DE102008060699A1

DE102008060699A1 - Verdampfer für einen Kältekreis

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Publication number: DE102008060699A1
Application number: DE102008060699A
Authority: DE
Inventors: Gottfried Dipl.-Ing. Dürr; Günther Dr. rer. nat. Feuerecker; Stefan Dipl.-Ing. Hirsch; Tobias Isermeyer; Caroline Schmid; Christoph Dipl.-Ing. Walter; Achim Dr.-Ing. Wiebelt
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2008-12-08
Filing date: 2008-12-08
Publication date: 2010-06-10
Also published as: CN102239374B; EP2373934A1; US8616012B2; WO2010076101A1; US20110296851A1; EP2373934B1; CN102239374A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verdampfer für einen Kältekreis, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Verdampferbereich (1), wobei ein den Verdampferbereich (1) durchströmendes Kältemittel in dem Verdampferbereich (1) Wärme von einem Außenbereich aufnimmt, wobei der Verdampferbereich (1) einlassseitig einem ersten Expansionsorgan (3) in Strömungsrichtung des Kältemittels nachgeordnet ist, wobei ein Tauscherglied (2) zwischen dem Verdampferbereich (1) und dem ersten Expansionsorgan (3) vorgesehen ist, wobei Wärme von dem Kältemittel stromaufwärts des Verdampferbereichs (1) auf das Kältemittel stromabwärts des Verdampferbereichs (1) übertragbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdampfer für einen Kältekreis, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Betriebsverfahren für einen solchen Verdampfer.
Es ist bekannt, den Kältemittelstrom durch den Verdampfer eines Kältekreises zu regeln, zum Beispiel mittels eines thermostatischen Expansionsventils, so dass austrittsseitig des Verdampfers bzw. saugseitig eines Verdichters des Kältekreises eine Überhitzung des Kältemittels sichergestellt ist. Hierdurch ist die Kühlleistung nicht homogen über den gesamten Verdampfer verteilt. Dies ist nicht nur allgemein bei Verdampfern zur Luftkonditionierung zum Beispiel eines Fahrzeuginnenraums unerwünscht, sondern in besonderem Maße auch bei der Kühlung von Wärmequellen, bei denen es auf die Einhaltung eines bevorzugten Temperaturbereichs besonders ankommt.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Verdampfer für einen Kältekreis anzugeben, bei dem ein definierter Bereich mit besonders homogener Kühlleistung gegeben ist.
Diese Aufgabe wird für einen eingangs genannten Verdampfer erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch das Tauscherglied wird eine Überhitzung des den Verdampferbereich verlassenden Kältemittels ermöglicht, indem Wärme definiert von dem einlassseitigen Kältemittelstrom auf den austretenden Kältemittelstrom übertragen wird. Die ermöglicht es insbesondere, das Kältemittel den Verdampferbe reich ohne oder mit nur geringfügiger Überhitzung durchströmen zu lassen. So kann das Kältemittel auch in dem gesamten Verdampferbereich als Nassdampfphase vorliegen und somit eine vollständige und homogene Kühlung des Verdampferbereichs bewirken. Unter einem Kältemittel im Sinne der Erfindung ist jedes geeignete Betriebsmittel eines Kältekreises zu verstehen, insbesondere neben herkömmlichen Kältemitteln wie etwa R134a auch CO₂. Unter dem ersten Expansionsorgan im Sinne der Erfindung ist jedes geeignete Expansionsorgan wie etwa eine Festdrossel, ein thermostatisches Expansionsventil (TXV) oder auch ein elektronisch geregeltes Expansionsventil zu verstehen. Da das erste Expansionsorgan stromaufwärts des Tauscherglieds angeordnet ist, kann das Tauscherglied auch als ein innerer Niederdruck-Wärmeübertrager des Kältekreises betrachtet werden. Der erfindungsgemäße Verdampfer umfasst somit einen im Wesentlichen mit dem Außenraum in Wärmeaustausch stehenden Verdampferbereich und das im Wesentlichen einen innerem Wärmeaustausch bewirkende Tauscherglied.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist einlassseitig zwischen dem Tauscherglied und dem Verdampferbereich ein zweites Expansionsorgan vorgesehen. Hierdurch kann der einlassseitige Teil des dem Verdampferbereich vorgelagerten Tauscherglieds besonders effektiv eine Enthalpiemenge auf den auslassseitigen Kältemittelstrom übertragen. Bei dem zweiten Expansionsorgan handelt es sich im Interesse einer einfachen Bauweise bevorzugt um eine Festdrossel, die entsprechend zu dimensionieren ist. Je nach Anforderungen kann das zweite Expansionsorgan aber auch regelbar ausgelegt sein, entweder alternativ oder ergänzend zu einer regelbaren Auslegung des ersten Expansionsorgans.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das erste Expansionsorgan als einzige Schnittstelle von Verdampferdereich und Tauscherglied zu dem übrigen Kältekreis ausgebildet ist, wobei das erste Expansionsorgan insbesondere als thermostatisches Expansionsventil ausgebildet ist.
In allgemein bevorzugter Ausführungsform erfährt das erste Kältemittel in einem Normalbetrieb im Verdampferbereich im Wesentlichen keine Überhit zung, wobei eine Überhitzung austrittsseitig des Verdampferbereichs in dem Tauscherglied erfolgt. Hierdurch unterliegt der gesamte Verdampferbereich einer im Wesentlichen homogenen Kühlleistung, und insbesondere ist kein in seiner Ausdehnung lastabhängiger Überhitzungsbereich in dem Verdampferbereich vorhanden.
Bevorzugt ist das Tauscherglied auf einfache Weise als Abschnitt paralleler Kanäle ausgebildet, wobei zumindest ein hinführender Kanal mit zumindest einem rückführenden Kanal über eine Trennwand in thermischem Austausch steht. Anzahl und Länge der Kanäle können dabei je nach geforderter Leistung des Tauscherglieds und gegebenem Bauraum ausgelegt sein. In besonders bevorzugter Detailgestaltung haben der hinführende Kanal und der rückführende Kanal einen im Wesentlichen spiralförmigen Verlauf. Hierdurch kann ein kompaktes Tauschglied realisiert werden. Unter einer Spiralform im Sinne der Erfindung ist eine kreisförmige, elliptische, mehreckige oder sonstige spiraliförmige Anordnung zu verstehen.
Im Interesse einer Integration von Bauteilen und Minimierung des Bauraums sind in bevorzugter Ausführung zumindest der Verdampferbereich und das Tauscherglied als baulich integrierte Einheit ausgebildet. Je nach Anforderungen können der Verdampferbereich und das Tauscherglied aber auch als baulich separierte Einheiten ausgebildet sein, die insbesondere aber nicht notwendig an verschiedenen Orten montiert und über Kältemittelleitungen miteinander verbunden sind.
Bei einer möglichen Ausführungsform der Erfindung ist der Verdampferbereich als luftdurchströmter Klimaverdampfer zur Klimatisierung eines Luftstroms, insbesondere als Flachrohrverdampfer, ausgebildet.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Verdampfer als Kühlkörper zur Kühlung von thermisch leitfähig mit dem Kühlkörper verbundenen Elementen ausgebildet. Bei solchen Verdampferbereichen werden regelmäßig besonders hohe Anforderungen an eine homogene Kühlung sämtlicher der Elemente gestellt. Ein Beispiel für die räumliche Gestaltung eines solchen Verdampferbereichs ist in der Druckschrift EP 1 835 251 A1 beschrieben, wobei der Kühlkörper eine flache Plattenform mit igelartig daran angeordneten Halterungen für zylindrische Speicherzellen hat. Die von der Erfindung umfassten Bauformen eines als Kühlkörper ausgebildeten Verdampferbereichs sind nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Zum Beispiel kann der Kühlkörper auch zur Kühlung von Flachzellen („Coffee-Bags”) oder prismatischen Zellen ausgeformt sein, als gefalteter Kühlkörper ausgebildet sein oder Ähnliches.
In bevorzugte Detailgestaltung sind dabei die Elemente als elektrische Energiespeicher, insbesondere Lithium-Ionen-Speicherzellen, ausgebildet. Lithium-Ionen-Speicherzellen erfordern nicht nur eine hohe Kühlleistung aufgrund ihrer Leistungsdichte, sondern stellen auch in Funktion, Betriebssicherheit und Lebensdauer hohe Anforderungen an die Einhaltung eines gegebenen Temperaturbereichs.
In möglicher Detailgestaltung kann zudem eine weitere Wärmequelle, insbesondere eine Leistungselektronik, thermisch an das Tauscherglied angebunden sein. Bei einer solchen Gestaltung wird das Tauscherglied nur teilweise als innerer Wärmetauscher des Kältekreises ausgelegt und erlaubt auch einen Wärmeübergang mit dem Außenbereich, wobei die eingebrachte Wärme zusätzlich eine Überhitzung des Kältemittels im Tauscherglied sicherstellt. Alternativ kann das Tauscherglied aber auch ohne Wärmeaustausch mit dem Außenbereich bzw. als ausschließlich innerer Wärmeübertrager ausgelegt sein.
Bei einer bevorzugten, kostengünstigen und einfachen Bauform ist der Kühlkörper zumindest im Verdampferbereich in einer Platten-Sandwich-Bauweise ausgebildet. Eine solche Bauweise eines Plattenverdampfers ist zum Beispiel in der Druckschrift DE 195 28 116 B4 beschrieben, wobei mehrere Lagen von durchbrochenen, insbesondere lotplattierten Blechen sandwichartig übereinander gestapelt werden, um die Kanäle für das Kältemittel auszubilden. Besonders bevorzugt ist dabei auch das Tauscherglied in einer Platten-Sandwich-Bauweise ausgebildet, insbesondere in baulicher Einheit mit dem Verdampferbereich.
Die Aufgabe der Erfindung wird für ein Betriebsverfahren eines erfindungsgemäßen Verdampfers zudem durch die Merkmale des Anspruchs 15 gelöst. Durch die Regelung zur Vermeidung einer Überhitzung im Verdampferbereich wird eine besonders homogene Kühlung sichergestellt.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Ausführungsbeispielen sowie den abhängigen Ansprüchen.
Nachfolgend werden mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele eines Abgaskühlers beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
2 zeigt ein Druck-Enthalpie-Diagramm eines Kältekreises mit erfindungsgemäßem Verdampfer.
3 zeigt mehrere Querschnitte A–E möglicher Bauformen eines Tauschglieds.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Bauform eines Tauscherglieds.
Der in 1 gezeigte Verdampfer umfasst einen Verdampferbereich 1 und ein diesem angeschlossenes Tauscherglied 2. Der Verdampfer 1 ist als Flachrohr-Verdampfer zur Konditionierung von Luft L für einen Fahrgastraum ausgebildet. Zur Optimierung seiner Leistung und Verbesserung der Homogenität ist er in vorliegend sechs Blöcke aufgeteilt, die nacheinander von einem Kältemittel K durchströmt werden. Der Verdampferbereich ist somit als ein thermisch mit dem Außenbereich verbundener Wärmetauscher ausgebildet, wobei das Tauscherglied im Wesentlichen als ein innerer Wärmetauscher ausgebildet ist.
Ein thermostatisches Expansionsventil 3 ist als ein erstes Expansionsorgan vor dem Tauscherglied 2 angeordnet, wobei ein hinführender Kältemittelstrom durch das Expansionsventil 3 geregelt wird. Der aus dem Verdampfer austretende Kältemittelstrom durchströmt das Expansionsventil ebenfalls, wobei die Regelung in Abhängigkeit von Druck und Temperatur des austretenden Stroms erfolgt. Auf diese Weise wird kontinuierlich eine Überhitzung des austretenden Stroms sichergestellt, der nachfolgend saugseitig in einen Verdichter des Kältekreises eintritt.
Eingangsseitig des Verdampferbereichs 1 bzw. zwischen Tauscherglied 2 und Verdampferbereich 1 ist ein zweites Expansionsorgan 4 in Form einer Festdrossel vorgesehen. Hierdurch wird erreicht, dass der eintretende Strom des Kältemittels im Bereich des Tauscherglieds nur teilweise expandiert, wobei in diesem Bereich eine zur Überhitzung ausreichende Wärmemenge auf den austretenden Strom übertragen wird. In dem gesamten Verdampferbereich 1 kann daher bei entsprechender Regelung nicht überhitztes Kältemittel, also Nassdampf, vorliegen.
In einfacher Ausführung kann das Tauscherglied als parallele, hin- und rückführende Kanäle 2a, 2b ausgelegt sein, die über eine Wand 2c in thermischem Kontakt stehen. 3 zeigt verschiedene geeignete Varianten einer solchen Anordnung. Insbesondere die Ausführungen A, C, D und E können als Strangpressprofile ausgebildet sein, die beide Kanäle 2a, 2b umfassen. Ausführung B besteht aus zwei konzentrischen Rohren, an deren Enden entsprechende Zuführstücke (nicht dargestellt) für das Kältemittel angeordnet sind. In jedem Fall ist der hydraulische Querschnitt für den rückführenden Kanal größer als für den hinführenden Kanal, um der Expansion im Verdampfer 1, 2 Rechnung zu tragen.
Das Tauscherglied 2 kann zum Beispiel als mehrkanaliger Rohrabschnitt mit dem Flachrohrverdampfer 3 als baulich integrierte Einheit ausgebildet sein. Insbesondere kann auch das Expansionsventil 3 an dieser Einheit vorgesehen sein. D die Anschlüsse des Expansionsventils 3 stellen in bekannter Weise die einzige Schnittstelle des Verdampfers 1, 2 zum übrigen Kältekreis dar.
Bei dem in 2 gezeigten Kreislauf des Kältemittels erfolgen nacheinander

– Verdichtung A,
– annähernd isobare Abkühlung in einem Kondensator B,
– erste isenthalpe Expansion C durch das Expansionsventil 3,
– annähernd isobare Enthalpieabgabe D im einströmenden Teil des Tauscherglied s,
– zweite annähernd isobare Expansion E durch die Festdrossel 4,
– annähernd isobare Enthalpieaufnahme F im Verdampferbereich 1, und
– Überhitzung G im ausströmenden Teil des Tauscherglieds 2.

In dem Zustandsdiagramm 2 ist zudem eine Zustandskurve des Kältemittels eingetragen. Die Bereiche F und G grenzen im Schnitt mit der Zustandskurve aneinander. Dies stellt den Fall dar, dass die Überhitzung exakt mit dem Übergang vom Verdampferbereich 1 in das Tauscherglied 2 beginnt.
Typische beispielhafte Betriebspunkte für das Kältemittel sind dabei:
6 bar, 20°C nach erstem Expansionsorgan 3 bzw. Übergang C nach D,
6 bar, 10°C nach Tauscherglied eintrittsseitig bzw. Übergang D nach E,

6 bar, 10°C nach Tauscherglied 2 eintrittsseitig bzw. Übergang D nach E,
3 bar, 0°C im Verdampferbereich 1 bzw. im Bereich F bis zum Übergang nach G,
3 bar, 10°C nach Tauscherglied 2 austrittsseitig bzw. Übergang G nach A.
Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß 4 unterscheidet sich vom ersten Beispiel nur in der baulichen Gestaltung insbesondere des Verdampferbereichs 1, ist aber in der Funktion (siehe 2) identisch.
Vorliegend ist der Verdampferbereich 1 als plattenförmiger Kühlkörper ausgebildet, auf dem zu kühlende Elemente (nicht dargestellt) in Form von Lithium-Ionen-Speicherzellen thermisch leitend angebracht sind. Ein Beispiel für eine konkrete Bauform eines solchen als Kühlkörper ausgebildeten Verdampfers ist in der Druckschrift EP 1 835 251 A1 beschrieben.
In der konstruktiven Detailgestaltung ist der Kühlkörper dabei in einer Sandwich-Platten-Bauweise aus aufeinander geschichteten, lotplattierten Blechen bzw. Platten ausgebildet, wobei die Kältemittelkanäle mittels vorgestanzter Durchbrechungen in den Blechen ausgeformt werden. Der Blechstapel wird dann in einem Lötofen flächig miteinander verlötet. Ein detailliertes Beispiel für eine solche Bauweise eines Verdampfers ist aus der Druckschrift DE 195 28 116 B4 bekannt.
Im vorliegenden Beispiel ist das Tauscherglied 2 separiert von dem plattenförmigen Kühlkörper bzw. Verdampferbereich 1 vorgesehen und über Kältemittelleitungen mit diesem verbunden.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel nach 5 ist im Unterschied zu dem zweiten Ausführungsbeispiel der plattenförmige Kühlkörper 1 als integrierte bauliche Einheit mit dem Tauscherglied 2 ausgebildet.
6 zeigt eine beispielhafte Formgebung der Kältemittelkanäle des Tauscherglieds 2, wobei die parallel verlaufenden, hin- und rückführenden Kanäle 2a, 2b mit ihrer thermisch verbindenden Trennwand 2c in einer Ebene spiralförmig gewickelt sind. In der Mitte der Spirale erfolgt für jeden der Kanäle eine Umleitung in der Tiefe, die zum Beispiel durch eine Anschlussbohrung in der Kühlplatte realisiert sein kann. Die spiralförmige Gestaltung des Tauscherglieds 2 kommt seiner Eigenschaft als innerer Wärmetauscher des Kältekreises entgegen.
In der baulichen Realisierung ist das spiralförmige Tauscherglied 2 ebenso wie der Verdampferbereich 1 in 4, 5 durch einen Stapel von durchbrochenen Blechen aufgebaut. Im Beispiel nach 5 sind dies zweckmäßig die durchgehend gleichen Bleche wie die des Verdampferbereichs.
Alternativ kann eine spiralförmige Gestaltung des Tauscherglieds auch durch Aufwicklung von Rohren, zum Beispiel mit Querschnitten gemäß 3, erzielt werden.
Alternativ können die hin- und rückführenden Kanäle in den Ausführungsbeispielen gemäß den 3 und 6 vertauscht werden, so dass die Kanäle 2a als rückführende und die Kanäle 2b als hinführende Kanäle ausgebildet sind.
Es versteht sich, dass die einzelnen Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele je nach Anforderungen sinnvoll miteinander kombiniert werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1835251 A1 [0011, 0033]
- DE 19528116 B4 [0014, 0034]

Claims

Verdampfer für einen Kältekreis, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen Verdampferbereich (1), wobei ein den Verdampferbereich (1) durchströmendes Kältemittel in dem Verdampferbereich (1) Wärme von einem Außenbereich aufnimmt, wobei der Verdampferbereich (1) einlassseitig einem ersten Expansionsorgan (3) in Strömungsrichtung des Kältemittels nachgeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Tauscherglied (2) zwischen dem Verdampferbereich (1) und dem ersten Expansionsorgan (3) vorgesehen ist, wobei Wärme von dem Kältemittel stromaufwärts des Verdampferbereichs (1) auf das Kältemittel stromabwärts des Verdampferbereichs (1) übertragbar ist.
Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einlassseitig zwischen dem Tauscherglied (2) und dem Verdampferbereich (1) ein zweites Expansionsorgan (4) vorgesehen ist.
Verdampfer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Expansionsorgan (3) als einzige Schnittstelle von Verdampferbereich (1) und Tauscherglied (2) zu dem übrigen Kältekreis ausgebildet ist, wobei das erste Expansionsorgan (3) insbesondere als thermostatisches Expansionsventil ausgebildet ist.
Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kältemittel in einem Normalbetrieb im Verdampferbereich (1) im Wesentlichen keine Überhitzung erfährt, wobei eine Überhitzung austrittsseitig des Verdampferbereichs (1) in dem Tauscherglied (2) erfolgt.
Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Tauscherglied (2) als Abschnitt insbesondere paralleler Kanäle (2a, 2b) ausgebildet ist, wobei zumindest ein hinführender Kanal (2a) mit zumindest einem rückführenden Kanal (2b) über eine Trennwand (2c) in thermischem Austausch steht.
Verdampfer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der hinführende Kanal (2a) und der rückführende Kanal (2b) einen im Wesentlichen spiralförmigen Verlauf aufweisen.
Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Verdampferbereich (1) und das Tauscherglied (2) als baulich integrierte Einheit ausgebildet sind.
Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampferbereich (1) und das Tauscherglied (2) als baulich separierte Einheiten ausgebildet sind.
Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampferbereich (1) als luftdurchströmter Klimaverdampfer zur Klimatisierung eines Luftstroms, insbesondere als Flachrohrverdampfer, ausgebildet ist.
Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (1) als Kühlkörper zur Kühlung von thermisch leitfähig mit dem Kühlkörper verbundenen Elementen ausgebildet ist.
Verdampfer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente als elektrische Energiespeicher, insbesondere Lithium-Ionen-Speicherzellen, ausgebildet sind.
Verdampfer nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine von den Elementen verschiedene Wärmequelle, insbesondere eine Leistungselektronik, thermisch an das Tauscherglied (2) angebunden ist.
Verdampfer nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper zumindest im Verdampferbereich (1) in einer Platten-Sandwich-Bauweise ausgebildet ist.
Verdampfer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass auch das Tauscherglied in einer Platten-Sandwich-Bauweise ausgebildet ist, insbesondere in baulicher Einheit mit dem Verdampferbereich (1).
Verfahren zum Betrieb eines Verdampfers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt – Regeln zumindest des ersten Expansionsorgans (3), wobei durch die Regelung eine Überhitzung des Kältemittels an einem Austritt des Verdampferbereichs (1) vermieden wird und wobei eine Überhitzung des Kältemittels an einem nachfolgenden Austritt des Tauscherglieds (2) sichergestellt wird.