DE102012110701A1

DE102012110701A1 - Wärmeübertrager für einen Kältemittelkreislauf

Info

Publication number: DE102012110701A1
Application number: DE102012110701.7A
Authority: DE
Inventors: Peter Heyl; Tobias Haas; Marc Graaf; Milan Moravek; Jiri Dobner; Ján Greguš-Kollár
Original assignee: Halla Visteon Climate Control Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2012-11-08
Filing date: 2012-11-08
Publication date: 2014-05-08
Also published as: WO2014073887A1; KR20160128461A; US20150251517A1; JP6483607B2; CN104364598B; KR101766617B1; KR20150008075A; JP2015518952A; CN104364598A; US10017028B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen bidirektional durchströmbaren Wärmeübertrager (1) eines Kältemittelkreislaufes einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges. Die Klimaanlage ist für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Heizmodus und der Wärmeübertrager (1) ausgebildet, wobei die Strömungsrichtung des Kältemittels vom Betriebsmodus abhängig ist. Ein erster, mehrflutig ausgebildeter Wärmeübertrager (1) weist Sammelrohre (2, 3), Strömungspfade, welche jeweils zu einer Flut zugeordnet sind, und Mittel zur Unterteilung des inneren Volumens mindestens eines Sammelrohres (2, 3) in voneinander unabhängige Bereiche auf. Die erste Flut des Wärmeübertragers (1) ist mit einem größeren Strömungsquerschnitt sowie einer größeren Wärmeübertragungsfläche als die letzte Flut ausgebildet. Bei einem zweiten Wärmeübertrager (1) ist ein Kältemitteldurchlass (4) mit einem Anschlussblock (28) für den Anschluss einer Kältemittelleitung (27) ausgebildet, wobei zwischen dem Sammelrohr (2) und dem Anschlussblock (28) eine als zusätzliche Fluid-Verbindung zum Kältemitteldurchlass (4) ausgebildete Kurzschlussleitung (29) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung zur Unterteilung des inneren Volumens eines Sammelrohres (2, 3) eines Wärmeübertragers (1). Innerhalb des Sammelrohres (2, 3) ist mindestens ein bewegliches Trennelement (13, 13') angeordnet, welches auf dem Differenzdruckprinzip basierend ausgebildet ist und je nach Ausrichtung innerhalb des Sammelrohres (2, 3) und anliegender Druckdifferenz eine Öffnung freigibt oder verschließt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager eines Kältemittelkreislaufes einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges. Der Wärmeübertrager weist Sammelrohre auf und ist mehrflutig sowie bidirektional durchströmbar ausgebildet. Die Klimaanlage ist für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Heizmodus vorgesehen. Die Strömungsrichtung des Kältemittels im Inneren des Wärmeübertragers ist vom Betriebsmodus abhängig. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zur Unterteilung des inneren Volumens des Sammelrohres und zur Strömungsumlenkung des Fluids im Sammelrohr eines Wärmeübertragers.
Herkömmliche Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen sind als kombinierte Kälteanlagen- und Wärmepumpensysteme ausgebildet. Der im Kälteanlagenmodus als Kondensator zur Wärmeabgabe vom Kältemittel an die Umgebungsluft vorgesehene Wärmeübertrager wird im Wärmepumpenmodus als Verdampfer zur Wärmeaufnahme aus der Umgebungsluft betrieben.
Nach dem Stand der Technik sind als Kondensatoren eingesetzte Wärmeübertrager als mehrflutige Wärmeübertrager, beispielsweise mit einer Unterkühlstrecke und einem integrierten Hochdrucksammler, ausgebildet. Im Kältemittelkreislauf von automobilen Klimaanlagen weisen die Kondensatoren üblicherweise zwei oder vier Fluten auf. Die wärmeübertragende Fläche wird aus Flachrohrprofilen ausgebildet, welche luftseitig mittels Rippen verbunden werden. Bei der Herstellung des Wärmeübertragers werden die Flachrohrprofile kältemittelseitig mit beiden Enden in geschlitzte Sammelrohre eingesteckt und verlötet. Zur Umlenkung der Richtung des Kältemittelmassenstromes sind Trennelemente vorgesehen. In die Außenseite des Sammelrohrs wird an der Position der gewünschten Umlenkung ein Schlitz in die Wandung eingebracht, beispielsweise durch Fräsen oder Stanzen, und der Strömungsquerschnitt des Sammelrohrs mit einem gestanzten Plättchen verschlossen. Das Plättchen entspricht dabei dem Trennelement. Mittels der Verwendung der Trennelemente wird der Wärmeübertrager zum Beispiel in zwei oder vier Teilbereiche, die sogenannten Fluten, aufgeteilt. Der Einsatz einer Anzahl n Trennelemente bewirkt die Aufteilung des Wärmeübertragers kältemittelseitig in eine Anzahl von n + 1 Fluten. Speziell bei Wärmeübertragern, welche beim Betrieb im Kälteanlagenmodus von Klimaanlagen als Kondensatoren eingesetzt werden, gehört bei Systemen mit thermostatischen Expansionsventilen ein zwischen der vorletzten und der letzten Flut angeordneter Hochdrucksammler zum Stand der Technik. Der Sammler ist am Kondensator angeordnet ausgebildet. Im Sammler werden die Phasen des fast vollständig kondensierten Kältemittels voneinander getrennt. Das abgeschiedene flüssige Kältemittel strömt im Anschluss durch die letzte Flut des Kondensators. Die letzte Flut wird damit bevorzugt mit flüssigem Kältemittel beaufschlagt, welches eine deutlich höhere Dichte als das gasförmige Kältemittel aufweist und einen geringeren Strömungsquerschnitt als das Zwei-Phasen-Gemisch benötigt. Aus diesem Grund wird im Stand der Technik die letzte Flut als Unterkühlstrecke mit signifikant weniger Flachrohren als die vorherigen Fluten ausgebildet. Zusätzlich kann der Kondensator ein Filtersieb und ein Trocknungsmittel aufweisen.
Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufes im Wärmepumpenmodus wird der gleiche Wärmeübertrager als Verdampfer genutzt. Dabei wird das Kältemittel auf ein Druckniveau expandiert, dessen zugehörige Sättigungstemperatur niedriger ist als die Temperatur der Umgebungsluft. Das Kältemittel nimmt dabei Wärme aus der Umgebungsluft auf und verdampft. Das expandierte zweiphasige Kältemittel durchströmt die ursprüngliche Unterkühlstrecke und verdampft. Dieser Abschnitt des nunmehr als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers, welcher eigentlich für die Durchströmung mit flüssigem Kältemittel und erheblich größerer Dichte mit einer geringen Flachrohranzahl und somit geringerem Strömungsquerschnitt ausgelegt ist, wird im Wärmepumpenmodus einen sehr hohen Druckverlust aufweisen, da sich mit zunehmender Verdampfung die Dichte des Kältemittels verringert. Aufgrund des niedrigen Druckniveaus ist die Dichte des Kältemittels beim Betrieb im Wärmepumpenmodus auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes sehr gering, sodass zusätzliche Strömungsdruckverluste die Leistungsfähigkeit und die Effizienz des Wärmepumpensystems signifikant negativ beeinflussen.
Zudem besteht beim Betrieb von Wärmepumpen mit einem Kältemittelkreislauf und Umgebungsluft als Wärmequelle bei Umgebungstemperaturen von weniger als 0°C die Gefahr des Vereisens der Wärmeübertragungsflächen des als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers. Die mehrflutige Konstruktion des Wärmeübertragers, welche auf Grund der geringen Saugdichte des Kältemittels hohe kältemittelseitige Druckverluste bewirkt, führt zu einer zusätzlichen Absenkung der Oberflächentemperatur des Wärmeübertragers und somit zu einer Erhöhung des Risikos der Vereisung.
Es sind Anordnungen von Komponenten in Kältemittelkreisläufen bekannt, bei denen der für die Beaufschlagung mit Außenluft ausgebildete Wärmeübertrager kältemittelseitig mit wechselnder Strömungsrichtung betrieben wird. Dabei wird der Wärmeübertrager derart beaufschlagt, dass das Kältemittel beim Betrieb im Kälteanlagenmodus als Kondensator in einer ersten Strömungsrichtung durchströmt wird, während der Wärmeübertrager beim Betrieb im Wärmepumpenmodus als Verdampfer in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung durchströmt wird. Die Druckverluste des Kältemittels, insbesondere beim Betrieb des Wärmeübertragers als Verdampfer im Wärmepumpenmodus, werden damit verringert. Die Unterkühlstrecke des Kondensators im Kälteanlagenmodus wird im Wärmepumpenmodus somit nicht mit nahezu vollständig verdampftem oder gar überhitztem Kältemittel, sondern Kältemittel im zweiphasigen Zustand nach der Entspannung mit einer deutlich höheren Dichte durchströmt. Die nachteiligen sehr hohen Druckverluste im Wärmepumpenmodus werden allerdings nur verringert und nicht auf ein Optimum reduziert.
Aus dem Stand der Technik geht auch hervor, wie mit einem im Kältemittelkreislauf bidirektional durchströmbar eingebundenen Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebungsluft eine Vereisung der Wärmeübertragungsflächen beim Betrieb im Wärmepumpenmodus regelungstechnisch verhindert werden kann. Der Vorgang der Vereisung wird dabei beispielsweise entweder durch Abschalten der Wärmepumpe bei Umgebungstemperaturen von weniger als 0°C vermieden oder der Kältemittelkreislauf wird zum Abtauen des Wärmeübertragers vom Wärmepumpenmodus in den Kälteanlagenmodus umgeschaltet und zumindest kurzzeitig im Kälteanlagenmodus betrieben. Allerdings führen die angegebenen Methoden zu einer sehr starken Leistungsreduzierung der Klimaanlage.
In der EP 1 895 255 B1 wird eine Wärmeübertrageranordnung mit zwei beabstandet, parallel zueinander angeordneten Verteilerrohren vorgeschlagen, zwischen welchen sich eine Vielzahl von Durchflussrohren erstreckt und eine Fluid-Verbindung mit den Verteilerrohren bilden, um ein Kältemittel zwischen den Verteilerrohren strömen zu lassen. Im ersten Verteilerrohr ist ein statischer Separator angeordnet, welcher den Hohlraum des Verteilerrohres in eine erste und eine zweite Kammer mit festen Anteilen teilt. Die Wärmeübertrageranordnung weist an den Verteilerrohren angeordnete Anschlüsse sowie eine externe Steuervorrichtung zum Umschalten zwischen einem Verdampfer-Modus und einem Kondensator-Modus auf. Die Anschlüsse werden dabei derart geöffnet oder geschlossen, dass das Kältemittel im Verdampfer-Modus einflutig und im Kondensator-Modus mehrflutig durch alle Durchflussrohre zirkuliert. Die Wärmeübertrageranordnung ist im Verdampfer-Modus beispielsweise auch zweiflutig durchströmbar, wobei dann im Kondensator-Modus mehr als zwei Fluten durchströmt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Wärmeübertrager zur Verfügung zu stellen und zu verbessern, mit welchem sowohl beim Betrieb im Kälteanlagenmodus als auch beim Betrieb im Wärmepumpenmodus maximale Wärmeleistungen bei minimalem Platzbedarf übertragbar sind. Dabei ist der kältemittelseitige Druckverlust zu optimieren, auch um das Vereisungsrisiko beim Betrieb im Wärmepumpenmodus zu minimieren. Die Subkomponenten sowie das Herstellungsverfahren des Wärmeübertragers sollen keine zusätzlichen Kosten gegenüber bekannten Systemen verursachen. Dabei soll der Wärmeübertrager zudem für den Einsatz einer Regelungstechnik zur Vermeidung von Vereisung ausbildbar sein.
Die Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager gelöst, welcher als Komponente eines Kältemittelkreislaufes einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges ausgebildet ist. Die Klimaanlage ist für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Heizmodus vorgesehen. Der Wärmeübertrager weist ein erstes und ein zweites Sammelrohr, einen ersten und einen zweiten Kältemitteldurchlass zum Durchströmen des Kältemittels, eine Mehrzahl an Strömungspfaden sowie Mittel zur Unterteilung des inneren Volumens mindestens eines Sammelrohres in voneinander unabhängige Bereiche auf. Die Sammelrohre sind beabstandet, parallel zueinander ausgerichtet. Die Strömungspfade sind als parallel zueinander angeordnete Fluid-Verbindungen zwischen den Sammelrohren ausgebildet und jeweils zu einer Flut zugeordnet. Der Wärmeübertrager ist mehrflutig sowie bidirektional durchströmbar ausgebildet, wobei die Strömungsrichtung des Kältemittels im Inneren des Wärmeübertragers vom Betriebsmodus der Klimaanlage abhängig ist. Die Strömungsrichtung des Kältemittels im Kälteanlagenmodus ist dabei entgegengesetzt zur Strömungsrichtung des Kältemittels im Wärmepumpenmodus gerichtet. Die Sammelrohre dienen je nach Strömungsrichtung des Kältemittels und betrachtetem Bereich innerhalb des Sammelrohres auch als Verteiler des Kältemittels auf die unterschiedlichen Strömungspfade. Die Sammelrohre können, entsprechend ihrer differenzierten Funktion, auch als Verteilerrohre bezeichnet werden. Nach der Konzeption der Erfindung weist die erste Flut des Wärmeübertragers in Strömungsrichtung des Kältemittels im Kälteanlagenmodus einen größeren Strömungsquerschnitt sowie eine größere Wärmeübertragungsfläche auf als die letzte Flut. Zudem ist der erste Kältemitteldurchlass zum Einströmen des Kältemittels in Strömungsrichtung des Kältemittels im Kälteanlagenmodus mit einem größeren oder gleich großen Strömungsquerschnitt ausgebildet wie der zweite Kältemitteldurchlass zum Ausströmen des Kältemittels.
Der Wärmeübertrager ist bevorzugt als ein Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager: zur Wärmezufuhr von der Umgebungsluft an das Kältemittel und zur Wärmeabgabe vom Kältemittel an die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft oder die Umgebungsluft ausgebildet. Im Kälteanlagenmodus als erstem Betriebsmodus der Klimaanlage wird der Wärmeübertrager als Kondensator/Gaskühler betrieben. Im Wärmepumpenmodus mit Umgebungsluft als Wärmequelle wird der Wärmeübertrager als Verdampfer mit Kältemittel beaufschlagt. Der Wärmeübertrager kann dabei ohne Unterkühlstrecke ausgebildet und in einem Kältemittelkreislauf ohne Sammler angeordnet sein. Das Kältemittel kann im Kälteanlagenmodus durch mindestens zwei Fluten des Wärmeübertragers strömen.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weist der erste Kältemitteldurchlass zum Einströmen des Kältemittels beim Betrieb im Kälteanlagenmodus einen inneren Durchmesser von größer als 8 mm auf. Der Durchmesser liegt dabei bevorzugt in einem Bereich von 10 mm bis 14 mm. Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der zweite Kältemitteldurchlass zum Ausströmen des Kältemittels beim Betrieb im Kälteanlagenmodus einen inneren Durchmesser von größer als 6 mm auf. Der Durchmesser liegt dabei bevorzugt in einem Bereich von 6 mm bis 19 mm.
Die Aufgabe wird zudem durch einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager eines Kältemittelkreislaufes einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges gelöst, welcher ein Sammelrohr, parallel zueinander angeordnete Strömungspfade sowie mindestens zwei Kältemitteldurchlässe aufweist. Der Wärmeübertrager ist bidirektional durchströmbar und die Strömungsrichtung des Kältemittels im Inneren des Wärmeübertragers ist vom Betriebsmodus der Klimaanlage abhängig. Das Kältemittel durchströmt je nach Strömungsrichtung die Strömungspfade, das Sammelrohr und den Kältemitteldurchlass oder den Kältemitteldurchlass, das Sammelrohr und die Strömungspfade nacheinander. Der Kältemitteldurchlass ist an der entgegengesetzt zum Sammelrohr ausgerichteten Seite mit einem Anschlussblock für den Anschluss einer Kältemittelleitung des Kältemittelkreislaufes ausgebildet. Konzeptionsgemäß ist zwischen dem Sammelrohr und dem Anschlussblock als zusätzliche Fluid-Verbindung zum Kältemitteldurchlass eine Kurzschlussleitung angeordnet. Die Kurzschlussleitung stellt somit eine zum Kältemitteldurchlass parallele Verbindung zwischen dem Sammelrohr und dem Anschlussblock dar.
Die Sammelrohre der erfindungsgemäßen Wärmeübertrager sind bevorzugt vertikal ausgerichtet und horizontal zueinander beabstandet angeordnet. Die Strömungspfade sind horizontal ausgerichtet und vertikal zueinander beabstandet angeordnet. Die einzelnen, als Fluid-Verbindungen zwischen den Sammelrohren angeordneten Strömungspfade werden vorteilhaft aus Flachrohrprofilen ausgebildet. Die Flachrohrprofile weisen dabei eine Tiefe von weniger als 20 mm auf. Die Tiefe der Flachrohrprofile liegt bevorzugt in einem Bereich von 10 mm bis 18 mm. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind zwischen den Flachrohrprofilen luftseitig Rippen angeordnet, welche die gleiche Tiefe wie die Flachrohrprofile aufweisen. Unter der Tiefe ist dabei die Abmessung der Flachrohrprofile in Strömungsrichtung der Luft und senkrecht zur Längsrichtung, in welcher das Fluid strömt, zu verstehen. Die Sammelrohre sind vorteilhaft einteilig oder zweiteilig ausgebildet und weisen einen Durchmesser beziehungsweise eine Breite auf, welche größer ist als die Tiefe der Flachrohrprofile.
Die unterschiedliche Anzahl der vom Kältemittel durchströmten Fluten wird abhängig vom Betriebsmodus der Klimaanlage und damit abhängig von der Strömungsrichtung des Kältemittels durch den Wärmeübertrager vorteilhaft angepasst, um die kältemittelseitigen Druckverluste zu minimieren und damit das Risiko der Vereisung der Wärmeübertragungsfläche beim Betrieb im Wärmepumpenmodus zu verringern. Zudem wird die übertragene Wärmeleistung beim Betrieb im Kälteanlagenmodus optimiert.
Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmeübertrager zweiflutig durchströmbar ausgebildet, wobei in Strömungsrichtung des Kältemittels im Kälteanlagenmodus das Verhältnis der Anzahl der Flachrohrprofile der ersten Flut zur zweiten Flut im Bereich von 3 bis 5 liegt. Das Verhältnis liegt bevorzugt in einem Bereich von 3,5 bis 4,5.
Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmeübertrager vierflutig durchströmbar ausgebildet, wobei in Strömungsrichtung des Kältemittels im Kälteanlagenmodus das Verhältnis der Anzahlen der Flachrohrprofile der nacheinander durchströmten Fluten 19:13:10:6 beträgt. Die Flachrohrprofile weisen dabei vorteilhaft eine Tiefe im Bereich von 15 mm bis 17 mm und eine Höhe im Bereich von 1,0 mm bis 1,6 mm auf. Unter der Höhe ist dabei die Abmessung der Flachrohrprofile senkrecht zur Strömungsrichtung der Luft und senkrecht zur Längsrichtung, in welcher das Fluid strömt, zu verstehen.
Die Aufgabe wird des Weiteren mittels einer Vorrichtung zur Unterteilung des inneren Volumens des Sammelrohres und zur Strömungsumlenkung des Fluids im Sammelrohr eines Wärmeübertragers gelöst. Nach der Konzeption der Erfindung ist innerhalb des Sammelrohres mindestens ein bewegliches Trennelement angeordnet. Die Bewegung des Trennelementes basiert dabei auf dem Differenzdruckprinzip und der Ausrichtung des Trennelementes innerhalb des Sammelrohres. Je nach anliegender Druckdifferenz auf den unterschiedlichen Seiten und der Ausrichtung des Trennelementes wird vom Trennelement eine Öffnung als Durchlass für das Fluid freigeben oder verschlossen. Das bewegliche Trennelement weist ein geradlinig bewegliches Verschlusselement und ein Anschlagselement auf. Im geschlossenen Zustand liegt das Verschlusselement am Anschlagselement an. Das Verschlusselement und damit das Trennelement sind in Richtung des vertikal ausgerichteten Sammelrohres angeordnet, welche im Folgenden auch als Längsrichtung bezeichnet wird.
Das Trennelement ist mit dem Anschlagselement und dem Verschlusselement bevorzugt mehrteilig ausgebildet. Das Anschlagselement weist vorteilhaft eine äußere Kontur auf, welche mit der inneren Kontur des Sammelrohres derart korrespondiert, dass zwischen den Konturen ein schmaler Spalt zum Verlöten mit einer Toleranz von +/–0,1 mm, bevorzugt +/–0,05 mm verbleibt.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Anschlagselement eine innere Kontur auf, welche eine Öffnung als Strömungsquerschnitt für das Fluid ausbildet. Die Öffnung wird im geschlossenen Zustand des Trennelementes durch das Verschlusselement verschlossen. Von Vorteil ist, dass das Verschlusselement in einer Längsrichtung L geradlinig beweglich ausgebildet ist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist das Trennelement Mittel zur Führung der Bewegung des beweglichen Verschlusselementes relativ zum Anschlagselement auf. Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung sind die innere Kontur des Anschlagselementes mit Ausformungen und das Verschlusselement mit einem Führungselement ausgebildet. Das Führungselement weist dabei bevorzugt die Form eines Stiftes auf, welcher sich senkrecht zur vom Verschlusselement aufgespannten Ebene in Längsrichtung L erstreckend, am Verschlusselement angeordnet ist. Das Führungselement ist an den Ausformungen anliegend in Längsrichtung L beweglich gehaltert. Die Ausformungen des Anschlagelementes und das Führungselement bilden damit eine Führung für das bewegliche Verschlusselement aus. Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung ist das Trennelement mit Führungselementen zur Führung des beweglichen Verschlusselementes ausgebildet. Die Führungselemente sind dabei gleichmäßig am Umfang der inneren Kontur des Anschlagselementes am Anschlagselement angeordnet und als Kreissegmente mit einer Stufe ausgebildet. Die innere Kontur ist bevorzugt als kreisrunde Öffnung ausgebildet. Die zum Kreismittelpunkt hin ausgerichteten, kreisbogenförmigen Flächen der Stufe, welche auf dem Anschlagselement aufsitzen, sind zur Führung des beweglichen Verschlusselementes vorgesehen und korrespondieren mit der Seitenfläche des Verschlusselementes. Die Führungselemente sind zudem vorteilhaft als Auflage und Befestigung eines zweiten Anschlagselementes für das Verschlusselement ausgebildet.
Das zweite Anschlagselement ist bevorzugt in Höhe der Stufe des Führungselementes beabstandet zum ersten Anschlagselement angeordnet. Das Verschlusselement ist dabei vorteilhaft in Längsrichtung beweglich zwischen den Anschlagselementen gehaltert und kreisrund ausgebildet. Am äußeren Umfang des Verschlusselementes sind in der Längsrichtung ausgerichtet Öffnungen vorgesehen, welche von besonderem Vorteil derart ausgebildet sind, dass beim Anliegen des Verschlusselementes am Anschlagselement mindestens jeweils ein Teil der Öffnung einen Durchlass für das Fluid freigeben.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Mittel zur Führung der Bewegung des Verschlusselementes relativ zum Anschlagselement eine Verdrehung des Verschlusselementes verhindernd ausgebildet.
Nach der Konzeption der Erfindung ist der erfindungsgemäße Wärmeübertrager innerhalb eines Sammelrohres mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Unterteilung des inneren Volumens des Sammelrohres und zur Strömungsumlenkung des Fluids ausgebildet. Durch die Anordnung der Vorrichtung sind der Strömungsquerschnitt und/oder die Wärmeübertragungsfläche des Wärmeübertragers dynamisch veränderbar und können je nach Betriebsmodus und Bedarf angepasst werden.
Bevorzugte Fluide sind Kältemittel als phasenwechselnde Wärmeträger, wie Kohlendioxid (R744), R134a, HFO1234yf oder Kältemittelgemische.
Weitere Vorteile des Wärmeübertragers beziehungsweise der Vorrichtung zur Unterteilung des inneren Volumens des Sammelrohres eines Wärmeübertragers gegenüber dem Stand der Technik lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:

– Flachrohrprofile, Sammelrohre und Rippenstrukturen als Subkomponenten sowie das Herstellungsverfahren des Wärmeübertragers verursachen keine zusätzlichen Kosten,
– in Bezug zu Wärmeübergang und Druckverlust optimierte Aufteilung der Wärmeübertragungsfläche im Kälteanlagen- und im Wärmepumpenmodus,
– Minimierung des Risikos der Vereisung im Wärmepumpenmodus,
– Vermeidung eines Leistungsverlustes der Klimaanlage beim Betrieb im Wärmepumpenmodus während des Abtauens,
– Übertragung der maximalen Leistung an das Kältemittel,
– Steigerung der Effizienz beim Betrieb eines (Zu-)Heizsystems, dabei Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und Erhöhung der Reichweite von Elektrofahrzeugen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1: zweiflutiger Wärmeübertrager als Kondensator/Gaskühler im Kälteanlagenmodus,
2: statisches Trennelement zur Anordnung innerhalb eines Sammelrohres in verschiedenen Ansichten,
3a: dreiflutiger Wärmeübertrager mit Trennelementen im Sammelrohr,
3b: geschlossenes, geradlinig bewegliches Verschlusselement eines Trennelementes,
3c: geöffnetes, geradlinig bewegliches Verschlusselement eines Trennelementes,
4a: Anordnung eines beweglichen Trennelementes in erster Ausführungsform innerhalb eines Sammelrohres,
4b: geöffnetes Trennelement aus 4a in Vorderansicht,
4c: geöffnetes Trennelement aus 4a in Rückansicht,
5a: bewegliches Trennelement in zweiter Ausführungsform im einbaufähigen Zustand,
5b: Explosionsdarstellung des Trennelementes aus 5a,
5c: Schnittdarstellung des Trennelementes aus 5a im geöffneten Zustand,
5d: Schnittdarstellung des Trennelementes aus 5a im geschlossenen Zustand,
5e: Konstruktionsskizze des Trennelementes aus 5a und
6: Anschlussblock am ersten Kältemitteldurchlass des ersten Sammelrohres mit einer Kurzschlussleitung.
In 1 ist ein Wärmeübertrager 1 in zweiflutiger Ausführung als Kondensator/Gaskühler im Kälteanlagenmodus nach dem Stand der Technik dargestellt. Der Wärmeübertrager 1 ist bevorzugt eine Komponente eines nicht dargestellten Kältemittelkreislaufes einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges. Das von einem Kältemittelverdichter verdichtete, gasförmige Kältemittel tritt mit hoher Temperatur durch den ersten Kältemitteldurchlass 4 in das erste Sammelrohr 2 des Wärmeübertragers 1 ein. Das erste Sammelrohr 2 weist ein statisches Trennelement 7 auf, welches das Sammelrohr 2 in zwei voneinander unabhängige und gegeneinander abgedichtete Bereiche aufteilt. Das statische Trennelement 7 ist beispielsweise als Blech ausgebildet. Im oberen Bereich wird das in das erste Sammelrohr 2 eingeleitete gasförmige Kältemittel gleichmäßig auf verschiedene Strömungspfade der ersten Flut aufgeteilt. Die Strömungspfade sind anhand von Pfeilen mit durchgezogenen Linien dargestellt. Das Kältemittel strömt durch die parallel zueinander angeordneten Strömungspfade in Strömungsrichtung 6 ^I vom ersten Sammelrohr 2 zum zweiten Sammelrohr 3. Die von einem aufgeteilten Kältemittelmassenstrom in gleicher Richtung parallel zueinander durchströmten Strömungskanäle beziehungsweise die Teilmassenströme des Kältemittels werden als Flut bezeichnet. Dabei weisen die Teilmassenströme des Kältemittels im Wesentlichen gleiche Zustandsparameter auf. Das durch die unterschiedlichen Strömungspfade in das zweite Sammelrohr 3 geleitete Kältemittel wird im zweiten Sammelrohr 3 wieder vermischt und anschließend gleichmäßig auf die verschiedenen Strömungspfade der zweiten Flut aufgeteilt. Das Kältemittel strömt durch die wiederum parallel zueinander angeordneten Strömungspfade vom zweiten Sammelrohr 3 zum ersten Sammelrohr 2 zurück. Das durch die verschiedenen Strömungspfade geleitete Kältemittel wird im unteren Bereich des ersten Sammelrohres 2 wieder vermischt. Der gesamte Kältemittelmassenstrom tritt durch den zweiten Kältemitteldurchlass 5, welcher im unteren Bereich des ersten Sammelrohres 2 angeordnet ist, aus dem Wärmeübertrager 1 aus. Das unter Abgabe von Wärme abgekühlte und zumindest teilweise verflüssigte Kältemittel liegt nunmehr flüssig oder zweiphasig vor. Vollständig verflüssigtes Kältemittel kann zudem noch unterkühlt sein, das heißt eine Temperatur aufweisen, welche geringer ist als die Kondensationstemperatur. Die Flächenverhältnisse der zwei Fluten unterscheiden sich bezüglich der Wärmeübertragungsflächen und der Querschnittsflächen der Strömungspfade aufgrund der sich verändernden Dichte des Kältemittels bei der Abkühlung und Kondensation.
2 zeigt ein statisches Trennelement 7 zur Anordnung innerhalb eines Sammelrohres 2, 3 nach dem Stand der Technik. Das durch Stanzen aus einem Blech gefertigte, einteilig ausgebildete statische Trennelement 7 weist eine ebene, geschlossen ausgebildete Fläche 8 auf, welche vollumfänglich von einer Umrandung 9 umgeben ist. Die geschlossene Fläche 8 ist mit einer geringeren Blechdicke als die Umrandung 9 ausgebildet, sodass die Umrandung 9 beiderseits der geschlossenen Fläche 8 erhaben ist. Das statische Trennelement 7 ist zudem in Bezug auf eine Symmetrieebene 10 symmetrisch ausgebildet. Die Umrandung 9 weist eine äußere Kontur auf, welche unter Beachtung von Toleranzen der inneren Kontur des Sammelrohres 2, 3 nachgebildet ist. Die Umrandung 9 ist zudem mit einem Arretierelement 11 und einem Halteelement 12 ausgebildet, welche an der äußeren Kontur der Umrandung 9 ausgebildet und auf der Symmetrieebene 10 angeordnet sind. Das Arretierelement 11 ist dabei gegenüberliegend zum Halteelement 12 ausgerichtet. Die statischen Trennelemente 7 werden bei der Fertigung des Wärmeübertragers 1 am Halteelement 12 gehalten und neben den Flachrohrprofilen, welche die Strömungspfade des Kältemittels zwischen den Sammelrohren 2, 3 bilden, in die geschlitzten Sammelrohre 2, 3 eingesteckt. Das Arretierelement 11 dient der Fixierung des Trennelementes 7 innerhalb des Sammelrohres 2, 3 während der Fertigung. Nach dem Einführen der Trennelemente 7 und den Flachrohrprofilen in die Sammelrohre 2, 3 werden die einzelnen Komponenten verlötet. Die breit ausgebildete Umrandung 9 des Trennelementes 7 ermöglicht dabei ein einfaches Verlöten. Das statische Trennelement 7 verschließt den Strömungsquerschnitt des Sammelrohres 2, 3.
In 3a ist ein dreiflutiger Wärmeübertrager 1 mit Trennelementen 13 in beiden Sammelrohren 2, 3 beim Betrieb im Kälteanlagenmodus sowie im Wärmepumpenmodus dargestellt. Im Unterschied zur Ausbildung nach 1 sind die Trennelemente 13 beweglich, während das Trennelement 7 aus 1 statisch ist. Die Strömungsrichtung 6 ^I des Kältemittels im Kälteanlagenmodus wird durch Pfeile mit durchgezogenen Linien, die Strömungsrichtung 6 ^II des Kältemittels im Wärmepumpenmodus durch Pfeile mit gestrichelten Linien angedeutet. Die Sammelrohre 2, 3 sind an ihren Enden jeweils mittels eines Stopfens zum Abdichten zur Umgebung ausgebildet.
Die Trennelemente 13 sind derart geschaltet, dass das Kältemittel, ähnlich 1, durch den ersten Kältemitteldurchlass 4 in das erste Sammelrohr 2 geleitet wird und durch die parallel ausgerichteten Strömungspfade der ersten Flut zum zweiten Sammelrohr 3 strömt. Das Trennelement 13 im ersten Sammelrohr 2 verschließt das Sammelrohr 2 derart, dass das Sammelrohr 2 zwei voneinander abgetrennte Bereiche aufweist. Das Kältemittel wird im oberen Bereich des zweiten Sammelrohres 3 vermischt und in die zweite Flut umgelenkt.
Die zweite Flut wird vom Kältemittel in entgegengesetzter Richtung der ersten Flut durchströmt. Das Kältemittel wird im unteren Bereich des ersten Sammelrohres 2 vermischt und in die dritte Flut umgelenkt. Anschließend wird die dritte Flut vom Kältemittel in paralleler Richtung der ersten Flut durchströmt, im unteren Bereich des zweiten Sammelrohres 3 vermischt und tritt als Kältemittelmassenstrom durch den zweiten Kältemitteldurchlass 5 aus dem Wärmeübertrager 1 aus. Im Kälteanlagenmodus strömt das Kältemittel im Wesentlichen von oben nach unten durch den dreiflutig betriebenen Wärmeübertrager 1. Die Flächenverhältnisse der Fluten, das heißt die Wärmeübertragungsflächen und die Querschnittsflächen der Strömungspfade sind an die sich verändernden Dichteverhältnisse des Kältemittels beim Durchströmen des Wärmeübertragers 1 angepasst.
Im Vergleich zum Kälteanlagenmodus wird der Wärmeübertrager 1 im Wärmepumpenmodus einflutig vom Kältemittel in Strömungsrichtung 6 ^II im Wesentlichen von unten nach oben durchströmt. Die Strömungsrichtung 6 ^II des Kältemittels im Wärmepumpenmodus wird an Hand von Pfeilen mit gestrichelten Linien dargestellt. Die Strömungsrichtung des Kältemittels im Wärmepumpenmodus kann auch von oben nach unten gerichtet sein, während das Kältemittel dann im Kälteanlagenmodus von unten nach oben strömt.
Das Kältemittel tritt durch den zweiten Kältemitteldurchlass 5 in das zweite Sammelrohr 3 des Wärmeübertragers 1 ein. Das Trennelement 13 im zweiten Sammelrohr 3 ist geöffnet, das heißt die beiden im Sammelrohr 3 ausgebildeten Bereiche sind fluidtechnisch miteinander verbunden. Das Kältemittel wird auf alle die Sammelrohre 2, 3 verbindenden Strömungspfade des Wärmeübertragers 1 aufgeteilt, sodass das Kältemittel den Wärmeübertrager 1 einflutig durchströmt. Im ersten Sammelrohr 2, in welchem das Trennelement 13 ebenfalls geöffnet ist und die beiden ausgebildeten Bereiche fluidtechnisch miteinander verbunden sind, werden die Teilmassenströme des Kältemittels miteinander vermischt. Anschließend strömt das Kältemittel durch den zweiten Kältemitteldurchlass 5 aus dem Wärmeübertrager 1 aus.
Mit Hilfe der Ausbildung der Trennelemente 13 wird die Anzahl nacheinander durchströmter Fluten, zum Beispiel im Kälteanlagenmodus im Vergleich zum Wärmepumpenmodus, variiert. Die Wärmeübertragungsfläche und der Strömungsquerschnitt des Kältemittels sind dynamisch veränderbar und können an die jeweiligen Betriebszustände und äußere Bedingungen angepasst werden.
Die die Strömungspfade des Kältemittels zwischen den Sammelrohren 2, 3 bildenden Flachrohrprofile weisen eine Profiltiefe von weniger als 20 mm auf, wobei Profiltiefen von 16 mm ± 2 mm oder 12 mm ± 2 mm bevorzugt werden. Luftseitig wird die wärmeübertragende Fläche durch die Flachrohrprofile mit dazwischen angeordneten Rippen ausgebildet. Die Rippen weisen dabei die gleiche Profiltiefe wie die Flachrohre auf. Bei der Ausbildung eines zweiflutigen Wärmeübertragers 1 werden beispielsweise Flachrohrprofile mit einer Profiltiefe von 16 mm ± 2 mm oder 12 mm ± 2 mm verwendet. Das Verhältnis der Flachrohranzahl der ersten Flut zur Flachrohranzahl der zweiten Flut in Strömungsrichtung des Kältemittels beim Betrieb im Kälteanlagenmodus liegt zwischen 3 und 5. Das bevorzugte Verhältnis liegt dabei zwischen 3,5 und 4,5. Bei der Ausbildung eines vierflutigen Wärmeübertragers werden beispielsweise Flachrohrprofile mit einer Profiltiefe von 16 mm ± 1 mm eingesetzt. Die Flachrohranzahlen der ersten bis zur vierten Flut in Strömungsrichtung des Kältemittels beim Betrieb im Kälteanlagenmodus stehen im Verhältnis von 19:13:10:6 zueinander.
Der erste Kältemitteldurchlass 4 ist mit einem ebenfalls nicht dargestellten als Kältemittelleitung ausgebildeten Rohr verbunden. Das Rohr weist einen inneren Durchmesser auf, welcher größer ist als 10 mm und bevorzugt 16 mm ± 1 mm beträgt. Der zweite Kältemitteldurchlass 5 ist auch mit einem nicht dargestellten als Kältemittelleitung ausgebildeten Rohr verbunden. Das Rohr weist einen inneren Durchmesser auf, welcher größer ist als 6 mm und bevorzugt 10 mm ± 1 mm oder 13 mm ± 1 mm oder 16 mm ± 1 mm beträgt.
Die Sammelrohre 2, 3 sind einteilig oder zweiteilig ausgebildet und weisen eine Breite beziehungsweise einen Durchmesser auf, welcher größer ist als die Profiltiefe der Flachrohre. Neben mindestens einem Trennelement 13 zum Verschließen des Strömungsquerschnittes des Sammelrohres 2, 3 und der möglichen Unterteilung des Sammelrohres 2, 3 in abgetrennte Volumen, weist jedes Sammelrohr 2, 3 vier nicht dargestellte Stopfen zum Abdichten des Sammelrohres 2, 3 zur Umgebung auf.
In den 3b, 3c sind die Trennelemente 13 aus 3a jeweils im Detail mit einem geradlinig beweglichen Verschlusselement 14 dargestellt.
Die Trennung der Fluten erfolgt in den Sammelrohren 2, 3 mittels der mechanischen, differenzdruckgesteuerten beweglichen Trennelemente 13, welche als Ventile beim Betrieb des Wärmeübertragers 1 im Kälteanlagenmodus geschlossen und im Wärmepumpenmodus geöffnet sind. Die beweglichen Trennelemente 13 sind dabei ähnlich wie Rückschlagventile ausgebildet.
Die beweglichen Trennelemente 13 dienen dem Unterteilen der Sammelrohre 2, 3 in zwei Bereiche mit voneinander getrennten Volumen für den Betrieb im Kälteanlagenmodus beziehungsweise dem fluidtechnischen miteinander Verbinden der Bereiche zu einem gemeinsamen Volumen im Wärmepumpenmodus. 3b zeigt die Trennelemente 13 jeweils im geschlossenen Zustand, in welchem die Sammelrohre 2, 3 zwei voneinander getrennte Volumen aufweisen, während in 3c die Trennelemente 13 im geöffneten Zustand dargestellt sind.
Jedes Trennelement 13 umfasst ein geradlinig bewegliches Verschlusselement 14 und ein Anschlagselement 15. Im geschlossenen Zustand des Trennelementes 13 liegt das Verschlusselement 14 am Anschlagselement 15 an.
Beim Betrieb des Wärmeübertragers 1 im Kälteanlagenmodus sind die als geradlinig bewegliche Verschlusselemente 14 mit einem Anschlagselement 15 ausgebildeten Trennelemente 13 gemäß 3b geschlossen. Das nach der Verdichtung mit hohem Druck durch den ersten Kältemitteldurchlass 4 des Wärmeübertragers 1 in den oberen Bereich des ersten Sammelrohres 2 eintretende, gasförmige und heiße Kältemittel drückt das geradlinig bewegliche Verschlusselement 14 nach unten und wird in die Strömungspfade der ersten Flut aufgeteilt. Infolge des Druckverlustes beim Durchströmen der Strömungspfade der ersten Flut, dem Vermischen, Umlenken und Verteilen auf die Strömungspfade der zweiten Flut im zweiten Sammelrohr 3 und dem Durchströmen der Strömungspfade der zweiten Flut wird das Trennelement 13 im ersten Sammelrohr 2 auf beiden Seiten mit Kältemittel bei unterschiedlichen Drücken beaufschlagt, wobei der Differenzdruck das Verschlusselement 14 an das Anschlagselement 15 drückt und das Trennelement 13 verschließt. Auf gleiche Weise verhält es sich mit dem Trennelement 13 im zweiten Sammelrohr 3. Der Wärmeübertrager 1 wird folglich dreiflutig durchströmt. Das Kältemittel tritt nach der Wärmeabgabe durch den zweiten Kältemitteldurchlass 5 im flüssigen oder flüssig/dampfförmigen Zustand aus dem Wärmeübertrager 1 aus.
Beim Betrieb des Wärmeübertragers 1 im Wärmepumpenmodus sind die Trennelemente 13 mit den geradlinig beweglichen Verschlusselementen 14 gemäß 3c geöffnet. Das durch den zweiten Kältemitteldurchlass 5 in den unteren Bereich des zweiten Sammelrohres 3 des Wärmeübertragers 1 eintretende, zweiphasige Kältemittel drückt das geradlinig bewegliche Verschlusselement 14 nach oben und wird in die Strömungspfade der drei Fluten aufgeteilt. Das Kältemittel verteilt sich durch das gesamte zweite Sammelrohr 3 in die Strömungspfade des Wärmeübertragers 1 und durchströmt alle Strömungspfade parallel. Infolge des Druckes des eintretenden Kältemittels wird das Verschlusselement 14 vom Anschlagselement 15 weggedrückt. Das Trennelement 13 ist geöffnet. Da infolge des Druckverlustes vom Eintritt des Kältemittels durch den zweiten Kältemitteldurchlass 5 bis zum Austritt des Kältemittels durch den ersten Kältemitteldurchlass 4 die Drücke auf der oberen Seite der Verschlusselemente 14 immer geringer sind als auf der Unterseite, bleiben die Verschlusselemente 14 im Wärmepumpenmodus aufgrund des Differenzdruckes geöffnet. Der Wärmeübertrager 1 wird folglich einflutig durchströmt. Das Kältemittel tritt nach der Wärmeaufgabe durch den ersten Kältemitteldurchlass 4 im gasförmigen Zustand aus dem Wärmeübertrager 1 aus.
Die geradlinig beweglichen Verschlusselemente 14 sind dabei derart ausgelegt, dass die resultierende Kraft aus Schwerkraft, Strömungskräften und Druckkräften ein Öffnen und Schließen bewirkt.
4a zeigt die Anordnung des beweglichen Trennelementes 13 innerhalb eines Sammelrohres 2, 3 im zusammengebauten Zustand des Wärmeübertragers 1. Der dargestellte Ausschnitt des Sammelrohres 2, 3 weist einen Kältemitteldurchlass 4, 5 und eine geschlitzte Außenwandung auf. Durch die geschlitzten Öffnungen 16 in der Außenwandung sind die die Strömungspfade der Fluten ausbildenden Flachrohrprofile 17 eingeführt. Die Flachrohrprofile 17 werden dabei mindestens mit einer Einstecktiefe von bis zu 10 mm, bevorzugt 8 mm, in die Sammelrohre 2, 3 eingesteckt. Das bewegliche Trennelement 13 wird ebenfalls durch eine allerdings nicht dargestellte geschlitzte Öffnung in das Sammelrohr 2, 3 eingeschoben.
Die Flachrohrprofile 17 und das das Anschlagselement 15 bildende Umlenkblech des Trennelementes 13 werden mit der Außenwandung des Sammelrohres 2, 3 verlötet. Das Umlenkblech 15 ist mit dem Arretierelement 11 in der Außenwandung arretiert. Das Arretierelement 11 ist dabei auf der der geschlitzten Öffnungen 16 zum Einführen des Trennelementes 13 in das Sammelrohr 2, 3 gegenüberliegenden Seite in die Außenwandung eingesteckt. Das als Schließblech ausgebildete geradlinig bewegliche Verschlusselement 14 liegt nicht am Anschlagselement 15 an, im Weiteren auch als Umlenkblech bezeichnet, das bewegliche Trennelement 13 ist geöffnet. Im geöffneten Zustand des Trennelementes 13 liegt das bewegliche Verschlusselement 14 am in das Sammelrohr 2, 3 eingesteckten Flachrohrprofil 17 an. Das Flachrohrprofil 17 ist somit gleichzeitig als Anschlag für das Verschlusselement 14 im geöffneten Zustand des Trennelementes 13 ausgebildet.
Das Trennelement 13 wird bei der Fertigung des Wärmeübertragers 1 am Halteelement 12 gehalten und in die geschlitzten Sammelrohre 2, 3 eingeführt. Das Arretierelement 11 dient, wie beim statischen Trennelement 7 aus 2, der Fixierung des Trennelementes 13 innerhalb des Sammelrohres 2, 3 während der Fertigung. Nach dem Einführen des Trennelementes 13 in die Sammelrohre 2, 3 werden die Komponenten Sammelrohr 2, 3, Flachrohrprofile 17 und Anschlagselement 15 miteinander verlötet.
In den 4b, 4c ist das bewegliche Trennelement 13 aus 4a im Detail dargestellt, wobei 4b eine Vorderansicht und 4c eine Rückansicht des Trennelementes 13 zeigt. Das bewegliche Trennelement 13 weist mit dem Schließblech 14 und dem Umlenkblech 15 zwei voneinander getrennt ausgebildete Elemente auf, welche bevorzugt durch Stanzen aus Blech gefertigt und in Bezug auf eine Symmetrieebene symmetrisch ausgebildet sind. Das Umlenkblech 15 ist aus einem lötbaren Material, bevorzugt AA3003, mit einer Beschichtung, bevorzugt aus AA4045, mit einer Materialstärke von mindestens 0,2 mm gefertigt. Die Stärke des Umlenkblechs kann dabei im Bereich von 0,2 mm bis 2,5 mm, bevorzugt in einem Bereich von 0,4 mm bis 2,3 mm, variieren. Das Schließblech 14 ist im Vergleich dazu aus einem nicht-lötbaren Material, bevorzugt Edelstahl, beispielsweise AlSi 304 (DIN 1.4301), mit einer Materialstärke von mindestens 0,2 mm, bevorzugt in einem Bereich von 0,3 mm bis 0,5 mm, hergestellt.
Das Umlenkblech 15 weist randseitig eine umlaufende, äußere Kontur auf, welche unter Beachtung von Toleranzen der inneren Kontur des Sammelrohres 2, 3 nachgebildet ist. Zudem ist die äußere Kontur des Umlenkbleches 15 mit einem Arretierelement 11 und einem Halteelement 12 versehen, welche auf der Symmetrieebene angeordnet sind. Das Arretierelement 11 ist dabei gegenüberliegend zum Halteelement 12 ausgerichtet. Neben der äußeren Kontur weist das Umlenkblech 15 eine innere Kontur 18 in Form eines vierblättrigen Kleeblattes auf, welche als durchgehende Öffnung durch das Umlenkblech 15 einen Strömungsquerschnitt freigibt. Die durchgehende Öffnung ist dabei senkrecht zur vom Umlenkblech 15 aufgespannten Ebene ausgerichtet. Das Schließblech 14 weist randseitig eine umlaufende, äußere Kontur 19 ebenfalls in Form des vierblättrigen Kleeblattes auf, welche unter Beachtung von Toleranzen der inneren Kontur 18 des Umlenkbleches 15 nachgebildet ist. Die äußere Kontur 19 des Schließbleches 14 weist dabei größere Abmessungen auf als die innere Kontur 18 des Umlenkbleches 15, sodass das Schließblech 14 im geschlossenen Zustand des Trennelementes 13 am Umlenkblech 15 anliegt. Dabei wird die gesamte innere Kontur 18 des Umlenkbleches 15 von der äußeren Kontur 19 des Schließbleches 14 überdeckt. Die Toleranzen der Abmessungen der äußeren Kontur 19 des Schließbleches 14 und der inneren Kontur 18 des Umlenkbleches 15 liegen bei etwa 0,1 mm, sodass ein Spalt zwischen dem Sammelrohr 2, 3 und dem Schließblech 14 die Bewegung des Schließbleches 14 erlaubt.
Die innere Kontur 18 des Umlenkbleches 15 und die äußere Kontur 19 des Schließbleches 14 sind im Wesentlichen rund und weisen einerseits Ausformungen 20 und andererseits Einschnitte 21 auf. Das Schließblech 14 ist an der äußeren Kontur 19 mit vier Einschnitten 21 versehen, welche sich gleichmäßig zueinander beabstandet, vom Außenrand ausgehend, in Richtung des Mittelpunktes des Schließbleches 14 erstrecken. Dabei enden die Einschnitte 21 nach etwa einem Drittel des Durchmessers der Grundfläche des Schließbleches 14, sodass die durch die Einschnitte 21 entstehenden Teilbereiche des Schließbleches 14 im zum Mittelpunkt hin ausgerichteten Bereich zusammenhängend ausgebildet sind. Die Fläche der durch die Einschnitte 21 von der ursprünglichen im Wesentlichen runden äußeren Form des Schließbleches 14 abzuziehenden Fläche ist dabei geringer als die Gesamtfläche eines Schließbleches mit gleichem Durchmesser ohne Einschnitte. Das Schließblech 14 ist gemäß 4c mit einem Führungselement 22 versehen. Das Führungselement 22 ist dabei senkrecht zur vom Schließblech 14 aufgespannten Ebene ausgerichtet und sich vom Mittelpunkt des Schließbleches 14 in Längsrichtung L erstreckend angeordnet. Das die Form eines Stiftes aufweisende Führungselement 22 ist mit einem vom runden Querschnitt abweichenden Querschnitt ausgebildet, welcher beispielsweise mehreckig oder oval ausgebildet sein kann.
Das Umlenkblech 15 weist an der inneren Kontur 18 vier Ausformungen 20 auf, welche sich gleichmäßig zueinander beabstandet, von außen in Richtung des Mittelpunktes des Umlenkbleches 15 erstrecken. Dabei enden die Ausformungen 20 jeweils nach etwa einem Drittel des Durchmessers der inneren Kontur 18 des Umlenkbleches 15. Die Abmessungen der Ausformungen 20 des Umlenkbleches 15 entsprechen dabei den Abmessungen der Einschnitte 21 des Schließbleches 14 zuzüglich der Toleranzen für die Überlappung der Konturen 18, 19 zum Verschließen des Trennelementes 13.
Die Ausformungen 20 der inneren Kontur 18 des Umlenkbleches 15 und das Führungselement 22 des Schließbleches 14 sind jeweils derart ausgebildet, dass das Führungselement 22 an den Stirnseiten der Ausformungen 20 anliegt und dadurch bei der Bewegung geführt wird. Das Schließblech 14 wird dabei verdrehsicher gegenüber dem Umlenkblech 15 gehaltert, da das Führungselement 22 den vom runden Querschnitt abweichenden, gemäß 4c einen quadratischen, Querschnitt aufweist. Die geraden Stirnseiten der Ausformungen 20 der inneren Kontur 18 des Umlenkbleches 15 liegen an den Seitenkanten des quadratischen Querschnitts des Führungselementes 22 flächig an, sodass das Führungselement 22 nur in seiner Längsrichtung L verschiebbar ist.
In den 5a, 5b, 5c, 5d, 5e ist das bewegliche Trennelement 13' in einer weiteren Ausführungsform dargestellt, wobei 5a eine Ansicht des einbaufähigen Trennelementes 13', 5b eine Explosionsdarstellung zur Ansicht der einzelnen Komponenten, die 5c, und 5d jeweils eine Schnittdarstellung und 5e eine Konstruktionsskizze in Draufsicht zeigen. 5c zeigt das Trennelement 13' im geöffneten und 5d im geschlossenen Zustand.
Das Anschlagselement 15' weist die Fläche 8 mit der Umrandung 9 auf, welche wiederum mit einem Arretierelement 11 und ein Halteelement 12 ausgebildet ist. Die Fläche 8 ist mittig mit einer inneren Kontur 18' in Form einer kreisrunden Öffnung versehen. Die kreisrunde Öffnung erstreckt sich als Durchlass über einen Großteil der Fläche 8. Die Fläche 8 weist am Übergang zur Umrandung 9 gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnete Führungselemente 23 auf. Die vier stufenförmig ausgebildeten Führungselemente 23 sind jeweils als Kreissegmente mit einer Stufe versehen. Die zum Kreismittelpunkt hin ausgerichteten, kreisbogenförmigen ersten Flächen der Stufe, welche auf der Fläche 8 aufsitzen, dienen der Führung des geradlinig beweglichen Verschlusselementes 14'. Die zur Längsrichtung L ausgerichteten Flächen sowie die zum Kreismittelpunkt hin ausgerichteten, kreisbogenförmigen Flächen der Stufe, welche in Verbindung mit der Umrandung stehen, sind als Auflage und Befestigung des zweiten Anschlagselementes 24 ausgebildet. Das zweite Anschlagselement 24 wird bei der Fertigung beziehungsweise dem Zusammenbau konzentrisch zum Kreismittelpunkt der als Kreissegmente ausgebildeten Führungselemente 23 auf die Absätze der Stufen der Führungselemente 23 aufgelegt und verlötet. Das zweite Anschlagselement 24 ist dann in Höhe der Stufe beabstandet zum ersten Anschlagselement 15' angeordnet. Der Abstand der Anschlagselemente 15', 24 bestimmt dabei das Ausmaß der Bewegung des Verschlusselementes 14'.
Im Zwischenraum zwischen der Fläche 8 des ersten Anschlagselementes 15', welches dem Umlenkblech 15' entspricht, und dem zweiten Anschlagselement 24 ist das geradlinig bewegliche Verschlusselement 14', welches dem Schließblech 14' entspricht, angeordnet. Das Verschlusselement 14' wird dabei beweglich zwischen den Anschlagselementen 15', 24 gehaltert und an den zum Kreismittelpunkt hin ausgerichteten, kreisbogenförmigen Flächen der ersten Stufe der Führungselemente 23 geführt. Die kreisbogenförmigen Flächen der ersten Stufe der Führungselemente 23 und die Seitenfläche des Verschlusselementes 14' korrespondieren miteinander und gewährleisten eine Führung.
Das kreisrund ausgebildete zweite Anschlagselement 24 weist am äußeren Umfang angeordnete Öffnungen 25 in Form von Bohrungen oder Ausstanzungen auf. Der Radius des Anschlagselementes 24 entspricht dabei dem Radius der zum Kreismittelpunkt hin ausgerichteten, kreisbogenförmigen Fläche der Stufe des Führungselementes 23, welche in Verbindung mit der Umrandung stehen, zuzüglich einer Toleranz zum Montieren und miteinander Verlöten der Anschlagselemente 15', 24.
Die in Längsrichtung L ausgerichteten Öffnungen 25 sind derart am Anschlagselement 24 angeordnet und jeweils mit einem Durchmesser ausgebildet, dass beim Anliegen des Verschlusselementes 14' am Anschlagselement 24 nach 5c mindestens ein Teil der Öffnungen 25 oder die gesamten Öffnungen 25 vom Verschlusselement 14' nicht abgedeckt sind und geöffnet bleiben.
Das Verschlusselement 14' ist zwischen zwei Endpositionen frei beweglich, wobei es in der ersten Endposition am ersten Anschlagselement 15' anliegt, was auch aus 5d hervorgeht, und die als Öffnung ausgebildete innere Kontur 18' verschließt. Der Durchmesser des Verschlusselementes 14' ist folglich größer als der Durchmesser der Öffnung. Das Verschlusselement 14' liegt auf der Fläche 8 auf. Das Trennelement 13' ist geschlossen. In der zweiten Endposition liegt das Verschlusselement 14' gemäß 5c am zweiten Anschlagselement 24 an und gibt die innere Kontur 18' des ersten Anschlagselementes 15' frei. Da gleichzeitig die Öffnungen 25 des zweiten Anschlagselementes 24 mindestens teilweise geöffnet bleiben, ermöglichen die offenen Bereiche der Öffnungen 25 einen Durchlass zwischen den Bereichen beiderseits des Trennelementes 13'. Zudem ist zwischen dem Umfang des Anschlagselementes 24 und der Umrandung 9 des Anschlagselementes 15' ein Spalt 26 ausgebildet, der in Umfangsrichtung des Anschlagselementes 24 lediglich durch die Führungselemente 23 unterbrochen ist. Der Spalt 26 stellt neben den Öffnungen 25 einen zusätzlichen Durchlass für das Fluid dar. Das Fluid strömt in der mit Pfeilen angedeuteten Strömungsrichtung 6 durch das Trennelement 13' hindurch. Das Trennelement 13' ist geöffnet.
Der geringer werdende Strömungsquerschnitt im Wärmeübertrager 1 in Strömungsrichtung des Kältemittels beim Betrieb im Kälteanlagenmodus, wie zu 3a anhand der Verhältnisse der Flachrohranzahl der Fluten und den Durchmessern der Kältemittelleitungen an den Kältemitteldurchlässen 4, 5 beschrieben, dient neben der Aufteilung der wärmeübertragenden Flächen für eine maximale Wärmeleistung bei minimalem Platzbedarf auch zur Verringerung des kältemittelseitigen Druckverlustes beim Durchströmen des Wärmeübertragers 1. In 6 ist ein Anschlussblock 28 mit einer Kurzschlussleitung 29 dargestellt. Neben dem auftretenden Druckverlust des Kältemittels beim Durchströmen der Fluten sowie dem Vermischen, Umlenken und Aufteilen in den Sammelrohren 2, 3 wird das Kältemittel auch beim Durchströmen des Anschlussblockes 28 der Kältemittelleitung 27 an den Kältemitteldurchlässen 4 gedrosselt. Dabei ist vor allem der Druckverlust beim Strömen durch den Anschlussblock 28 signifikant, welcher im Wärmepumpenmodus austrittsseitig angeordnet ist. Um den Druckverlust zu minimieren, wird der Anschlussblock entweder mit einem größeren Strömungsquerschnitt als ein herkömmlicher Anschlussblock ausgebildet oder der herkömmliche Anschlussblock 28 wird mit einer Kurzschlussleitung 29 versehen. Die Kurzschlussleitung 29 wird auch als „Jumpertube” bezeichnet und stellt einen Bypass vom Sammelrohr 2 zum Anschlussblock 28 dar. Damit wird der Strömungsquerschnitt des Kältemitteldurchlasses 4 zwischen dem Sammelrohr 2 und der Kältemittelleitung 27 um den Querschnitt der Kurzschlussleitung 29 erweitert, ohne den Strömungsquerschnitt des Kältemitteldurchlasses 4 selbst zu vergrößern. Der Druckverlust beim Austreten des Kältemittels aus dem Wärmeübertrager 1 wird reduziert.
Bezugszeichenliste

1: Wärmeübertrager
2: erstes Sammelrohr
3: zweites Sammelrohr
4: erster Kältemitteldurchlass
5: zweiter Kältemitteldurchlass
6: Strömungsrichtung Kältemittel
6^I: Strömungsrichtung Kältemittel im Kälteanlagenmodus
6^II: Strömungsrichtung Kältemittel im Wärmepumpenmodus
7: statisches Trennelement
8: Fläche
9: Umrandung
10: Symmetrieebene
11: Arretierelement
12: Halteelement
13, 13': bewegliches Trennelement
14, 14': geradlinig bewegliches Verschlusselement, Schließblech
15, 15': Anschlagselement für Verschlusselement 14, Umlenkblech
16: geschlitzte Öffnung im Sammelrohr 2, 3
17: Flachrohrprofil
18, 18': innere Kontur des Umlenkbleches 15, 15'
19: äußere Kontur des Schließbleches 14
20: Ausformungen der inneren Kontur 18
21: Einschnitte der äußeren Kontur 19
22, 23: Führungselement
24: zweites Anschlagselement für Verschlusselement 14'
25: Öffnung
26: Spalt
27: Kältemittelleitung
28: Anschlussblock
29: Kurzschlussleitung
L: Längsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1895255 B1 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 1.4301 [0063]

Claims

Wärmeübertrager (1) eines Kältemittelkreislaufes einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges, wobei die Klimaanlage für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Heizmodus ausgebildet ist, aufweisend – ein erstes Sammelrohr (2) und ein zweites Sammelrohr (3), welche beabstandet und parallel zueinander ausgerichtet angeordnet sind, – einen ersten Kältemitteldurchlass (4) und einen zweiten Kältemitteldurchlass (5) zum Durchströmen des Kältemittels, – Strömungspfade, welche als parallel zueinander angeordnete Fluid-Verbindungen zwischen den Sammelrohren (2, 3) ausgebildet sind und jeweils zu einer Flut zugeordnet sind, sowie – Mittel zur Unterteilung des inneren Volumens mindestens eines Sammelrohres (2, 3) in voneinander unabhängige Bereiche, wobei – der Wärmeübertrager (1) mehrflutig sowie bidirektional durchströmbar ausgebildet ist und die Strömungsrichtung des Kältemittels im Inneren des Wärmeübertragers (1) vom Betriebsmodus abhängig ist, – in Strömungsrichtung des Kältemittels im Kälteanlagenmodus – die erste Flut des Wärmeübertragers (1) einen größeren Strömungsquerschnitt sowie eine größere Wärmeübertragungsfläche aufweist als die letzte Flut und – der erste Kältemitteldurchlass (4) zum Einströmen des Kältemittels einen größeren oder gleich großen Strömungsquerschnitt aufweist wie der zweite Kältemitteldurchlass (5) zum Ausströmen des Kältemittels.
Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kältemitteldurchlass (4) zum Einströmen des Kältemittels beim Betrieb im Kälteanlagenmodus einen inneren Durchmesser von größer als 8 mm aufweist.
Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kältemitteldurchlass (5) zum Ausströmen des Kältemittels beim Betrieb im Kälteanlagenmodus einen inneren Durchmesser von größer als 6 mm aufweist.
Wärmeübertrager (1) eines Kältemittelkreislaufes einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges, aufweisend ein Sammelrohr (2), parallel zueinander angeordnete Strömungspfade sowie mindestens zwei Kältemitteldurchlässe, wobei – der Wärmeübertrager (1) bidirektional durchströmbar ausgebildet ist und die Strömungsrichtung des Kältemittels im Inneren des Wärmeübertragers (1) vom Betriebsmodus der Klimaanlage abhängig ist, – das Kältemittel je nach Strömungsrichtung die Strömungspfade, das Sammelrohr (2) und den Kältemitteldurchlass (4) nacheinander durchströmt sowie – der Kältemitteldurchlass (4) mit einem Anschlussblock (28) für den Anschluss einer Kältemittelleitung (27) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Sammelrohr (2) und dem Anschlussblock (28) eine als zusätzliche Fluid-Verbindung zum Kältemitteldurchlass (4) ausgebildete Kurzschlussleitung (29) angeordnet ist.
Wärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die als Fluid-Verbindungen zwischen den Sammelrohren (2, 3) angeordneten Strömungspfade aus Flachrohrprofilen ausgebildet sind, wobei die Flachrohrprofile eine Tiefe von weniger als 20 mm aufweisen.
Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1) zweiflutig durchströmbar ausgebildet ist, wobei in Strömungsrichtung des Kältemittels im Kälteanlagenmodus das Verhältnis der Anzahl der Flachrohrprofile der ersten Flut zur zweiten Flut im Bereich von 3 bis 5 liegt.
Wärmeübertrager (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (1) vierflutig durchströmbar ausgebildet ist, wobei in Strömungsrichtung des Kältemittels im Kälteanlagenmodus das Verhältnis der Anzahlen der Flachrohrprofile der nacheinander durchströmten Fluten 19:13:10:6 beträgt.
Vorrichtung zur Unterteilung des inneren Volumens eines Sammelrohres (2, 3) und zur Strömungsumlenkung des Fluids im Sammelrohr (2, 3) eines Wärmeübertragers (1), dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Sammelrohres (2, 3) mindestens ein bewegliches Trennelement (13, 13') angeordnet ist, wobei das bewegliche Trennelement (13, 13') – auf dem Differenzdruckprinzip basierend ausgebildet ist und je nach Ausrichtung innerhalb des Sammelrohres (2, 3) und anliegender Druckdifferenz eine Öffnung freigibt oder verschließt, – ein bewegliches Verschlusselement (14, 14') und ein Anschlagselement (15, 15') aufweist, wobei das Verschlusselement (14, 14') im geschlossenen Zustand des Trennelementes (13, 13') am Anschlagselement (15, 15') anliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlagselement (15, 15') eine innere Kontur (18, 18') aufweist, wobei die innere Kontur (18, 18') eine Öffnung als Strömungsquerschnitt für das Fluid ausbildet, welche durch das Verschlusselement (14) im geschlossenen Zustand des Trennelementes (13, 13') verschlossen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (14, 14') in einer Längsrichtung L geradlinig beweglich ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (13, 13') Mittel zur Führung der Bewegung des beweglichen Verschlusselementes (14, 14') relativ zum Anschlagselement (15, 15') aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Kontur (18) des Anschlagselementes (15) mit Ausformungen (20) und das Verschlusselement (14) mit einem Führungselement (22) ausgebildet sind, wobei das Führungselement (22) die Form eines Stiftes aufweist, welcher sich senkrecht zur vom Verschlusselement (14) aufgespannten Ebene in Längsrichtung L erstreckend am Verschlusselement (14) angeordnet ist und an den Ausformungen (20) anliegend in Längsrichtung L beweglich gehaltert ist, sodass die Ausformungen (20) und das Führungselement (22) eine Führung für das bewegliche Verschlusselement (14) ausbilden.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (13') mit Führungselementen (23) zur Führung des beweglichen Verschlusselementes (14') ausgebildet ist, wobei die Führungselemente (23) – gleichmäßig am Umfang der inneren Kontur (18') des Anschlagselementes (15') am Anschlagselement (15') angeordnet sind, – als Kreissegmente mit einer Stufe ausgebildet sind, wobei die zum Kreismittelpunkt hin ausgerichteten, kreisbogenförmigen Flächen der Stufe, welche auf dem Anschlagselement (15') aufsitzen, zur Führung des beweglichen Verschlusselementes (14') vorgesehen sind und mit der Seitenfläche des Verschlusselementes (14') korrespondieren, sowie – als Auflage und Befestigung eines zweiten Anschlagselementes (24) für das Verschlusselement (14') ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Anschlagselement (24) – in Höhe der Stufe beabstandet zum ersten Anschlagselement (15') angeordnet ist, wobei das Verschlusselement (14') in Längsrichtung L zwischen den Anschlagselementen (15', 24) beweglich gehaltert ist, sowie – kreisrund ausgebildet ist und am äußeren Umfang angeordnete, in Längsrichtung L ausgerichtet Öffnungen (25) aufweist, wobei die Öffnungen (25) derart ausgebildet sind, dass beim Anliegen des Verschlusselementes (14') am Anschlagselement (24) mindestens jeweils ein Teil der Öffnung (25) einen Durchlass freigeben.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Führung der Bewegung des Verschlusselementes (14, 14') relativ zum Anschlagselement (15, 15') derart ausgebildet sind, eine Verdrehung des Verschlusselementes (14, 14') zu verhindern.
Wärmeübertrager (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Sammelrohres (2, 3) eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15 ausgebildet ist, sodass der Strömungsquerschnitt und/oder die Wärmeübertragungsfläche dynamisch veränderbar sind.