DE102014108989A1

DE102014108989A1 - Verzweiger für einen Kältemittelstrom eines Kältemittelkreislaufs

Info

Publication number: DE102014108989A1
Application number: DE102014108989.8A
Authority: DE
Inventors: Roland Haussmann
Original assignee: Valeo Klimasysteme GmbH
Current assignee: Valeo Klimasysteme GmbH
Priority date: 2014-06-26
Filing date: 2014-06-26
Publication date: 2015-12-31
Also published as: CN106662380A; WO2015197612A1; EP3161393A1; US20170138651A1; JP2017523371A

Abstract

Ein Verzweiger für einen Kältemittelstrom eines Kältemittelkreislaufs (10), insbesondere eines Batteriekühlerkreislaufs (30), hat einen Einlass (52) und mindestens zwei Auslassleitungen (58), die zu zwei Kühlzweigen (34, 36) führen, wobei in den Verzweiger (44) mindestens eine Drosselstufe integriert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verzweiger für einen Kältemittelstrom eines Kältemittelkreislaufs, insbesondere eines Batteriekühlerkreislaufs.
Bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen oder bei Hybridfahrzeugen entwickeln die Batteriemodule im Betrieb Wärme, die oft über einen Kühlkreislauf abgeführt wird. Hier bietet es sich an, einen Teilkühlkreislauf einer bereits im Fahrzeug vorgesehenen Fahrzeugklimaanlage zur Kühlung der Batteriemodule zu verwenden.
Da meist mehrere Batteriezellen zu getrennten Batteriemodulen zusammengefasst sind, die thermisch voneinander entkoppelt sind, sodass kein Wärmeaustausch zwischen den einzelnen Batteriemodulen erfolgt, wird oft der Batteriekühlerkreislauf in mehrere Kühlzweige aufgeteilt, die jeweils einem oder mehreren der Batteriemodule zugeordnet sind. Die Kühlzweige sollen dabei parallel vom Kältemittel durchströmt werden.
Es ist bekannt, dem Batteriekühlerkreislauf eine eigene Expansionsvorrichtung zuzuordnen, die zwischen einem Ausgang des Gaskühlers und einem Eingang in einen Verzweiger, der das Kältemittel auf die einzelnen Kühlzweige aufteilt, vorgesehen ist. Als Expansionsvorrichtung wird dabei ein bekanntes thermostatisches Expansionsventil (TXV) genutzt, das den Kältemitteldurchfluss gemäß den Gegebenheiten im Batteriekühlerkreislauf steuert. Der Druckabfall im thermostatischen Expansionsventil liegt dabei bei etwa 60 bis 95 % der Gesamtdruckdifferenz, während der Druckabfall im Verzweiger lediglich 3 bis 10 % beträgt. Dies ist darin begründet, dass die Druckdifferenz zwischen dem Hochdruckzweig und dem Niederdruckzweig der Fahrzeug-Klimaanalage bei hohen Umgebungstemperaturen deutlich größer ist als bei niedrigen Temperaturen. Das thermostatische Expansionsventil muss jedoch auch bei der minimalen Betriebstemperatur und somit einer minimalen Druckdifferenz den Verdampfer mit einer genügenden Menge an Kältemittel, also einem ausreichenden Kältemittelfluss versorgen, und dies ist nur möglich, wenn der Druckabfall im Verzweiger gering ist. Daher sind bekannte Verzweiger für einen geringen Druckabfall ausgelegt.
Um eine möglichst hohe Lebensdauer der einzelnen Batteriezellen zu gewährleisten, darf nur eine sehr geringe Temperaturdifferenz von nicht mehr als 5 K zwischen den einzelnen Batteriezellen herrschen. Der geringe Druckabfall über den Verzweiger erschwert jedoch eine homogene Verteilung des Kältemittels, das vor dem Verzweiger bei höheren Temperaturen stets in einer flüssig-gasförmigen Mischung vorliegt, auf die verschiedenen Kühlzweige.
Aufgrund des Phasengemisches im Verzweiger ist es auch notwendig, die bekannten Verzweiger in exakter vertikaler Ausrichtung zu verbauen, um auch bei einem geringen Durchfluss eine möglichst homogene Verteilung des Zweiphasengemischs auf die verschiedenen Auslassleitungen zu erreichen.
Bei der Kühlung von Batteriemodulen kommt hinzu, dass eine Kühlung auch bei tiefen Umgebungstemperaturen von z.B. bis zu –10 °C oder weniger funktionieren muss, im Gegensatz zu einer Fahrgastraumkühlung, die bei diesen Temperaturen normalerweise abgeschaltet ist.
Bei derartig tiefen Temperaturen liegt jedoch der Anteil an flüssigem Kältemittel vor dem Verzweiger bei im Wesentlichen 100 %, worauf die bekannten Verzweiger nicht ausgelegt sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine homogene Kühlleistung in einem Batteriekühlerkreislauf über den gesamten Bereich der Umgebungstemperaturen sommers wie winters sicherzustellen, wobei gleichzeitig die Kosten sowie die Baugröße für das System verringert werden.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verzweiger für einen Kältemittelstrom eines Kältemittelkreislaufs, insbesondere eines Batteriekühlerkreislaufs, mit einem Einlass und mindestens zwei Auslassleitungen, die zu zwei Kühlzweigen führen, wobei in den Verzweiger mindestens eine Drosselstufe integriert ist. Durch die Zusammenfassung der Funktionen des Verteilens des Kältemittels und der Druckminderung in einem einzigen Bauteil reduzierten sich die Baugröße und die Fertigungskosten. Gegenüber bekannten Anordnungen lässt sich die Strecke zwischen der Expansionsvorrichtung, also dem Druckminderer, und der Verzweigung auf die einzelnen Kühlzweige deutlich reduzieren, was zu einer gleichmäßigeren Verteilung vor allem der flüssigen Anteile des Kältemittels auf die einzelnen Kühlzweige führt. So wird auch eine gleichmäßige und ausreichende Versorgung der einzelnen Kühlzweige des Batteriekühlerkreislaufs mit flüssigem Kältemittel sichergestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Drosselstufe stromaufwärts eines Verzweigungspunktes auf die einzelnen Auslassleitungen angeordnet, wobei die Drosselstufe insbesondere direkt stromaufwärts des Verzweigungspunktes liegt. Durch die räumliche Nähe der Drosselstelle zur Aufteilung des Kältemittelstroms auf die einzelnen Auslassleitungen sind nach der Drosselstelle die flüssige Phase und die Gasphase im Kältemittelstrom noch komplett durchmischt, sodass eine homogene Verteilung des Kältemittels inklusive der flüssigen Anteile des Kältemittels auf die einzelnen Auslassleitungen sichergestellt ist. Da die Kühlleistung hauptsächlich mit der Verdampfung der flüssigen Phase des Kältemittels verknüpft ist, lässt sich so eine sehr homogene Kühlleistung in beiden Kühlzweigen erreichen.
Bei der Verwendung einer Drosselstufe stromaufwärts des Verzweigungspunktes hat es sich als günstig erwiesen, direkt stromabwärts der Drosselstufe einen Filter einzusetzen, um die Flüssigphase und die Gasphase im Kältemittel gut vermischt zu halten und eine möglichst gute Homogenisierung der beiden Phasen bei der Aufteilung auf die einzelnen Auslassleitungen zu erreichen.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Drosselstufe stromabwärts eines Verzweigungspunktes auf die beiden Auslassleitungen angeordnet. Der Druck am Einlass des Verzweigers kann dann noch nahezu dem Druck der Hochdruckseite im Kältemittelkreislauf entsprechen, und der thermodynamische Zustand des Kältemittels ist zumindest bei hohen Umgebungstemperaturen noch überkritisch. Am Verzweigungspunkt selbst liegt das Kältemittel in einem Einphasenzustand vor und lässt sich so einfach gleichmäßig auf die einzelnen Auslassleitungen verteilen, ohne dass die bekannten Probleme bei der Verteilung eines Zweiphasengemisches auftreten.
Vorzugsweise weist die Drosselstufe eine Drosselstelle, also eine Verengung des Strömungsquerschnitts, in jeder der Auslassleitungen auf, die insbesondere gleich ausgebildet sind, sodass in allen Auslassleitungen und in allen von diesen versorgten Kühlzweigen dieselben Bedingungen herrschen.
Es ist möglich, die Drosselstelle der Drosselstufe durch eine kalibrierte Bohrung auszubilden. Die kalibrierte Bohrung wird vorzugsweise direkt in einem Körper des Verzweigers ausgebildet und stellt einen integralen Bestandteil entweder einer Hauptleitung stromaufwärts des Verzweigungspunkts oder jeweils einer der Auslassleitungen stromabwärts des Verzweigungspunkts dar. Länge und Innendurchmesser der kalibrierten Bohrung lassen sich sehr genau bestimmen und reproduzierbar fertigen, sodass der Druckabfall über die Drosselstelle genau einstellbar ist. Außerdem ist es nicht notwendig, zusätzliche Bauteile einzusetzen.
Ist die Drosselstufe in den Auslassleitungen vorgesehen, so kann die kalibrierte Bohrung direkt an den Verzweigungspunkt von der Hauptleitung anschließend ausgeführt sein, um die Baulänge des Verzweigers klein zu halten.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist die Drosselstufe eine Drosselstelle auf, die durch ein eingesetztes Rohr mit kalibriertem Innendurchmesser gebildet ist. In diesem Fall wird nach bekanntem Prinzip zur Druckminderung ein separates Rohr in den Einlass, die Hauptleitung und/oder die Auslassleitungen eingesetzt, um eine präzise Reduzierung des Strömungsquerschnitts an der Drosselstelle zu erreichen. Derartige Rohre sind einfach und kostengünstig mit hoher Genauigkeit vorfertigbar und können an geeigneter Stelle im Verzweiger eingesetzt und befestigt werden.
Zur Befestigung des Rohres im Körper des Verzweigers kann das Rohr beispielsweise in eine Schraubmuffe eingesetzt sein, die in den Körper des Verzweigers eingeschraubt ist. Dies ist sowohl für Drosselstellen im Bereich des Einlasses bzw. der Hauptleitung des Verzweigers als auch für Drosselstellen im Bereich der Auslassleitungen denkbar. So ist auch ein einfacher Austausch und eine einfache Wartung der Drosselstelle möglich.
Es ist günstig, einen Endanschlag an der Schraubmuffe vorzusehen, der für eine genaue Positionierung des Rohrs innerhalb des Körpers des Verzweigers sorgt.
Geeignete Innendurchmesser für die Drosselstelle, sowohl für eine kalibrierte Bohrung als auch für ein Rohr mit kalibriertem Innendurchmesser, sind beispielsweise zwischen 0,2 und 1,0 mm, und eine geeignete Länge liegt zwischen 10 und 40 mm. Mit zunehmender Länge der Drosselstelle erhöht sich die Stabilität der Strömung, und die Empfindlichkeit gegenüber dem Aufbau von Schwingungen in der Strömung verringert sich.
Zur Verhinderung der Verschmutzung der Drosselstellen ist bevorzugt ein Filter stromaufwärts der Drosselstelle angeordnet.
In einer möglichen Ausführungsform ist eine zweistufige Druckminderung durch zwei strömungsmäßig aufeinanderfolgende Drosselstufen vorgesehen, die jeweils wenigstens eine Drosselstelle umfassen. Hierbei kann eine erste Drosselstufe stromaufwärts des Verzweigungspunkts in einer Hauptleitung oder im Bereich des Einlasses des Verzweigers vorgesehen sein, und eine zweite Drosselstufe stromabwärts des Verzweigungspunkts in den Auslassleitungen angeordnet sein.
Der Innendurchmesser der Drosselstellen ist jeweils fest vorgegeben und nicht ohne einen baulichen Austausch des Verzweigers bzw. des eingesetzten Rohrs veränderlich.
Über die Ausbildung der Drosselstellen, nämlich deren Anordnung, Querschnitt und Länge wird der gewünschte Druckabfall über den Verzweiger eingestellt.
Der Verzweiger etwa kann etwa 10 bis 50 % des gesamten Druckabfalls bewirken.
Bei Umgebungstemperaturen von etwa zwischen 20 und 40 °C, also unter Sommerbedingungen, befindet sich das Kältemittel vorzugsweise am Einlass des Verzweigers das Kältemittel noch im Wesentlichen im superkritischen oder flüssigen Zustand mit nur einer einzigen Phase.
Bei niedrigen Umgebungstemperaturen von etwa –10 bis 0 °C, also beim Wintereinsatz, ist das Kältemittel vorzugsweise am Einlass des Verzweigers komplett in seiner flüssigen Phase. Auch in diesem Fall ist eine homogene Verteilung auf die beiden Auslassleitungen problemlos möglich.
Vorzugsweise weist in keinem Betriebszustand der Kältemittelstrom nach dem Verzweigungspunkt klar getrennte Phasen auf, sodass stets eine homogene Aufteilung des Kältemittelstroms auf die beiden Auslassleitungen erfolgt. Somit ist stets eine gleichmäßige Kühlung der Batteriemodule in beiden Kühlzweigen sichergestellt. Außerdem wird so die Empfindlichkeit gegenüber einer Abweichung von einer vertikalen Einbaulage deutlich verringert.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Verzweiger zwei Auslassleitungen auf. Natürlich wäre es möglich, anstelle von zwei Auslassleitungen im Verzweiger auch drei oder mehr Auslassleitungen vorzusehen. Genauso ist es möglich, einen weiteren, identisch oder ähnlich aufgebauten Batteriekühlerkreislauf parallel zu einem Batteriekühlerkreislauf mit einem beschriebenen Verzweiger zu schalten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Fahrzeugklimaanlage mit einem Batteriekühlersystem mit einem erfindungsgemäßen Verzweiger;
2 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Verzweigers in einer ersten Ausführungsform;
3 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Verzweigers in einer zweiten Ausführungsform;
4 eine schematische Schnittansicht eines Druckminderers mit einem erfindungsgemäßen Verzweiger in einer dritten Ausführungsform;
5 einen schematische Darstellung eines Schaltzyklus eines Abschaltventil eines Druckminderes des Batteriekühlersystems;
6 eine diagrammatische Darstellung der maximalen Druckdifferenz am Druckminderer des Batteriekühlersystems in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur;
7 eine diagrammatische Darstellung der Enthalpiedifferenz für die Verdampfung von R744 abhängig von der Umgebungstemperatur; und
8 ein Mollierdiagramm des Kältemittels R744 mit dem Arbeitsbereich des Batteriekühlersystems bei niedrigen und bei hohen Umgebungstemperaturen.
1 zeigt einen Kältemittelkreislauf 10 einer nicht näher dargestellten Fahrzeug-Klimaanlage. Ein Kältemittel, hier R744, strömt durch mehrere Teilkühlkreisläufe. Es wird in einem Verdichter 12 verdichtet, bevor es in einem Gaskühler 14 abgekühlt wird, beispielsweise mittels Kühlung durch Umgebungsluft. Das gasförmige, unter hohem Druck stehende Kältemittel passiert anschließend einen inneren Wärmetauscher 16, in dem es einen Teil seiner Wärmeenergie an rückströmendes entspanntes Kältemittel abgibt.
In einem ersten Teilkühlkreislauf 18 durchströmt das Kältemittel einen Verdampfer 20 der Fahrzeug-Klimaanlage, mit dem beispielsweise ein Fahrzeuginnenraum gekühlt wird.
Stromaufwärts des Verdampfers 20 ist ein Abschaltventil 22 angeordnet, über das der Teilkühlkreislauf 18 abgesperrt werden kann, wenn eine Kühlung nicht benötigt wird. In diesem Beispiel enthält das Abschaltventil 22 eine Druckminderstufe in Form einer Öffnung mit verringertem Querschnitt, die als Drosselstelle wirkt und über die Druckminderung eine teilweise Entspannung des Kältemittels bewirkt.
Die Druckminderung von der Hochdruck- zur Niederdruckseite erfolgt hier wie für R744-Kältemittelkreisläufe bekannt mit einer fest vorgegebenen Querschnittsverengung. Der Durchmesser dieser Drosselstelle wird u.a. in Abhängigkeit von der geforderten Leistung des Verdampfers gewählt.
Das Abschaltventil 22 ist über eine Bypassleitung 24 mit einem Sicherheitsventil 26 überbrückt. Das Sicherheitsventil 26 ist so ausgelegt, das es einen Kältemittelstrom durch den Teilkühlkreislauf 18 ermöglicht, wenn am Sicherheitsventil 26 eine kritische Druckschwelle erreicht wird, die beispielsweise bei etwa 120–150 bar (12–15 MPa) liegen kann.
Generell gilt, dass der Kältemittelkreislauf bei einer Verwendung von R744 als Kältemittel vor einem Überdruck geschützt werden muss. Dies wird hier durch das Sicherheitsventil 26 erreicht, das im Fall einer plötzlichen Druckerhöhung eine Strömungsverbindung von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes öffnet. Diese Bypassfunktion hier steht in allen Betriebsbedingungen zur Verfügung. Ein derartiger Druckanstieg kann beispielsweise bei einer starken Fahrzeugbeschleunigung auftreten, bei der der Verdichterdurchsatz nicht schnell genug herunter geregelt werden kann, sodass eine große Gasmenge in den Gaskühler 14 geleitet wird.
Das vom Verdampfer 20 zurückströmende Kältemittel passiert erneut den inneren Wärmetauscher 16 sowie einen Akkumulator 28, in dem etwaiges vorhandenes flüssiges Kältemittel abgeschieden wird, bevor das Kältemittel zum Verdichter 12 zurückströmt.
Parallel zum ersten Teilkühlkreislauf 18 durchströmt das Kältemittel einen Batteriekühlerkreislauf 30, der Teil eines Batteriekühlersystems 32 ist. Der Batteriekühlerkreislauf kann eine Kühlleistung von etwa 0,5 bis 2 kW haben. Batteriezellen eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs (nicht näher dargestellt) sind hier in mehreren Modulen angeordnet, die von zwei parallel geschalteten Kühlzweigen 34, 36 gekühlt werden. Der Batteriekühlerkreislauf 30 teilt sich also hier in zwei Kühlzweige 34, 36 auf, die nach Durchlaufen der Batteriemodule in eine gemeinsame Rückführ-Saugleitung 38 münden. Die Kühlzweige 34, 36 dienen als Verdampfer, in dem das in ihnen befindliche flüssige Kältemittel die Wärme der Batteriezellen aufnimmt und dadurch in den gasförmigen Zustand übergeht.
Stromabwärts des Ausgangs des Verdampfers 20 mündet der erste Teilkühlkreislauf 18 in die Rückführ-Saugleitung 38.
Stromaufwärts der beiden Kühlzweige 34, 36 ist ein Druckminderer 40 angeordnet. In der hier dargestellten Variante weist der Druckminderer 40 ein Abschaltventil 42 auf, dass stromaufwärts eines Verzweigers 44 angeordnet ist.
In einer möglichen Ausführungsform, die später beschrieben wird (siehe 4), sind das Abschaltventil 42 und der Verzweiger 44 in einem einzigen Bauteil kombiniert. Sie können aber auch als separate Bauteile ausgebildet sein. Es wäre auch möglich, auf das Abschaltventil 42 zu verzichten und die Druckminderung vollständig über den Verzweiger 44 durchzuführen.
Das Abschaltventil 42 ist mit einer Steuerung 46 verbunden, die den Öffnungszustand des Abschaltventils 42 bestimmen kann. In diesem Beispiel kann das Abschaltventil 42 nur die beiden Steuerzustände „offen“ und „geschlossen“ einnehmen.
Direkt stromabwärts des Abschaltventils 42 ist in diesem Beispiel ein Temperatursensor T₁ angeordnet, der ebenfalls mit der Steuerung 46 verbunden ist. Unmittelbar an der Verbindungsstelle 48 der beiden Kühlzweige 34, 36 ist hier ein zweiter Temperatursensor T₂ vorgesehen, der ebenfalls mit der Steuerung 46 verbunden ist.
In den 2 bis 4 sind verschiedene Ausführungsformen des Verzweigers 44 dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird für alle drei Ausführungsformen das Bezugszeichen 44 verwendet.
Der in 2 dargestellte Verzweiger 44 weist einen Körper 50 auf, in dem ein Einlass 52 ausgespart ist, der in eine Hauptleitung 54 übergeht. Am Ende der Hauptleitung 54 befindet sich ein Verzweigungspunkt 56, ab dem sich die Hauptleitung 54 in zwei Auslassleitungen 58 aufteilt, die in diesen Beispielen jeweils gleich ausgebildet sind. Jede der Auslassleitungen 58 geht in einen Auslass 60 über, über den die jeweilige Auslassleitung 58 mit einem der beiden Kühlzweige 34, 36 des Batteriekühlerkreislauf 30 verbunden ist.
In den Verzweiger 44 ist eine Drosselstufe integriert, die eine als Drosselstelle wirkende Verengung aufweist und somit eine Druckminderung stromabwärts der Drosselstelle bewirkt.
In dem in 2 gezeigten Beispiel ist die Drosselstufe durch jeweils eine kalibrierte Bohrung 62 mit fest vorgegebenem Durchmesser und Läge in jeder der Auslassleitungen 58 realisiert. In diesem Fall schließt die kalibrierte Bohrung 62 direkt an die Verzweigung. 56 an und liegt somit direkt stromabwärts der Hauptleitung 54.
Anstelle einer Verzweigung in zwei Auslassleitungen 58 könnte auch eine Verzweigung in mehr als zwei Auslassleitungen 58 vorgesehen sein. Genauso wäre es möglich, mehrere Verteiler 44 in weiteren, zum Batteriekühlerkreislauf 30 parallel geschalteten Batteriekühlerkreisläufen vorzusehen (nicht gezeigt).
In diesem Beispiel ist die Drosselstufe erst nach dem Verzweigungspunkt 56 vorgesehen. Das führt dazu, dass das Kältemittel, das in der Hauptleitung 54 vollständig oder im Wesentlichen vollständig eine einzige Phase aufweist (in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur überkritisch oder flüssig, wie nachfolgend noch beschrieben wird), gleichmäßig auf die beiden Auslassleitungen 58 aufgeteilt wird. Aufgrund des gleichförmigen Aggregatszustands ist auch eine von der vertikalen abweichende Einbaulage der Verzweigers 44 unproblematisch.
Innerhalb des Einlasses 52 ist hier ein Filter 64 vorgesehen, der ein Verschmutzen des Verzweigers 44 verhindert.
Der Einlass 52 ist in diesen Beispielen in einem Anschlussstutzen 66 ausgebildet, über den der Verzweiger 44 mit den Rohrleitungen des Batteriekühlerkreislauf 30 oder mit dem Abschaltventil 42 verbunden werden kann (siehe 4).
Die kalibrierte Bohrung 62 hat beispielsweise einen Durchmesser von 0,2–1,0 mm und einer Länge von 10–40 mm, wobei mit zunehmender Länge der Drosselstelle die Strömung stabiler wird und sich auch die Tendenz zum Aufbau von Schwingungen in der Strömung reduziert.
3 zeigt eine Ausführungsform eines Verzweigers 44, bei der die Drosselstufe im Bereich der Hauptleitung 54 vorgesehen ist. In diesem Fall erfolgt die Druckreduzierung bereits vor dem Verzweigungspunkt 56.
Nach der Drosselstelle ist ein Filter 68 angeordnet, der das Kältemittel nach der Drosselstelle homogenisiert, indem die flüssigen und gasförmigen Anteile durchmischt werden, sodass eine homogene Verteilung auf die beiden Auslassleitungen 58 erfolgt.
Im Beispiel der 3 ist die Drosselstelle durch ein separates, eingesetztes Rohr 70 mit einem kalibrierten Innendurchmesser gebildet. Innendurchmesser und Länge können wie bei der kalibrierten Bohrung 62 des vorhergehenden Ausführungsbeispiels gewählt werden.
Zur Befestigung des Rohrs 70 im Körper 50 des Verzweigers 44 ist eine Schraubmuffe 72 vorgesehen, die in den Anschlussstutzen 66 des Einlasses 52 eingeschraubt ist. Anstelle der Schraubmuffe 72 könnte auch eine Steckmuffe verwendet werden, die in den Anschlussstutzen 66 eingesteckt ist.
Die Schraubmuffe 72 weist einen Endanschlag 74 auf, der für eine genaue Positionierung des Rohrs 70 in der Hauptleitung 54 sorgt.
Einlassseitig ist das Rohr 70 von einem Filter 64 abgedeckt, der ein Verschmutzen des Verzweigers 44 verhindert.
Der kalibrierte Innendurchmesser des eingesetzten Rohrs 70 lässt sich mit hoher Präzision als Bohrung herstellen.
Anstelle des eingesetzten Rohrs 70 könnte in der Hauptleitung auch eine kalibrierte Bohrung im Körper 50 ausgebildet sein, wie es im Beispiel der 2 für die Auslassleitungen 58 beschrieben ist. Analog könnte auch in der in 2 dargestellten Ausführungsform anstelle der kalibrierten Bohrungen 62 in den Auslassleitungen 58 jeweils ein Rohr 70 mit kalibriertem Innendurchmesser eingesetzt sein.
Außerdem ist es möglich, nicht nur eine Drosselstelle im Verzweiger 44 vorzusehen, sondern zwei strömungsmäßig aufeinanderfolgende Drosselstellen, wobei die erste Drosselstelle in der Hauptleitung 54 angeordnet ist und die zweite Drosselstelle durch jeweils eine Verengung in jeder der Auslassleitungen 58 gebildet ist.
4 zeigt einen Druckminderer 40, der zwei strömungsmäßig aufeinanderfolgende Drosselstufen aufweisen.
Der Druckminderer 40 ist hier aus einem Verzweiger 44 und einem Abschaltventil 42 zusammengesetzt, die über den Anschlussstutzen 66 des Verzweigers 44 miteinander verschraubt sind. Der Verzweiger 44 entspricht in diesem Beispiel dem in 2 dargestellten Verzweiger 44. Es könnte aber auch ein Verzweiger nach der in 3 dargestellten Ausführungsform oder ein anderer geeigneter Verzweiger 44 eingesetzt werden.
Das Abschaltventil 42 wird in diesem Beispiel durch einen Elektromagneten 76 geschaltet, der mit der Steuerung 46 des Batteriekühlersystems 32 verbunden ist. Über den Elektromagnet 76 wird das Abschaltventil 42 zwischen seinen beiden Schaltzuständen „offen“ und „geschlossen“ umgeschaltet, wobei die Kältemittelströmung durch den Einlass 78 des Abschaltventils 42 entweder in vollem Umfang zugelassen oder aber komplett unterbunden wird.
Direkt stromabwärts eines Ventilsitzes 80 des Abschaltventils 42 ist eine erste Drosselstufe realisiert, in diesem Fall durch eine kalibrierte Bohrung 82, die eine Verengung des Durchflussquerschnitts für das Kältemittel darstellt. Der Querschnitt der kalibrierten Bohrung 82 ist gegenüber dem Querschnitt des Einlasses 78 und auch gegenüber dem Querschnitt des anschließenden Einlasses 52 des Verzweigers 44 verringert. Auf diese Weise wird in der kalibrierten Bohrung 82 eine erste Entspannung des Kältemittels und eine erste Druckminderung bewirkt.
Im Verzweiger 44 ist eine zweite Drosselstufe ausgebildet, in diesem Fall durch die durch die kalibrierten Bohrungen 62 in den Auslassleitungen 58 gebildeten Verengungen, die eine zweite Druckminderung und eine weitere Entspannung des Kältemittels bewirken.
Anstelle der kalibrierten Bohrung 82 im Körper des Abschaltventils 42 könnte auch im Einlass 52 der Verzweigers 44 eine kalibrierte Bohrung oder ein Rohr 70 mit kalibriertem Innendurchmesser vorgesehen sein. So ließe sich der Aufbau des Abschaltventils 42 weiter vereinfachen.
Aus den Auslassleitungen 58 strömt das Kältemittel in die beiden Kühlzweige 34, 36 des Batteriekühlerkreislaufs 30.
In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist das Batteriekühlersystem 32 so ausgelegt, dass bei niedrigen Umgebungstemperaturen unter „Winterbedingungen“, also bei Temperatur zwischen etwa –10 und 0 °C, über den Druckminderer eine Druckdifferenz von etwa 10 bar und eine Enthalpiedifferenz von etwa 240 kJ/kg erreicht wird. Die Druckdifferenz kann auch auf eine Druckdifferenz zwischen der Hochdruck- und der Niederdruckseite des gesamten Kältemittelkreislaufs 10 ausgelegt sein. Diese Parameter werden durch die spezifische Ausbildung der Drosselstufen des Druckminderers 40 erreicht.
Wichtig ist, dass der durch die Querschnittsverringerungen in den Drosselstufen erreichte Kältemittelfluss groß genug ist, um eine ausreichende Kühlleistung für die Batteriemodule im Batteriekühlerkreislauf 30 auch bei den niedrigen Umgebungstemperaturen bereitzustellen. Unter diesen Umgebungsbedingungen wird die Phasengrenze zum überkritischen Zustand nur um etwa 1 bis 5 Kelvin überschritten (siehe auch 8).
Bei den im Sommer herrschenden Umgebungstemperaturen, also Temperaturen bis ca. +40 °C, herrscht eine erheblich höhere Druckdifferenz zwischen der Hochdruck- und der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufs 10 und auch des Batteriekühlerkreislaufs 30. Um zu verhindern, dass unter diesen Bedingungen eine zu große Menge an flüssigem Kältemittel den Verzweiger 44 passiert, welches nicht vollständig in den Kühlzweigen 34, 36 verdampft werden kann und so die Kühlleistung des Verdampfers 20 für die Klimatisierung des Fahrgastraums reduzieren würde, wird das Abschaltventil 42 gepulst betrieben.
Dies ist schematisch in 5 dargestellt. Die durchgezogene Kurve verdeutlicht, dass bei hohen Umgebungstemperaturen das Abschaltventil 42 über die Steuerung 46 über eine Pulsweitenmodulation so betrieben wird, dass die Kühlleistung optimiert wird. Die Öffnungsdauer des Abschaltventils 42 wird von der Steuerung 46 aus den von den Temperatursensoren T₁ und T₂ gemeldeten Werten berechnet, also aus der Kältemitteltemperatur am Einlass 52 des Verzweigers 44 sowie der Kältemitteltemperatur nach Durchlaufen der Kühlzweige 34, 36 des Batteriekühlerkreislaufs 30.
Die Zeitdauer, die das Abschaltventil 42 zwischen zwei Öffnungszuständen geschlossen bleibt, kann 30 Sekunden oder mehr betragen, genauso wie die Zeitdauer, die das Abschaltventil 42 zwischen den geschlossenen Phasen geöffnet ist. Dies ist möglich, da der Batteriekühlerkreislauf 30 mit den Batteriemodulen eine höhere thermisch wirksame Masse aufweist als beispielsweise der Verdampfer 20 der Fahrzeug-Klimaanlage.
Im Winter, also bei niedrigen Umgebungstemperaturen und einer kleinen Druckdifferenz, ist das Abschaltventil 42 hingegen durchgehend geöffnet (siehe gestrichelte Linie in 5).
Die 6 und 7 zeigen die auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs 10 sowie auf dessen Niederdruckseite in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur herrschenden Drücke. Der Druckverlauf der Hochdruckseite ist durch Rauten gekennzeichnet, während der Druckverlauf auf der Niederdruckseite durch Quadrate gekennzeichnet ist. Aus 6 ist abzulesen, dass bei Winterbedingungen zwischen –10 und 0 °C eine Druckdifferenz zwischen 7 bis 9 bar (0,7 bis 0,9 MPa) zu erwarten ist, während bei Sommerverhältnissen zwischen 25 und 40 °C Umgebungstemperatur erheblich höhere Druckunterschiede auftreten, etwa 35 bis 65 bar (3,5 bis 6,5 MPa), wobei auch 90 bar Druckdifferenz auftreten können.
Aus einer derartigen Messung lässt sich für ein bestehendes Batteriekühlersystem 32 in einem Kältemittelkreislauf 10 die optimale Ausbildung des Druckminderers 40 berechnen. Hierzu muss noch die Enthalpiedifferenz bei der Verdampfung des Kältemittels, hier R744, berücksichtigt werden, die in 7 in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur aufgetragen ist.
Die Druckdifferenz zwischen Hoch- und Niederdruckseite nimmt mit steigender Umgebungstemperatur stark zu. Da sich der sich einstellende Massenstrom in etwa mit der Wurzel der Druckdifferenz ändert, ergibt sich beispielsweise, dass für eine Umgebungstemperatur von –10 °C die mögliche Kühlleistung des Batteriekühlerkreislaufs 30 um etwa 40 % gegenüber einer Umgebungstemperatur von +40 °C reduziert ist. Ist das Batteriekühlersystem 32 und insbesondere der Druckminderer 40 auf einen Betrieb bei niedrigen Umgebungstemperaturen optimiert, ergibt sich daraus, dass bei einem Betrieb bei hohen Umgebungstemperaturen das Abschaltventil 42 ungefähr 30–90 % der Zeit geschlossen sein sollte.
Die Gestaltung des restlichen Kältemittelkreislaufs 10, insbesondere des Teilkühlkreislaufs 18, der den Fahrzeugklimaanlagenverdampfer 20 bedient, sind von diesen Überlegungen nicht betroffen, da allein der Druckminderer 40 im Batteriekühlerkreislauf 30 entsprechend ausgelegt werden muss.
8 zeigt anhand eines Mollierdiagramms die durchlaufenen Zyklen für einen Betrieb des Kältemittelkreislaufs 10 unter Sommerbedingungen (hohe Umgebungstemperaturen) und Winterbedingungen (niedrige Umgebungstemperaturen).
Der in der Grafik obere Zyklus mit den Punkten A bis G beschreibt den Betrieb bei hohen Umgebungstemperaturen.
Die Hochdruckseite, die hier vorzugsweise zwischen 80 und 120 bar liegt, wird im überkritischen Bereich betrieben. Von Punkt A bis Punkt B erfolgt die Verdichtung des Kältemittels im Verdichter 12. Von Punkt B zu Punkt C wird das überkritische Kältemittel im Gaskühler 14 gekühlt. Von Punkt C bis Punkt D erfolgt eine weitere Kühlung auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs 10 durch den inneren Wärmetauscher 16. Von Punkt D nach Punkt E erfolgt eine Druckminderung in der ersten Drosselstufe des Druckminderers 40, wobei die Druckminderung maximal bis zur Flüssigkeitsgrenze erfolgt, sodass das Kältemittel immer noch nur eine einzige Phase aufweist bzw. im überkritischen Zustand ist, wenn es in den Verzweiger 44 eintritt. Von Punkt E nach Punkt F erfolgt die weitere Druckminderung in der zweiten Drosselstufe des Druckminderers 40, hier in den Auslassleitungen 58 des Verzweigers 44. Von Punkt F nach Punkt G erfolgt die Kühlung der Batteriemodule in den Kühlzweigen 34, 36 des Batteriekühlerkreislaufs 30, wobei das Kältemittel verdampft und die Wärme aus den Batteriemodulen aufnimmt. Von Punkt G nach Punkt A schließlich strömt das Kältemittel über die Rückführ-Saugleitung 38 unter Passage des inneren Wärmetauschers 16 zurück zum Verdichter 12, wobei es Wärme aus dem Hochdruckzweig aufnimmt.
Im Winterbetrieb (unterer Zyklus in 8 mit den Punkten a–f) erfolgt der gesamte Zyklus unterhalb des kritischen Punkts. Von Punkt a nach Punkt b wird das Kältemittel verdichtet und von Punkt b nach Punkt d gekühlt. Nach der Entspannung des Kältemittels in der ersten Drosselstufe des Druckminderers 40 (Punkt d nach Punkt e) ist das Kältemittel vollständig in der flüssigen Phase. Erst beim Durchlaufen der zweiten Drosselstufe (Punkt e nach Punkt f) kann das Kältemittel gasförmige Anteile aufweisen.
In dem hier beschriebenen Beispiel befindet sich das Kältemittel jedoch immer noch in nur einer einzigen Phase, wenn es den Verzweiger 44. Auf diese Weise ist eine homogene Verteilung auf die beiden Kühlzweige 34, 36 einfacher möglich als bei einem Phasengemisch.

Claims

Verzweiger für einen Kältemittelstrom eines Kältemittelkreislaufs (10), insbesondere eines Batteriekühlerkreislaufs (30), mit einem Einlass (52) und mindestens zwei Auslassleitungen (58), die zu zwei Kühlzweigen (34, 36) führen, wobei in den Verzweiger (44) mindestens eine Drosselstufe integriert ist.
Verzweiger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselstufe stromaufwärts eines Verzweigungspunktes (56) auf die beiden Auslassleitungen (58) angeordnet ist.
Verzweiger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Drosselstufe ein Filter (68) angeordnet ist.
Verzweiger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselstufe stromabwärts eines Verzweigungspunktes (56) auf die beiden Auslassleitungen (58) angeordnet ist.
Verzweiger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselstufe eine Verengung in jeder der Auslassleitungen (58) aufweist.
Verzweiger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselstufe eine Drosselstelle aufweist, die durch eine kalibrierte Bohrung (62) gebildet ist.
Verzweiger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die kalibrierte Bohrung (62) direkt an einen Verzweigungspunkt (56) von einer Hauptleitung (54) anschließend ausgeführt ist.
Verzweiger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselstufe eine Drosselstelle aufweist, die durch ein eingesetztes Rohr (70) mit kalibriertem Innendurchmesser gebildet ist.
Verzweiger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (70) in eine Schraubmuffe (72) oder Steckmuffe eingesetzt ist, die in einen Körper (50) des Verzweigers (44) eingeschraubt bzw. eingesteckt ist.
Verzweiger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Drosselstufe stromaufwärts des Verzweigungspunkts (56) und eine zweite Drosselstufe stromabwärts des Verzweigungspunktes (56) angeordnet ist.