen. Das Klimaanlagenmodul besitzt Anschlüsse für jeweils Vor- und Rücklauf für einen Kaltwasserkreislauf und einen Kühlwasserkreislauf, die bei der Montage im Fahrzeug noch angeschlossen werden müssen.
Dadurch wird eine besonders leckagesichere und durch die Integration der Wärmeübertrager in einer Kompaktwärmeübertragereinheit ein besonders kompaktes und platzsparendes Komponentenkonzept umgesetzt. Im Ergebnis lassen sich eine geringere Kältemittelfüllmenge bei stark verringertem Leckagerisiko realisieren.
Die Kompaktwärmeübertragereinheit besteht somit aus einzelnen funktional und nach Temperaturbereich getrennten Kompartimenten, welche baulich in einer Untereinheit des Klimaanlagenmoduls, der Kompaktwärmeübertragereinheit, zusammengefasst sind.
Der Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich ist alternativ als separates Behältnis beziehungsweise als Flasche nach dem Stand der Technik ausgeführt und neben der Kompaktwärmeübertragereinheit in das Klimaanlagenmodul integriert. Die Ausgestaltung der Kältemittelverbindungen kann auch bei dieser Ausführungsform starr und vorgefertigt erfolgen, um auch in dieser Gestaltungsvariante eine einfache und kostengünstige sowie fehlerunanfällige Montage zu ermöglichen.
Vorteilhaft sind weitere Komponenten des Kältemittelkreislaufes, wie bereits aufgeführt, unmittelbar in die Kompaktwärmeübertragereinheit integriert. Bei den Komponenten handelt es sich beispielsweise um einen Filter für das Kältemittel und/oder einen Trockner für das Kältemittel und/oder ein Expansionsorgan, welche unmittelbar in die Kompaktwärmeübertragereinheit integriert ausgebildet sind.
Alternativ sind diese Komponenten außerhalb der Kompaktwärmeübertragereinheit im Kältekreislauf angeordnet.
Die Integration der funktional verschiedenen Bereiche der Kompaktwärmeübertragereinheit erfolgt dann thermodynamisch ohne Nachteile im Vergleich zur Ausbildung separater Komponenten, wenn die Bereiche thermisch voneinander isoliert ausgebildet sind. Deshalb ist zwischen den einzelnen Bereichen jeweils eine Isolationsplatte des Plattenwärmeübertragers angeordnet, wodurch die einzelnen Bereiche zueinander sowohl von der Anordnung beabstandet als auch thermisch isoliert voneinander ausgebildet sind. Sofern benachbarte Bereiche keine signifikanten Temperaturunterschiede aufweisen, kann entsprechend auf Isolationsplatten verzichtet werden. Fertigungstechnisch besonders vorteilhaft sind die Bereiche der Kompaktwärmeübertragereinheit miteinander verlötet, so dass die verschiedenen Kreisläufe, die Wasserkreisläufe für das Kaltwasser oder das Kühlwasser als auch der Kältemittelkreislauf durch das Verlöten der einzelnen Platten, der Plattenpakete und der Bereiche jeweils besonders leckagesicher zueinander und auch gegenüber der Umgebung ausgeführt sind.
Die Wärmeübertragungseigenschaften der Kompaktwärmeübertragungseinheit werden vorteilhaft dadurch verbessert, dass die Platten des Plattenwärmeübertragers Rippen aufweisen, die im Offset-, im Dimple- oder im Chevron-Design ausgestaltet sind, wobei Rippen im Offset-Design als Einlage zwischen zwei Platten ausgeführt sind.
Die Platten des Plattenwärmeübertragers im Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich weisen dabei vorteilhaft Rippen als Einlagen im Offset-Design auf, wobei die Einlagen Ausnehmungen zur Volumenvergrößerung des Hochdruck-Kältemittelsammlerbereiches aufweisen, die eine Mäander-, Tannenbaum- oder Langlochstruktur besitzen. Die Einlagen sind mit den Platten über eine Vielzahl von Kontaktpunkten verbunden, um eine möglichst druckfeste Ausgestaltung zu erlangen.
Vorteilhaft wird diese Eigenschaft noch dadurch verbessert, dass die Struktur der Einlagen mit den Ausnehmungen zur Volumenvergrößerung des Hochdruck-Kältemittelsammlerbereiches bei nebeneinander angeordneten Platten zur Verbesserung der Druckfestigkeit wechselt. Hierdurch überlagern sich die Strukturen und Muster, so dass Verbindungen zwischen den Einlagen in verschiedenen Ebenen liegen, was zu einer besseren Verteilung der Punkte für die Verbindungen erhöht und die gesamte Struktur gleichmäßiger ausgesteift ist.
Bevorzugt sind die Platten des Plattenwärmeübertragers im Inneren Wärmeübertragerbereich auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes mit Rippen im Dimple-Design und die Rippen auf der Hochdruckseite als Einlagen im Offset-Design ausgeführt.
Die Platten des Plattenwärmeübertragers im Kondensatorbereich und im Unterkühlungsbereich sind vorteilhaft mit Rippen als Einlagen im Offset-Design und/oder als Rippen im Chevron-Design ausgeführt, da sich diese Designs für hohe Drücke besser eignen.
Wohingegen die Platten des Plattenwärmeübertragers im Verdampferbereich bevorzugt Rippen im Dimple-Design aufweisen, da dieses Design für niedrigere Drücke geeignet ist.
Die Plattenpakete der Bereiche der Kompaktwärmeübertragereinheit sind zur Durchleitung von Fluiden in Abschnitten mit Doppel-, Dreifach- oder Vierfachrohren als Kanäle ausgestattet. Die Kanäle ermöglichen die Durchleitung von Fluiden im Inneren der Kompaktwärmeübertragereinheit. Dies ist beispielsweise vorteilhaft in Ausgestaltungen der Kompaktwärmeübertragereinheit, wo die Plattenpakete zwar nebeneinander angeordnet sind, die Fluidführung jedoch zunächst ein Paket überspringt und erst danach das Fluid in das übersprungene Paket zurückgeleitet wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, dass ein Trockner für das Kältemittel vorgesehen und auch in eine Platte des Plattenwärmeübertragers integriert ist. Alternativ dazu ist der Trockner am Kältemittelausgang der als Plattenwärmeübertrager ausgestalteten Kompaktwärmeübertragereinheit als separat zu fertigendes und zu montierendes Element ausgeführt.
Besonders vorteilhaft wird eine Nutzung der Abwärme des Klimaanlagenmoduls dadurch realisiert, dass der Kühlwasserkreislauf des Kondensators zur Versorgung der Klimatisierungseinheit mit Wärme geschaltet ausgeführt ist. Dabei kann die Kondensationswärme des Kältemittels als Nutzwärme innerhalb der Klimatisierungseinheit für die Erwärmung der Fahrzeugkabine bei Bedarf genutzt werden. Vorteilhaft ist der Verdichter als elektrischer Verdichter ausgeführt, wodurch das Klimaanlagenmodul lediglich einen elektrischen Anschluss aufweisen muss, welcher montagefreundlich realisiert werden kann.
Als Kältemittel werden bevorzugt brennbare beziehungsweise giftige Kältemittel wie R134a, R152a, R1234yf, R1234ze, R744, Propan, Propylen oder Ammoniak im Kältemittelkreislauf eingesetzt, die sich durch ein geringes GWP (eng. Global Warming Potential) auszeichnen und somit in Zukunft bevorzugt zum Einsatz kommen werden.
Vorteilhaft weist der Kühlwasserkreislauf des Klimaanlagenmoduls einen Niedertemperaturwärmeübertrager auf, welcher die Wärme mit relativ geringerem Temperaturniveau aus der Kondensation des Kältemittels an die Umgebung über den Niedertemperaturwärmeübertrager abführt.
Besonders bevorzugt ist der Kaltwasserkreislauf neben der Klimatisierungseinheit seriell oder parallel mit einem Batteriekühlkreislauf verbunden, sofern das Fahrzeug als Elektrofahrzeug ausgeführt ist. Somit kann das von dem Klimaanlagenmodul bereitgestellte Kaltwasser für die Kühlung der Batterien in einem gemeinsamen Batteriekühlkreislauf eingesetzt werden.
Alternativ dazu ist der Batteriekühlkreislauf innerhalb des Kältemittelkreislaufes parallel oder seriell zum Verdampferbereich der Kompaktwärmeübertragereinheit geschaltet ausgebildet. Dabei wird das Kältemittel direkt für die Kühlung der Batterien beziehungsweise des Batteriekühlkreislaufes genutzt.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Kältemittelkreislauf mit seinen Komponenten derart ausgebildet, dass er auch im Wärmepumpenmodus betreibbar ist.
In besonders vorteilhafter Weise wird durch das erfindungsgemäße Klimaanlagenmodul eine kompakte mit lediglich vier Wasseranschlüssen und einem Stromanschluss für den Verdichter versehene Komponente bereitgestellt. Der Kältemittelkreislauf ist kältemittelseitig mit dem Verdichter und den weiteren Komponenten verbunden und vollständig geschlossen, so dass keine Kältemittel führenden Verbindungen innerhalb des Kältemittelkreislaufes bei der Montage des Klimaanlagenmoduls im Kraftfahrzeug geschlossen werden müssen. Das Klimaanlagenmodul ist somit einfach montierbar und benötigt nur eine relativ geringe Kältemittelfüllmenge. Die Integration der Wärmeübertragerbereiche in eine Kompaktwärmeübertragereinheit ist kostengünstig herstellbar bei geringem Leckagerisiko, da die Verbindungsleitungen starr ausgeführt werden können und die Leckagemöglichkeiten damit reduziert sind.
Die Kompaktwärmeübertragereinheit wird zusammengefasst vorteilhaft als Komponente des wassergekühlten Kondensators mit integrierten Receiver und/oder Kondensation und/oder Unterkühlung und Isolation zwischen den Bereichen in einem Kältemittelkreislauf einer Kraftfahrzeugklimaanlage eingesetzt. Dabei kann die Komponente mit einem inneren Wärmeübertrager und/oder einer Isolation zwischen den Bereichen ausgeführt werden. Weiterhin wird die Komponente vorteilhaft mit interner oder externer Expansionseinrichtung und/oder Isolation zwischen den Bereichen ausgeführt. Eine Weiterbildung der Komponente besteht darin, dass die Komponente mit einem Verdampfer und/oder einer Isolation zwischen den Bereichen ausgeführt wird.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:

1: Schaltbild eines Klimaanlagenmoduls mit Kom paktwärm eübertragereinheit,
2: Kompaktwärmeübertragereinheit mit separatem Hochdruck-Kältemittelsammler,
3: Klimaanlagenmodul mit Wärmeübertragerbereichen sowie integriertem Hochdruck-Kältemittelsammler innerhalb der Kom paktwärm eübertragereinheit,
4: Klimaanlagenmodul mit Kompaktwärmeübertragereinheit und direkter Batteriekühlung,
5: Kompaktwärmeübertragereinheit mit Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich,
6: flüssigkeitsgekühlter Kondensator mit innerem Wärmeübertrager und integriertem Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich,
6a flüssigkeitsgekühlter Kondensator mit externem Hochdruck-Kältemittelsammler,
7: Kompaktwärmeübertragereinheit mit Transferkanal,
8: flüssigkeitsgekühlter Kondensator mit Trockner,
9: Platte mit Dreifachrohr als Kanäle in der Seitenansicht,
10: Platte mit Rippen im Chevron-Design,
11: Platte mit Rippen im Offset-Design,
12: Platte mit Rippen im Dimple-Design und
13a, 13b, 13c, 13d : Platten im Offset-Design mit Ausnehmungen.

In 1 ist das Schaltbild eines Klimaanlagenmoduls gezeigt, in dessen Zentrum sich die Kompaktwärmeübertragereinheit 1 befindet. Die Kompaktwärmeübertragereinheit 1 ist in der Darstellung in drei mit römischen Ziffern bezeichnete Bereiche der Wärmeübertragung gegliedert. Dies betrifft im Einzelnen den Verdampferbereich 2 (III), den inneren Wärmeübertragerbereich 3 (II) und den Kondensatorbereich 6 (I). Diese wärmeübertragenden Funktionsbereiche innerhalb eines Kältemittelkreislaufes sind in einer Kompaktwärmeübertragereinheit 1 zusammengefasst. Die Kompaktwärmeübertragereinheit 1 ist als Plattenwärmeübertrager aus einzelnen Wärmeübertragerplatten aufgebaut. Die einzelnen Bereiche sind aus mehreren, zu einem Plattenpaket zusammengefassten Platten zusammengefasst.
Die Plattenpakte der einzelnen Funktionsbereiche sind schließlich zusammengefasst in einem Plattenwärmeübertrager, der als einteilige Komponente ausgebildet ist.
Der Kondensatorbereich 6 ist innerhalb der Kompaktwärmeübertragereinheit 1 als flüssigkeitsgekühlter beziehungsweise wassergekühlter Kondensator ausgestaltet.
Die Expansionseinrichtung kann zwischen dem inneren Wärmeübertrager 3 (II) und dem Verdampferbereich 2 (III) in die Komponente der Kompaktwärmeübertragereinheit 1 integriert beziehungsweise separat, wie dargestellt, angeordnet sein.
Der Kältemittelkreislauf des Klimaanlagenmoduls umfasst die üblichen Komponenten, den Verdichter 7, den Kondensatorbereich 6, den inneren Wärmeübertragerbereich 3, ein nicht näher bezeichnetes Expansionsorgan sowie den Verdampferbereich 2. Nach dem Verdampferbereich 2 wird der Kältemittelkreislauf über den inneren Wärmeübertrager 3 hin zum Verdichter 7 in üblicher Weise geschlossen. Die dargestellte Schaltung des Kältemittelkreislaufes beinhaltet einen Funktionsbereich für einen inneren Wärmeübertrager, welcher nicht in jeder Konstellation für alle Kältemittel eingesetzt werden muss und somit innerhalb des Kältemittelkreislaufes alternativen Charakter aufweist. Der innere Wärmeübertragerbereich 3 ist bevorzugt als Unterkühlungsgegenströmer geschaltet und wird auch als IHX bezeichnet.
Das Klimaanlagenmodul versorgt das Fahrzeug mit Kälte und gegebenenfalls mit Wärme, wobei in der Kälteanlagenschaltung der Kaltwasserkreislauf 8 mit einer nicht näher bezeichneten Pumpe Kaltwasser aus dem Verdampferbereich 2 in die Klimatisierungseinheit 14 und dort in den Kühler/Heizer 13 fördert. In der Kälteanlagenschaltung bei aktivem Kaltwasserkreislauf 8 arbeitet der Wärmeübertrager der Klimatisierungseinheit 14 als Kühler 13. In Betriebszuständen des Fahrzeuges, in welchen eine zusätzliche Heizung gewünscht wird, wird die Klimatisierungseinheit 14 über den Kühlwasserkreislauf 12 mit Wärme versorgt, so dass der Wärmeübertrager der Klimatisierungseinheit 14 in diesem Fall als Heizer 13 arbeitet. Der Kühlwasserkreislauf 12 nimmt im Betrieb die Wärme des Kältemittelkreislaufes aus dem Kondensatorbereich 6 auf und führt diese über einen Niedertemperaturwärmeübertrager 11 beispielsweise an die Umgebung ab.
In 2 ist das Klimaanlagenmodul mit der Kompaktwärmeübertragereinheit 1 mittels separatem Hochdruck-Kältemittelsammler 15 dargestellt. Die Kompaktwärmeübertragereinheit 1 weist in der dargestellten Ausführungsform vier funktional getrennte Wärmeübertragerbereiche auf. Dabei handelt es sich um den Verdampferbereich 2 sowie den inneren Wärmeübertragerbereich 3 gemäß der Darstellung vergleichbar aus 1 sowie dem Kondensatorbereich 6. Als zusätzlicher Funktionsbereich für die Wärmeübertragung ist der Unterkühlungsbereich 4 als eigener Bereich der Kompaktwärmeübertragereinheit 1 funktional getrennt ausgestaltet. Die Bereiche werden voneinander thermisch isoliert und getrennt durch Isolationsplatten 16, welche zwischen den Bereichen angeordnet sind. Innerhalb der Kompaktwärmeübertragereinheit 1 sind Fluidverbindungen zwischen den einzelnen in der Abfolge miteinander in Verbindung stehenden Bereichen integriert, so dass in vorteilhafter Weise keine außen liegenden Verbindungsleitungen zwischen den Funktionsbereichen der Kompaktwärmeübertragereinheit 1 zu sehen sind. Dies bietet den großen Vorteil, dass durch die kurzen und in die Kompaktwärmeübertragereinheit 1 integrierten Verbindungsleitungen das Leckagerisiko deutlich senken und darüber hinaus auch eine sehr montagefreundliche Einheit des Kompaktwärmeübertragers 1 innerhalb des Klimaanlagenmoduls zur Verfügung gestellt werden kann. Im Kältemittelkreislauf ist weiterhin ein Hochdruck-Kältemittelsammler 15 angeordnet, der auch als Receiver bezeichnet wird. Der Hochdruck-Kältemittelsammler 15 ist in der schematisierten Darstellung gemäß 2 als separate Komponente in der Art einer Flasche in üblicher Weise ausgestaltet. Der Kältemittelkreislauf wird komplettiert durch den Verdichter 7 sowie das Expansionsorgan, welches als Expansionsventil 9 zwischen dem inneren Wärmeübertragerbereich 3 und dem Verdampferbereich 2 angeordnet ist. Die Kältemittelverbindungsleitungen sowie auch das Expansionsventil 9 sind in besonderer Weise kompakt in die Kompaktwärmeübertragereinheit 1 integriert. Die Klimatisierungseinheit 14 wird über den Kaltwasserkreislauf 8 mit einer nicht näher bezeichneten Kaltwasserpumpe aus dem Verdampferbereich 2 mit kaltem Wasser zur Klimatisierung der Fahrzeugkabine eines Fahrzeuges versorgt.
In 3 ist ein Klimaanlagenmodul gezeigt, welches über einen zusätzlichen Funktionsbereich innerhalb der Kompaktwärmeübertragereinheit 1 verfügt. Dabei ist in funktionaler Ergänzung und konstruktiver Ausgestaltung gegenüber dem Klimaanlagenmodul nach 2 nunmehr auch der Funktionsbereich des Hochdruck-Kältemittelsammlers als Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich 5 in die Kompaktwärmeübertragereinheit 1 integriert ausgebildet. Zwischen den Funktionsbereichen sind wiederum Isolationsplatten 16 angeordnet, um die bei unterschiedlichem Temperaturniveau betriebenen Wärmeübertragerbereiche voneinander thermisch zu isolieren.
Im Unterschied zur Darstellung nach 2 ist in 3 auch der Kühlwasserkreislauf 12 mit dem Niedertemperaturwärmeübertrager 11 dargestellt, welcher den Kondensatorbereich 6 sowie den Unterkühlungsbereich 4 innerhalb des Kühlwasserkreislaufes 12 mit dem Niedertemperaturwärmeübertrager 11 verbindet.
In 4 ist schließlich ein Klimaanlagenmodul mit einer Kompaktwärmeübertragereinheit 1 dargestellt, welches in einer Konfiguration der Kompaktwärmeübertragereinheit 1 ähnlich 2 mit einem separaten Hochdruck-Kältemittelsammler 15 arbeitet. In der dargestellten Ausführungsform ist ein zusätzlicher Batteriekühlkreislauf 10 vorgesehen, welcher mit dem Kältemittel direkt die Batterien des Elektrofahrzeuges gemäß Anforderung der Fahrzeugsteuerung kühlen kann. Die Klimatisierungseinheit 14 mit dem Kaltwasserkreislauf 8 ist prinziphaft dargestellt wohingegen der Kühlwasserkreislauf in 4 nicht explizit dargestellt ist.
Alternativ zur direkten Kühlung der Batterien durch den Kältemittelkreislauf können die Batterien auch indirekt mit dem Kaltwasserkreislauf 8 gekühlt werden.
Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung des Klimaanlagenmoduls durch die montagefreundliche Ausführung mit letztlich nur Anschlüssen für zwei Wasserkreisläufe mit jeweils einer Zuführung und einer Abführung sowie einem Elektroanschluss für den elektrischen Verdichter.
In 5 ist eine Kompaktwärmeübertragereinheit 1, bestehend aus drei Plattenpakten dargestellt. Ein Plattenpaket wird vom Kondensatorbereich 6 gebildet, ein weiteres Plattenpaket wird durch den Unterkühlungsbereich 4 gebildet und ergänzt wird der Plattenwärmeübertrager durch das Plattenpaket des Hochdruck-Kältemittelsammlerbereiches 5. Die einzelnen Plattenpakte sind jeweils durch eine Isolationsplatte 16 thermisch voneinander isoliert. Die beiden Wärmeübertragerbereiche, der Kondensatorbereich 6 und der Unterkühlungsbereich 4 wirken als wasser- beziehungsweise flüssigkeitsgekühlter Kondensator und als Unterkühler. Das Kältemittel tritt am Kältemitteleingang bei Hochdruck 18 in den Kondensatorbereich 6 oben am Kopf ein und strömt nach unten im Gegenstrom zum Kühlwasser, welches am Kühlmitteleingang 20 unten in den Kondensatorbereich 6 einströmt. Das kondensierte Kältemittel gelangt vom Boden des Kondensatorbereiches 6 über eine vertikal am Boden in die Kompaktwärmeübertragereinheit integrierte Kältemittelleitung zum Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich 5, in welchem das flüssige kondensierte Kältemittel gesammelt wird und nach oben aus der Leitung austritt und damit den Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich 5 von unten füllt. Aus dem Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich 5 wird das flüssige Kältemittel in den benachbarten Unterkühlungsbereich 4 geleitet, in welchem dieses am Boden des Plattenpaketes austritt und nach oben zum Kopfende des Unterkühlungsbereiches 4 strömt und von welchem es über den Kältemittelausgang Hochdruck 19 abgeleitet wird. Im Unterkühlungsbereich 4 strömt das Kühlmittel von unten nach oben und somit im Gleichstrom mit dem Kältemittel und gelangt am Kopfende über entsprechende Kühlmittelleitungen zum Kühlmittelausgang 21 gemeinsam mit dem Kühlmittel aus dem Kondensatorbereich 6. Die Kompaktwärmeübertragereinheit 1 ist damit im ersten Schritt als wassergekühlter Kondensator ausgebildet, der mit einem Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich 5, auch Receiver genannt, kombiniert ist. Die Integration des Receivers in den wassergekühlten Kondensator führt zu einer vorteilhaften Platzersparnis und zudem kann eine Modulbauweise angewandt werden, welche zu einer Verringerung der Kältemittel- und Kühlmittelverbindung zwischen den einzelnen Komponenten führt. Durch beide Maßnahmen können Bauvolumen und Kosten eingespart werden.
In der Kompaktwärmeübertragereinheit 1 werden in den Plattenpaketen verschiedene Arten von Rippen verwendet. Die Rippen sind in verschiedenem Design gestaltet, beispielsweise als Offset-Design, im Dimple-Design oder im Chevron-Design. Diese Designs können kombiniert sein, zum Beispiel auf der Hochdruckseite als Offset fin oder Chevron fin und auf der Niederdruckseite im Dimple Design. Im integrierten Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich 5 können die Offset fin Kanäle als Ausnehmungen in runder Form, in Langloch Form, im Schlangen- oder Tannenbaumdesign ausgestaltet sein, um ein möglichst großes Volumen der Kältemittelspeicherung zu ermöglichen. Um die Stabilität der Komponente zu erhöhen, kann im integrierten Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich 5 das Design der Rippen wechseln.
In 6 ist ein flüssigkeitsgekühlter Kondensator mit einem inneren Wärmeübertrager als Kompaktwärmeübertragereinheit 1 gezeigt. Der Plattenwärmeübertrager als Kompaktwärmeübertragereinheit 1 wird im Unterschied zu der Ausgestaltung nach 5 nun in 6 ergänzt um einen inneren Wärmeübertragerbereich 3 als Plattenpaket. In Ergänzung zur Funktions- und Ausgestaltungsweise nach 5 ist durch den inneren Wärmeübertragerbereich 3 der Kompaktwärmeübertragereinheit 1 funktionsgemäß für die innere Wärmeübertragung vom Hochdruck- auf den Niederdruckbereich des Kältmittelkreislaufes ein Kältmitteleingang Niederdruck 22 am Boden des inneren Wärmeübertragerbereiches 3 sowie ein Kältmittelausgang Niederdruck 23 am Kopfende des inneren Wärmeübertragerbereiches 3 angeordnet. Die Kältmittelströme sind in der vorliegenden Ausgestaltung eines Unterkühlungsgegenströmers im Gegenstrom ausgeführt. Dazu wird das Kältmittel aus dem Unterkühlungsbereich 4 vom Kopfende direkt zum Kopfende des inneren Wärmeübertragerbereiches 3 geführt und wird am Boden durch den Kältmittelausgang Hochdruck 19 aus der Kompaktwärmeübertragereinheit 1 abgeführt. In diesem zweiten Schritt wird der wassergekühlte Kondensator nunmehr durch die Integration des inneren Wärmeübertragers und die Integration des Receivers und gegebenenfalls auch eines Trockners zur Kompaktwärmeübertragereinheit 1 erweitert. Bis auf den Verdampfer sind nunmehr alle Wärmeübertragerbereiche des Kältemittelkreislaufes in die Kompaktwärmeübertragereinheit 1 integriert.
Vorteilhaft ist je nach Anwendungsgebiet und baulicher Umsetzung der Klimaanlage im Kraftfahrzeug die nicht dargestellte Integration des Verdampferbereiches zur Kälteerzeugung in die Kompaktwärmeübertragereinheit 1.
6a zeigt eine alternative Ausgestaltung zum Kondensator nach 6.
Die Kompaktwärmeübertragereinheit 1 besteht dabei aus dem Kondensatorbereich 6, dem Unterkühlungsbereich 4 und dem inneren Wärmeübertragerbereich 3, bei dem die Bereiche 6, 4, 3 durch Isolationsplatten 16 voneinander thermisch isoliert sind. Der Hochdruck-Kältemittelsammler 15 ist, im Unterschied zur Ausgestaltung nach 6, als externer Sammler ausgeführt.
In 7 ist eine Kompaktwärmeübertragereinheit 1 mit zwei Wärmeübertragerbereichen und einem Funktionsbereich als Sammlerbereich für das Kältemittel ähnlich der Ausgestaltung nach 5 gezeigt. Ein Kondensatorbereich 6, ein Unterkühlungsbereich 4 sowie ein Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich 5 sind als Plattenpakete nebeneinander angeordnet und zu einem Plattenwärmeübertrager zusammengefasst. Zwischen dem Kondensatorbereich 6 und dem Unterkühlungsbereich 4 ist ein Transferkanal 17 ausgebildet, in welchem das Kältemittel von der unteren Seite der Kompaktwärmeübertragereinheit 1 auf die obere Seite der Kompaktwärmeübertragereinheit 1 geleitet wird. Dabei wird das Kältemittel im unteren Teil des Wärmeübertragerbereiches aufgenommen und gesammelt und horizontal in den angrenzenden Transferkanal 17 gefördert, in welchem das Kältemittel vertikal nach oben in den oberen Bereich der Kompaktwärmeübertragereinheit 1 gefördert wird. Im oberen Bereich wird das Kältemittel horizontal zum Verteiler im entsprechenden Wärmeübertragerbereich gefördert und im vorliegenden Fall im Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich 5 im oberen Bereich verteilt. Der Transferkanal 17 ist zum angrenzenden Unterkühlungsbereich 4 hin mittels einer Isolationsplatte 16 thermisch isoliert ausgebildet wohingegen zum Kondensatorbereich 6 hin keine Isolationsplatte 16 angeordnet ist. In der dargestellten Kompaktwärmeübertragereinheit 1 erfolgt der Kältemitteleingang Hochdruck 18 in den Kondensatorbereich 6 im oberen Bereich am Kopf des Plattenwärmeübertragers. Das Kältemittel wird im unteren Bereich gesammelt und über den Transferkanal 17 vertikal in den oberen Bereich geleitet, wo das Kältemittel horizontal in den Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich 5 geleitet und dort verteilt wird. Im unteren Bereich des Hochdruck-Kältemittelsammlerbereiches 5 wird das Kältemittel gesammelt und horizontal in den unteren Bereich des Unterkühlungsbereiches 4 geleitet, wo das Kältemittel verteilt und im oberen Bereich die Kompaktwärmeübertragereinheit 1 über den Kältemittelausgang Hochdruck 19 verlässt. Das Kühlmittel, üblicherweise Wasser oder ein Wasser-Glykol-Gemisch, wird der Kompaktwärmeübertragereinheit 1 über den Kühlmitteleingang 20 im unteren Bereich des Kondensatorbereiches 6 und des Unterkühlungsbereiches 4 zugeführt, im oberen Bereich der Wärmeübertragerbereiche gesammelt und über den Kühlmittelausgang 21 abgeführt. Das Prinzip des Transferkanales 17 besteht in der Nutzung eines Wärmeübertragerplattenbereiches zur vertikalen Förderung des Fluids vom Boden eines Bereiches zum Kopf des anderen Bereiches, wobei Kältemittel oder auch Kühlmittel im Transferkalal gefördert werden können. Der Wärmeübertragerplattenbereich kann dabei je nach benötigtem Volumenstrom auf eine Wäremübertragerplatte reduziert sein. Je nach Einsatzfall sollte die Wärmeübertragerplatte für den Transferkanal 17 seitlich begrenzt werden durch eine Isolationsplatte 16, um thermodynamische Nachteile durch die Wärmeübertragung aus dem Transferkanal 17 an die benachbarten Bereiche zu vermeiden.
In 8 ist eine Kompaktwärmeübertragereinheit 1 schematisiert mit dem Kältemitteleingang Hochdruck 18 am Kopf des nicht näher bezeichneten Kondensatorbereiches gezeigt. Das Kühlmittel wird am Boden der Kompaktwärmeübertragereinheit 1 über den Kühlmitteleingang 20 eingeführt und am Kopf der Kompaktwärmeübertragereinheit 1 über den Kühlmittelausgang 21 wieder abgeführt. Die Besonderheit der dargestellten Ausführung besteht in dem Plattendesign des Trockners 24, welcher unmittelbar an der Kompaktwärmeübertragereinheit 1 angeordnet ist und an dessen Kopfende auch der Kältemittelausgang Hochdruck 19 angeordnet ist. Damit wird eine separate Trockner 24 Integration an der Kompaktwärmeübertragereinheit 1 ausgestaltet, welche den Vorteil hat, dass die Austauschbarkeit des Trockners 24 durch diese konstruktive separierte Ausgestaltung ohne großen Aufwand möglich ist.
Die bevorzugte Strömungsgestaltung des Kühlmittels in der Kompaktwärmeübertragereinheit 1 ist die einflutige Ausgestaltung, wobei jedoch die mehrflutige Ausgestaltung gleichfalls mit der Kompaktwärmeübertragereinheit 1 realisierbar ist.
Die Kältemittelströmung ist in zwei Fluten ausgeführt, eine Strömung für die Kondensation und eine für die Unterkühlung, wobei auch hier ein mehrflutiges Design möglich ist. Die bevorzugte Strömung des Kältemittels während der Kondensation erfolgt vom Kopf zum Boden und es können doppelt oder dreifache Rohre für den Transfer des Kältemittels im Transferkanal 17 eingesetzt werden.
9 zeigt eine Platte des Plattenwärmeübertragers in der Seitenansicht. Im unteren Bereich der Platte sind drei Kanäle 25 dargestellt, die in die Bildebene hinein verlaufen. Die Kanäle 25 sind gebildet durch mindestens ein koaxiales Zweifachrohr. Die dargestellte Ausführungsform zeigt ein Dreifachrohr, wodurch sich im Inneren des Rohres mit dem kleinsten Durchmesser und zwischen den beiden weiteren Rohren insgesamt drei Kanäle 25, wie dargestellt, ausbilden. Alternativ können die Kanäle 25 auch nebeneinander oder als Segmente eines Kreises ausgeführt sein. Je nach Ausgestaltung gestatten die Kanäle 25 die Hindurchleitung von Fluiden durch Plattenpakete oder Bereiche, ohne Rohre oder Kanäle außerhalb des Plattenwärmeübertragers verwenden zu müssen. Somit entsteht durch die Integration der Kanäle 25 in das Innere des Plattenwärmeübertragers eine besonders kompakte Komponente, die eine Fehlmontage durch vorgefertigte Fluidverbindungen im Inneren des Wärmeübertragers verhindert und die sehr robust ausgeführt ist.
In 10 ist eine Platte eines Plattenwärmeübertragers mit Rippen 26 dargestellt, wobei im unteren Bereich der Darstellung zwei Kanäle 25 sichtbar sind. Die Struktur der Rippen 26 entspricht dem Chevron-Design, welches auch für hohe Drücke geeignet ist.
In 11 ist eine Platte eines Plattenwärmeübertragers mit Rippen 26 dargestellt, wobei seitlich jeweils zwei Kanäle 25 sichtbar sind. Die Struktur der Rippen 26 entspricht dem Offset-Design, welches besonders für hohe Drücke geeignet ist. Eine Besonderheit besteht darin, dass die Rippen 26 im Offset-Design als Einlageplatten 27 ausgeführt sind, die zwischen zwei seitlichen Platten des Plattenwärmeübertragers eingelegt und mit diesen verbunden, vorzugsweise verlötet oder verschweißt, werden. Die wärmeübertragenden Fluide strömen zwischen den seitlichen Platten durch die Einlageplatte 27 hindurch.
In 12 ist eine Platte eines Plattenwärmeübertragers mit Rippen 26 dargestellt, die als Dimple-Design bezeichnet werden. Dieses Design besteht aus noppenartigen Erhebungen der Platten, welche jeweils mit der benachbarten Platte verbunden sind. Dadurch ergibt sich über die Fläche der Platte eine Vielzahl von Verbindungspunkten, die auch als Strömungseinbauten wirken. Das Dimple-Design ist für geringere Drücke, beispielsweise auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes, einsetzbar.
In 13 sind mit den Varianten gemäß 13a, 13b, 13c und 13d vorteilhafte Ausgestaltungen von Offset-Design Einlageplatten 27 gemäß 11 beispielhaft dargestellt. Die Einlageplatten 27 weisen Ausnehmungen 28 auf, welche das Volumen zwischen den seitlichen Platten vergrößern. Die Ausnehmungen 28 werden als Strukturen oder Muster in Einlageplatten 27 im integrierten Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich der Kompaktwärmeübertragereinheit eingebracht. Die Ausnehmungen werden in runder Form, in Langloch Form, im Schlangen- oder Tannenbaumdesign ausgestaltet, um ein abgestimmtes ausreichend großes Volumen für die Kältemittelspeicherung innerhalb des integrierten Hochdruck-Kältemittelsammlerbereiches zu ermöglichen.
13a zeigt Ausnehmungen 28 in einer Offset-Design Einlageplatte 27 im Tannenbaumdesign. Die Ausnehmungen 28 sind in gleichmäßiger Anordnung über die Fläche der Einlageplatte 27 zwischen den Platzhaltern für die Kanäle 25 verteilt. Die Spaltbreite der Ausnehmungen 28 wie dargestellt beträgt zirka 3 mm.
13b zeigt Ausnehmungen 28 in einer Offset-Design Einlageplatte 27 als schräg verlaufende Kanäle, welche gleichfalls etwa 3 mm Breite aufweisen. 13c zeigt Ausnehmungen 28 in einer Offset-Design Einlageplatte 27 im Langlochdesign. Die Ausnehmungen 28 sind auch hier in gleichmäßiger Anordnung über die Fläche der Einlageplatte 27 zwischen den Platzhaltern für die Kanäle 25 verteilt. Die Ausgestaltung zeigt eine Ausrichtung der Langlöcher in Längsrichtung mit versetzter Anordnung, wobei eine wechselnde Ausrichtung oder die Ausrichtung in Querrichtung vorteilhafte Alternativen darstellen. 13d zeigt kreisrunde Ausnehmungen 28 in einer Offset-Design Einlageplatte 27 in Reihen mit versetzter Anordnung.
Bezugszeichenliste

1: Kompaktwärmeübertragereinheit
2: Verdampferbereich
3: Innerer Wärmeübertragerbereich
4: Unterkühlungsbereich
5: Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich
6: Kondensatorbereich
7: Verdichter
8: Kaltwasserkreislauf
9: Expansionsorgan, Expansionsventil
10: Batteriekühlkreislauf
11: Niedertemperaturwärmeübertrager
12: Kühlwasserkreislauf
13: Kühler/Heizer
14: Klimatisierungseinheit
15: Hochdruck-Kältemittelsammler
16: Isolationsplatte
17: Transferkanal
18: Kältemitteleingang Hochdruck
19: Kältemittelausgang Hochdruck
20: Kühlmitteleingang
21: Kühlmittelausgang
22: Kältemitteleingang Niederdruck
23: Kältemittelausgang Niederdruck
24: Trockner
25: Kanal
26: Rippe
27: Offset-Design Einlageplatte
28: Ausnehmungen

Claims

Kompaktwärmeübertragereinheit (1) in Kraftfahrzeugklimaanlagen für die flüssigkeitsgekühlte Kondensation des Kältemittels, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensatorbereich (6) für die Kondensation des Kältemittels als Wärmeübertragungsfläche und ein Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich (5) als Sammler für das Kältemittel als Plattenpakete eines Wärmeübertragers in einem Plattenwärmeübertrager zusammengefasst ausgebildet sind.
Kompaktwärmeübertragereinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kondensatorbereich (6) nachgeschaltet ein separater Unterkühlungsbereich (4) für die Unterkühlung des Kältemittels ausgebildet und als Plattenpaket in die Kompaktwärmeübertragereinheit (1) integriert angeordnet ist.
Kompaktwärmeübertragereinheit (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensatorbereich (6), der Unterkühlungsbereich (4) und der Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich (5) nebeneinander als Plattenpakte eines Plattenwärmeübertragers angeordnet sind, wobei das Kältemittel nach Durchströmung des Kondensatorbereiches (6) in den Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich (5) geleitet und gesammelt wird und danach in den Unterkühlungsbereich (4) geführt wird.
Kompaktwärmeübertragereinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich (5) der Kompaktwärmeübertragereinheit (1) von unten füll- und entleerbar ausgebildet ist.
Kompaktwärmeübertragereinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdampferbereich (2), ein Innerer Wärmeübertragerbereich (3) und ein Kondensatorbereich (6) als Plattenpakete ausgebildet und im einteiligen Plattenwärmeübertrager zusammengefasst angeordnet sind.
Kompaktwärmeübertragereinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Filter und/oder ein Trockner (24) und/oder ein Expansionsorgan (9) in die Kompaktwärmeübertragereinheit (1) integriert ausgebildet ist/sind.
Kompaktwärmeübertragereinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragerbereiche (2, 3, 4, 6) und der Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich (5) der Kompaktwärmeübertragereinheit (1) thermisch voneinander isoliert ausgebildet sind, wobei zwischen den Bereichen (2, 3, 4, 5, 6) eine Isolationsplatte (16) angeordnet ist.
Kompaktwärmeübertragereinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Bereichen (2, 3, 4, 5, 6) der Kompaktwärmeübertragereinheit (1) ein Transferkanal (17) als Plattenpaket des Plattenwärmeübertragers zur Leitung des Kältemittels von einer Unterseite zu einer Oberseite der Kompaktwärmeübertragereinheit (1) angeordnet ist.
Kompaktwärmeübertragereinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten, die Plattenpakete und die Bereiche (2, 3, 4, 5, 6) der Kompaktwärmeübertragereinheit (1) miteinander verlötet sind.
Kompaktwärmeübertragereinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten des Plattenwärmeübertragers Rippen (26) aufweisen, die im Offset-, im Dimple- oder im Chevron-Design ausgestaltet sind, wobei Rippen im Offset-Design als Einlageplatte (27) zwischen zwei Platten ausgeführt sind.
Kompaktwärmeübertragereinheit (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten des Plattenwärmeübertragers im Hochdruck-Kältemittelsammlerbereich (5) Rippen als Einlageplatte (27) im Offset-Design aufweisen, wobei die Einlageplatte (27) Ausnehmungen (28) zur Volumenvergrößerung des Hochdruck-Kältemittelsammlerbereiches (5) aufweisen, die eine Mäander-, Tannenbaum- oder Langlochstruktur besitzen und die Einlageplatten (27) mit den Platten über eine Vielzahl von Kontaktpunkten verbunden sind.
Kompaktwärmeübertragereinheit (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur der Einlageplatten (27) mit den Ausnehmungen (28) zur Volumenvergrößerung des Hochdruck-Kältemittelsammlerbereiches (5) bei nebeneinander angeordneten Platten zur Verbesserung der Druckfestigkeit wechselt.
Kompaktwärmeübertragereinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten des Plattenwärmeübertragers im Inneren Wärmeübertragerbereich (3) auf der Niederdruckseite Rippen (26) im Dimple-Design und auf der Hochdruckseite Rippen als Einlagen im Offset-Design aufweisen.
Kompaktwärmeübertragereinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten des Plattenwärmeübertragers im Kondensatorbereich (6) und im Unterkühlungsbereich (4) Rippen als Einlagen im Offset-Design und/oder Rippen (26) im Chevron-Design aufweisen.
Kompaktwärmeübertragereinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten des Plattenwärmeübertragers im Verdampferbereich (2) Rippen (26) im Dimple-Design aufweisen.
Kompaktwärmeübertragereinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattenpakete der Bereiche (2, 3, 4, 5, 6) der Kompaktwärmeübertragereinheit (1) zur Durchleitung von Fluiden Abschnitte mit Doppel-, Dreifach- oder Vierfachrohren als Kanäle (25) aufweisen.
Klimaanlagenmodul, insbesondere für Elektrofahrzeuge, mit einem Kältemittelkreislauf, wobei der Kältemittelkreislauf einen Verdichter (7), ein Expansionsorgan (9) sowie mindestens zwei Wärmeübertrager als Verdampfer und Kondensator aufweist und dass am Klimaanlagenmodul Anschlüsse für einen Kaltwasserkreislauf (8) zur Versorgung einer Klimatisierungseinheit (14) und Anschlüsse für einen Kühlwasserkreislauf (12) zur Kühlung des Kältemittels am Klimaanlagenmodul ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertrager als Wärmeübertragerbereiche in einer Kompaktwärmeübertragereinheit (1) zusammengefasst ausgebildet sind und dass die Kompaktwärmeübertragereinheit (1) als einteiliger Plattenwärmeübertrager ausgebildet ist.
Klimaanlagenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlwasserkreislauf (12) zur Versorgung der Klimatisierungseinheit (14) mit Wärme geschaltet ausgeführt ist.
Klimaanlagenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (7) als elektrischer Verdichter ausgeführt ist und das Klimaanlagenmodul einen elektrischen Anschluss aufweist.
Klimaanlagenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass als Kältemittel R134a, R152a, R1234yf, R1234ze, R744, Propan, Propylen oder Ammoniak im Kältemittelkreislauf einsetzbar sind.
Klimaanlagenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlwasserkreislauf (12) einen Niedertemperaturwärmeübertrager (11) aufweist.
Klimaanlagenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Kaltwasserkreislauf (8) neben der Klimatisierungseinheit (14) seriell oder parallel mit einem Batteriekühlkreislauf (10) verbunden ist.
Klimaanlagenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Batteriekühlkreislauf (10) innerhalb des Kältemittelkreislaufes parallel zum Verdampferbereich (2) der Kompaktwärmeübertragereinheit (1) geschaltet ausgebildet ist.
Klimaanlagenmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Trockner (24) am Kältemittelausgang der Kompaktwärmeübertragereinheit (1) als separat zu fertigendes und zu montierendes Element ausgeführt ist.