-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Expansionselement, beispielsweise einen Ejektor, und auf ein System zur Luftkonditionierung für ein Kraftfahrzeug, wobei das System das Expansionselement aufweist.
-
1 zeigt eine Anordnung von Komponenten einer Vorrichtung zur Luftkonditionierung für ein Kraftfahrzeug mit einem Ejektorverdampfer, gemäß dem Stand der Technik, wie sie beispielsweise in der
DE 10 2005 021 396 A1 offenbart ist. Die Vorrichtung weist einen Verdichter
1, einen als Kondensator ausgebildeten Kühler
2, ein als Ejektor ausgebildetes Expansionselement
3, eine Drossel
6 und einen Ejektorverdampfer
9 auf, wobei der Ejektorverdampfer
9 einen ersten Teilverdampfer
104, einen zweiten Teilverdampfer
105, die Drossel
6 und ein als Phasenseparator ausgebildetes Trennelement
107 umfasst beziehungsweise umfassen kann. Von dem ersten Teilverdampfer
104 zu dem Verdichter
1 führt eine Leitung A. Der Verdichter
1 ist mit dem Kühler
2 über eine Leitung B verbunden. Zwischen dem Kühler
2 und dem Expansionselement
3 verläuft eine Leitung C. An einem Punkt X tritt Kühlmittel aus einer Treibdüse des Expansionselementes
3 aus. Eine Leitung D verbindet das Expansionselement
3 mit dem Trennelement
107. Eine Leitung H verläuft von dem Trennelement
107 zu dem ersten Teilverdampfer
104. Eine Leitung E verläuft von dem Trennelement
107 zu der Drossel
6, von der aus eine Leitung F zu dem zweiten Teilverdampfer
105 führt, der über eine Leitung G mit dem Expansionselement
3 verbunden ist.
-
Am Austritt des Ejektors wird das Kältemittel aufgeteilt in einen ersten Teilstrom, der im ersten Teilverdampfer 104 von der warmen Luft beaufschlagt wird, verdampft und dem Kompressor zugeführt wird. Der andere – zweite – Teilstrom des Kältemittels wird in der Drossel 6 entspannt, und verdampft im zweiten Teilverdampfer 105 bei tieferem Druck (und niedrigerer Temperatur). Dieser Teilstrom wird dann vom Ejektor wieder abgesaugt. Das Kältemittel verlässt den Ejektor zweiphasig. Im einfachsten Fall wird der Kältemittelstrom in einem Strömungsteiler aufgespalten und damit dem Verdampfer 105 zweiphasiges Kältemittel zugeführt. Der dabei enthaltene Dampfmassenstrom erzielt keine Kälteleistung, verringert aber den Hub des Ejektors und damit die Effizienz des Ejektorverdampfers.
-
Deshalb wäre eine Beaufschlagung des zweiten Teilverdampfers
105 mit reiner Flüssigkeit oder zumindest einem Kältemittel mit hohem Flüssigkeitsanteil wünschenswert. In der
EP 2 050 601 werden Varianten vorgestellt, welche eine Beaufschlagung des zweiten Teilverdampfers
105 (dort als
5 bezeichnet) mit reiner Flüssigkeit erlauben. Die Varianten in der EP 2 050 601 erfordern jedoch zusätzlichen Bauraum.
-
2 zeigt ein Expansionselement in Form eines Ejektors, gemäß dem Stand der Technik. Der Ejektor weist einen Eintrittsabschnitt (in der Figur links gezeigt), wobei ein Sauganschluss des Ejektors hier nicht dargestellt ist, einen Austrittsabschnitt (in der Figur rechts gezeigt) mit einem Übertritt 201 zu einem Teilverdampfer und einer Drosselbohrung 202 zu einem weiteren Teilverdampfer und ein Mischrohr zwischen dem Eintrittsabschnitt und dem Austrittsabschnitt auf. In dem Eintrittsabschnitt befindet sich eine Treibdüse 210.
-
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Expansionselement und ein verbessertes System zur Luftkonditionierung für ein Kraftfahrzeug zu schaffen.
-
Diese Aufgabe wird durch ein Expansionselement mit dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich durch die Gegenstände der Unteransprüche sowie die nachfolgende Beschreibung.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Integration einer Phasentrennung in einen Ejektor, also in ein Expansionselement, wesentliche Vorteile bietet. Bei der Integration der Phasentrennung im Ejektor stehen minimaler Bauraumbedarf und Verbesserung der Effizienz eines Ejektorverdampfers durch Phasentrennung im Vordergrund.
-
Vorteilhafterweise kann durch Integration einer Phasentrennung in den Ejektoraustritt bei minimalem Bauraumaufwand die Effizienz eines Ejektorverdampfers gesteigert werden. Bei minimalem technischem Aufwand und ohne zusätzlichen Bauraumbedarf kommt es zu einer Anreicherung der flüssigen Phase an einem der Ausgänge des Ejektors und somit am Eintritt eines der Teilverdampfer. Diese Anreicherung bewirkt eine verbesserte Effizienz des Ejektorverdampfers.
-
Die vorliegende Erfindung schafft ein Expansionselement, das einen Eintrittsabschnitt mit einem ersten Eingang zur Zuführung von Kältemittel in einem ersten Zustand und zumindest einem zweiten Eingang zur Zuführung von Kältemittel in einem vorn ersten Zustand unterschiedlichen zweiten Zustand, einen Austrittsabschnitt mit einem ersten und einem zweiten Ausgang zum Ausgeben von Kältemittel und ein längliches Mischrohr aufweist, das entlang einer Längsachse des Expansionselements zwischen dem Eintrittsabschnitt und dem Austrittsabschnitt angeordnet ist und in dem Kältemittel von dem ersten und dem zweiten Eingang mischbar ist, wobei in dem Austrittsabschnitt innerhalb des Expansionselements eine Ausformung vorgesehen ist, die ausgebildet ist, um an dem ersten Ausgang einen höheren Anteil von Kältemittel in dem ersten Zustand als an dem zweiten Ausgang auszugeben.
-
Unter einem Expansionselement kann ein Ejektor, eine Form einer Strahlpumpe, verstanden werden. Der Eintrittsabschnitt ist der Eingangsbereich des Expansionselements innerhalb eines Gehäuses des Expansionselements, in dem sich die beiden Eingänge befinden. Bei dem ersten und dem zweiten Eingang handelt es sich einerseits um eine Treibdüse des Expansionselements und andererseits um einen Sauganschluss des Expansionselements. Der Zustand von Kältemittel ist hierbei ein Phasenzustand, d. h. eine Phase oder ein Aggregatszustand von Kältemittel. Unter den unterschiedlichen Zuständen können hierbei ein flüssiger und ein gasförmiger Zustand verstanden werden. Der Austrittsabschnitt ist der Austritts- oder Ausgangsbereich des Expansionselements innerhalb eines Gehäuses des Expansionselements. Bei dem ersten Ausgang kann es sich um eine Drosselbohrung des Expansionselements handeln und bei dem zweiten Ausgang kann es sich um einen Übertrittsöffnung für Kältemittel in einen Teilverdampfer handeln. Unter einem Mischrohr kann ein Mischraum innerhalb des Expansionselements verstanden werden, ein Hohlraum, in dem sich Kältemittel beider Zustände vermischt. Bei der Ausformung kann es sich um eine veränderte Formgebung einer Wand des Austrittsabschnitts und/oder eine zusätzliche Wand zur Lenkung des Kältemittelstroms handeln.
-
Insbesondere kann der erste Ausgang ausgebildet sein, um Kältemittel mit einem höheren Anteil im flüssigen Zustand auszugeben und der zweite Ausgang ausgebildet sein, um Kältemittel mit einem niedrigeren Anteil im flüssigen Zustand auszugeben. Der flüssige Zustand von Kältemittel ist hierbei also eine flüssige Phase. Ein hoher Anteil von Kältemittel in dem ersten Zustand bietet den Vorteil, dass somit zur Beaufschlagung eines Teilverdampfers ein hoher Anteil von Kältemittel in dem flüssigen Zustand zur Verfügung steht, was eine Kälteleistung erhöht, den Hub des Expansionselements vergrößert und somit die Effizienz desselben erhöht.
-
Gemäß einer Ausführungsform kann eine Trennwand vorgesehen sein, die in dem Austrittsabschnitt des Expansionselements angeordnet ist und sich von einem dem Mischrohr gegenüberliegenden Ende des Austrittsabschnitts in Richtung des Mischrohres erstreckt, wobei der von der Trennwand durchzogene Bereich des Austrittsabschnitts durch die Trennwand in einen ersten und einen zweiten Teil geteilt ist, die zu dem Mischrohr hin offen sind, wobei sich der erste Ausgang des Expansionselements in dem ersten Teil befindet und sich der zweite Ausgang des Expansionselements in dem zweiten Teil befindet. Unter einer Trennwand kann ein Trennblech oder Leitblech verstanden werden. Die Trennwand teilt den Strom von vermischtem Kältemittel in zwei Teilströme auf. Dies bietet den Vorteil, dass eine Phasentrennung in dem Expansionselement erleichtert wird. Die Phasentrennung wird hierbei durch ein kostengünstig herstellbares Bauglied mit einfachem Aufbau herbeigeführt und/oder unterstützt.
-
Auch kann zumindest ein Umlenkelement zur Abscheidung von Kältemittel in dem ersten Zustand vorgesehen sein, wobei das zumindest eine Umlenkelement in dem ersten Teil des von der Trennwand durchzogenen Bereichs des Austrittsabschnitts angeordnet ist. Dies bietet den Vorteil, dass bei der Phasentrennung der Anteil von Kältemittel in dem flüssigen Zustand an der in dem ersten Teil befindlichen ersten Öffnung weiter erhöht werden kann.
-
Gemäß einer Ausführungsform kann die Trennwand zumindest teilweise planare Hauptoberflächen aufweisen. Hierbei kann die Trennwand ein plattenförmiges Bauglied sein. Dies bietet den Vorteil einer Herbeiführung und/oder Unterstützung der Phasentrennung bei besonders einfacher Konstruktion der Trennwand und einem minimalen Druckverlust durch fehlende Umlenkungen des Kaltemittelstromes.
-
Bei einer anderen Ausführungsform kann die Trennwand bezüglich der Längsachse des Expansionselements eine Verdrehung aufweisen. Die Verdrehung der Trennwand ist schraubenförmig entlang der Längsachse des Expansionselements. Somit kommt es zu einer überkreuzten Führung der durch die Trennwand getrennten Teilströme von Kältemittel. Dies bietet den Vorteil, dass durch die Verdrehung auf besondere Gegebenheiten in dem Expansionselement eingegangen und immer noch eine Phasentrennung herbeigeführt und/oder unterstützt werden kann.
-
Hierbei kann die Trennwand um einen Winkel von im Wesentlichen 180 Grad oder im Wesentlichen 90 Grad, bezogen auf eine Achse, die einer Flussrichtung des Kältemittels folgt (Längsachse des Expansionselementes), verdreht sein. Hiermit kann eine Anpassung an spezielle Zufuhrverhältnisse von Kältemittel erfolgen, sodass auch in Sonderfällen eine Phasentrennung herbeigeführt und/oder unterstützt wird.
-
Auch kann der Austrittsabschnitt des Expansionselements bezüglich der Längsachse des Expansionselements eine asymmetrische Ausformung aufweisen. Die asymmetrische Ausformung betrifft eine Wandung des Expansionselements im Austrittsabschnitt desselben. Dies bietet den Vorteil einer Erleichterung der Phasentrennung durch unterschiedliche Strömungsverhältnisse für den Kältemittelstrom.
-
Hierbei kann die asymmetrische Ausformung eine Ausbauchung eines zu dem zweiten Ausgang führenden Bereichs des Austrittsabschnitts aufweisen. Die Ausbauchung weist beispielsweise die Form einer steilen Ausstellung einer Wand des Austrittsabschnitts auf. Dies bietet den Vorteil, dass Kältemittel in dem zweiten Zustand, also dem gasförmigen Zustand, dieser Ausbauchung zu dem zweiten Ausgang hin leichter folgen kann als Kältemittel in dem ersten Zustand, also dem flüssigen Zustand, womit die Phasentrennung erleichtert wird.
-
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein System zur Luftkonditionierung für ein Kraftfahrzeug, mit folgenden Merkmalen:
- – einem Verdichter zur Kompression eines saugseitig zugeführten Kältemittels;
- – einem Kühler, der dem Verdichter in Flussrichtung des Kältemittels nachgeordnet und mit dem Verdichter verbunden ist;
- – einem Expansionselement gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, das dem Kühler in Flussrichtung des Kältemittels nachgeordnet und mit dem Kühler verbunden ist;
- – einem ersten Verdampfer, dem ein Teil des aus einem der Ausgänge des Expansionselements ausgelassenen Kältemittels zuführbar ist, wobei das den ersten Verdampfer verlassende Kältemittel zumindest teilweise einem der Eingänge des Expansionselements zuführbar ist; und
- – einem zweiten Verdampfer, dem ein Teil des aus einer der Ausgänge des Expansionselements ausgelassenen Kältemittels zuführbar ist, wobei das den zweiten Verdampfer verlassende Kältemittel der Saugseite des Verdichters zuführbar ist, wobei der erste und zweite Verdampfer mit einem zu kühlenden Fluid beströmbar sind.
-
Unter einem System zur Luftkonditionierung kann beispielsweise eine Klimaanlage verstanden werden. Unter einem Verdichter kann ein Kompressor verstanden werden. Bei dem Kühler kann es sich um einen Kondensator handeln. In dem System kann ein erfindungsgemäßes Expansionselement vorteilhaft eingesetzt werden.
-
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine Darstellung eines Systems zur Luftkonditionierung für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Stand der Technik;
-
2 eine Darstellung eines Expansionselements, gemäß dem Stand der Technik;
-
3 eine Darstellung eines Expansionselements, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
-
4 eine Darstellung eines Expansionselements, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
-
5 eine Darstellung eines Expansionselements, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
-
6 eine Darstellung eines Expansionselements, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
-
In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Zeichnungen dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird.
-
Im Folgenden sind mehrere Varianten gezeigt, wie eine Phasentrennung innerhalb eines Expansionselementes für ein System zur Luftkonditionierung für ein Kraftfahrzeug realisiert sein kann.
-
3 zeigt ein als Ejektor ausgebildetes Expansionselement, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Expansionselement weist ein Trennblech 200, einen Übertritt 201, eine Drosselbohrung 202, einen Teilstrom 203, einen anderen Teilstrom 204, einen überschüssige Massenstrom 205 und einen Bereich 300 auf, in dem der Teilstrom 203 eintritt.
-
Das Expansionselement hat die Form eines röhrenförmigen, länglichen Gehäuses, das in mehrere Hauptabschnitte gegliedert ist. In der 3 links dargestellt befindet sich der Eintrittsabschnitt 209a des Expansionselements und in der 3 rechts dargestellt befindet sich der Austrittsabschnitt 209d des Expansionselements, wobei zwischen dem Eintrittsabschnitt und dem Austrittsabschnitt das Mischrohr 209b angeordnet ist. Eine Querschnittsfläche des Mischrohres ist verglichen mit Querschnittflächen des Eintrittsabschnitts und des Austrittsabschnitts geringer.
-
In dem Eintrittsabschnitt des Expansionselements befindet sich eine Treibdüse, die in den Eintrittsabschnitt hineinragt. Ebenfalls in dem Eintrittsabschnitt des Expansionselements befindet sich zumindest ein Sauganschluss, der in der 3 nicht dargestellt ist.
-
Das Mischrohr 209b grenzt an ihren Enden an einen eintrittsseitigen Übergangsbereich und an einen austrittsseitigen Übergangsbereich. In diesen Übergangsbereichen verkleinern sich die Querschnittflächen des Eintrittsabschnitts und des Austrittsabschnitts auf die Querschnittsfläche des Mischrohres. Zwischen den Übergangsbereichen weist das Mischrohr eine im Wesentlichen konstante Querschnittfläche auf. Bei dem austrittsseitigen Übergangsbereich handelt es sich um einen so genannten Diffuser 209c. Der Diffusor ist ausgebildet, um durch eine Abbremsung der Ströme die kinetische Energie der Ströme in eine Druckerhöhung umzuwandeln.
-
In dem Austrittsabschnitt des Expansionselements sind das Trennblech 200, der Übertritt 201 und die Drosselbohrung 202 angeordnet. Der Übertritt 201 weist einen rechteckigen Querschnitt auf und die Drosselbohrung 202 weist einen kreisförmigen Querschnitt auf. Das Trennblech erstreckt sich von einer Endwand (in der 3 ganz rechts dargestellt) des Austrittsabschnitts in Richtung des Mischrohres. Des Trennblech 200 ist mit einer Längsachse (in der 3 als Strich-Punkt-Linie dargestellt) des Expansionselements ausgerichtet. Die Längsachse des Expansionselements verläuft zentral durch das Expansionselement hindurch. Durch das Trennblech 200 ist der Bereich 300 mit der Drosselbohrung 202 von einem Bereich mit dem Übertritt 201 abgetrennt. Die Bereiche sind zu dem Diffusor hin offen. Die Dicke des Trennblechs 200 beträgt in etwa die Dicke einer Wandung des Expansionselements. Das Trennblech 200 weist eine Länge entlang der Längsachse des Expansionselements auf, die in etwa der Länge des Austrittabschnitts bis zu Bern austrittsseitigen Übergangsbereich entlang der Längsachse des Expansionselements entspricht.
-
Charakteristisch für dieses Ausführungsbeispiel ist ein Einbau des Trennblechs 200 nach dem Diffuser, welches den Teilströmen einen Strömungsquerschnitt zur Verfügung stellt, der sich vorn Massenstromverhältnis der Teilströme unterscheidet. Bekommt der Teilstrom 203 anteilig einen größeren Querschnitt zugewiesen als dem Massenstrom entspricht, so wird sich dort ein höherer Flüssigkeitsanteil anreichern, da der überschüssige Massenstrom 205 wieder in den anderen Teilstrom 204 umgelenkt werden muss. Die flüssige Phase kann dieser Umlenkung nicht so gut folgen und reichert sich im hinteren oberen Bereich (in der 3 rechts oben gezeigt) an, wo sie in der Drosselbohrung 202 gedrosselt und aus dem Expansionselement geleitet wird. Diese Flüssigkeitsanreicherung kann auch verstärkt werden, indem im Bereich 300, in den der Teilstrom 203 eintritt, weitere Umlenkungen (in 3 nicht gezeigt) eingebaut werden, die zu einer Abscheidung der Flüssigkeit führen. Der flüssigkeitsärmere Strom wird durch den Übertritt 201 bei möglichst geringem Druckverlust aus dem Expansionselement geleitet.
-
4 zeigt ein als Ejektor ausgebildetes Expansionselement, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Expansionselement gemäß 4 entspricht im Wesentlichen dem Expansionselement gemäß 3, mit der Ausnahme, dass in 4 ein Sauganschluss 206 in dem Eintrittsabschnitt des Expansionselements dargestellt ist, die Teilströme mit A und B bezeichnet sind und ein um 180° verdrehtes Trennblech 207 (anstelle des Trennblechs 200 aus 3) in dem Austrittsabschnitt vorgesehen ist.
-
Charakteristisch für dieses Ausführungsbeispiel ist eine Verdrehung des Trennblechs bzw. Leitblechs. Wenn der Saugstrom nur in einer oder wenigen Öffnungen in den Mischraum des Ejektors tritt (beispielsweise in 206 in 4), dann kann der Dampfgehalt am Austritt des Ejektors inhomogen sein. Dies wäre beispielsweise in 4 der Fall. Ist durch Schichtung im Ejektor der Dampfanteil in A niedriger als in B, dann wäre die Anbringung eines Leitblechs wie in 3 ineffektiv. Wird das Trennblech aber um 180° geschraubt, dann wird dem Übertritt 201 der flüssigkeitsärmere Bereich A und der Drossel 202 der Flüssigkeitsreichere Bereich B zugeordnet, was die Phasentrennung wieder effektiver macht.
-
In Weiterentwicklung des Gedankens der Verdrehung des Trennblechs ergibt sich eine Wahl eines Verdrehungswinkels von –180° bis 180°, so dass je nach den aktuellen Verhältnissen im Ejektor eine optimale Phasentrennung erfolgt.
-
5 zeigt ein als Ejektor ausgebildetes Expansionselement, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Expansionselement gemäß 5 entspricht im Wesentlichen dem Expansionselement gemäß 3, mit der Ausnahme, dass in 5 der Übertritt 201 einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, ein Wandbereich des Austrittsabschnitts auf der Seite des Übertritts 201 eine Ausbauchung aufweist und die Trennwand 200 in Richtung des Übertritts 201 versetzt ist. Charakteristisch für dieses Ausführungsbeispiel ist ein steiles Ausstellen des Strömungskanals zum Übertritt 201. Der Teilstrom, der einen höheren Dampfanteil aufweisen soll, wird durch diese Ausstellung weiter umgelenkt, der Dampf kann der Umlenkung leichter folgen als die Flüssigkeit. Der Einsatz des Trennblechs 200 ist hierbei optional.
-
6 zeigt ein als Ejektor ausgebildetes Expansionselement, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Expansionselement gemäß 6 entspricht im Wesentlichen den Expansionselementen gemäß 3 und 4, mit der Ausnahme, dass in 6 ein um 90° verdrehtes Trennblech 208 (anstelle des Trennblechs 200 von 3 und des Trennblechs 207 von 4) vorgesehen ist. Bei niedrigen Massenströmen, bei denen es zu einer Separation der Phasen schon im Diffusor kommt, befindet sich beispielsweise die flüssige Phase im geodätisch unteren Teil des Diffusors. Dann ist ein Trennblech 208 wie in 6 vorteilhaft, bei dem der untere Teil des Ejektorauslaufs zur Drosselbohrung 202 geführt wird. Das Trennblech ist dabei um 90° gedreht.
-
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.
-
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
-
- DE 102005021396 A1 [0002]
- EP 2050601 [0004]
