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WO2000046558A1 - Integrierte sammler-wärmeübertrager-baueinheit - Google Patents

Integrierte sammler-wärmeübertrager-baueinheit Download PDF

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Publication number
WO2000046558A1
WO2000046558A1 PCT/DE1999/003989 DE9903989W WO0046558A1 WO 2000046558 A1 WO2000046558 A1 WO 2000046558A1 DE 9903989 W DE9903989 W DE 9903989W WO 0046558 A1 WO0046558 A1 WO 0046558A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat exchanger
collector
channel
housing
collecting
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/DE1999/003989
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Dienhart
Hans-Joachim Krauss
Hagen Mittelstrass
Karl-Heinz Staffa
Christoph Walter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ford Werke GmbH
Original Assignee
Ford Werke GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ford Werke GmbH filed Critical Ford Werke GmbH
Priority to CA002326558A priority Critical patent/CA2326558A1/en
Priority to AU22772/00A priority patent/AU2277200A/en
Priority to EP99966865A priority patent/EP1068478A1/de
Publication of WO2000046558A1 publication Critical patent/WO2000046558A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/00321—Heat exchangers for air-conditioning devices
    • B60H1/00342—Heat exchangers for air-conditioning devices of the liquid-liquid type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B40/00—Subcoolers, desuperheaters or superheaters
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B43/00—Arrangements for separating or purifying gases or liquids; Arrangements for vaporising the residuum of liquid refrigerant, e.g. by heat
    • F25B43/006—Accumulators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/02—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled
    • F28D7/022—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled the conduits of two or more media in heat-exchange relationship being helically coiled, the coils having a cylindrical configuration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/02—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled
    • F28D7/024—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled the conduits of only one medium being helically coiled tubes, the coils having a cylindrical configuration
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    • F25B2309/06—Compression machines, plants or systems characterised by the refrigerant being carbon dioxide
    • F25B2309/061—Compression machines, plants or systems characterised by the refrigerant being carbon dioxide with cycle highest pressure above the supercritical pressure
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    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/05—Compression system with heat exchange between particular parts of the system
    • F25B2400/051—Compression system with heat exchange between particular parts of the system between the accumulator and another part of the cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F25B9/008—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant being carbon dioxide

Definitions

  • the invention relates to an integrated collector-heat exchanger assembly according to the preamble of claim 1.
  • Such assemblies are particularly useful in air conditioning systems of motor vehicles, such as C0 2 air conditioning systems, in order to have one collector and one internal heat exchanger of the refrigerant circuit in one integrated there To provide arrangement.
  • a generic integrated collector-heat exchanger assembly is disclosed in US Pat. No. 3,955,375.
  • the structural unit shown there is part of an air conditioning system, the collector part of the structural unit being located between the outlet side of an evaporator and the inlet side of a compressor, and its heat exchanger unit forms an internal heat exchanger between the low-pressure side refrigerant in the collecting space on the one hand and the high-pressure side refrigerant in front of the evaporator inlet side on the other.
  • the refrigerant enters the collecting space via a side inlet in the upper area of the collecting space and is sucked out of it via an opening on the upper side of the collecting space.
  • the integrated heat exchanger unit is formed by a pipe coil arranged in the collector housing and thus in the collecting chamber, with both pipe ends being led out of the collecting chamber on the underside of the housing and opening there into connection openings of a connection block which are introduced laterally.
  • the heat exchanger unit is formed by one or more flat tube spirals with spaced turns, the flat tube interior forming a first and the tube spiral space forming a second heat exchanger channel of the heat exchanger unit that is in thermal contact therewith.
  • a two-fluid heat exchanger which is used in particular for hot water heating by a coolant of a motor vehicle engine, which has a cylindrical outer housing, a hollow cylinder arranged coaxially in the interior thereof and a pipe coil running axially between the hollow cylinder and the outer housing.
  • Direction has spaced turns.
  • the coiled tubing forms the heat transfer channel for one fluid, while the interspace between the coil turns acts as a helical heat transfer channel for the other fluid.
  • the invention is based on the technical problem of providing an integrated collector-heat exchanger assembly of the type mentioned at the outset, which has a comparatively simple structure, can be produced with relatively little effort and realizes a compact integration of the heat exchanger unit in a collector housing with good heat transfer efficiency.
  • both heat exchanger channels of the heat exchanger unit characteristically have a helical course such that the turns of one channel each have at least one adjacent turn of the other channel are in thermal contact. This separates them heat transfer media flowing from one another through the two heat exchanger channels over the entire tortuous channel length to one another in heat transfer connection. Since the flow channel length can be significantly larger than the external dimensions of the heat exchanger unit due to the spiral, the heat exchanger unit can be accommodated in a comparatively compact manner in the collector housing given the required heat transfer capacity. At the same time, the construction of the heat exchanger unit from two helical heat exchanger channels in thermal contact is relatively simple and can be manufactured with little effort. In particular, it is possible to construct the integrated collector-heat exchanger assembly as a pure welded construction without the need for additional soldered connections.
  • the collecting space is formed by a collecting space arranged inside the collector housing, and the heat exchanger unit is realized very simply by means of a coiled tube, which is introduced with axially spaced turns in a sealing manner radially between the inner wall of the collector housing and the outer wall of the collecting container. While the tube interior of this tube coil forms the one heat exchanger channel, the spiral space between the spaced turns of the tube coil acts as the other heat exchanger channel.
  • the collector-heat exchanger assembly constructed in this way can be manufactured with a few simple components.
  • the collecting container is open at the top, and the associated flow channel leading from the collecting container to the outside of the housing runs from the open top collecting container area downwards through the corresponding helical heat exchanger channel to at least the lower collecting container area, where it is connected to a or several oil suction holes made in the collecting container.
  • oil suction hole is to be understood here to mean any fine opening through which a fluid which is carried along by the actual heat transfer medium and is, on the other hand, clearly viscous is entrained, which may or may not be oil. When used in air conditioning systems, it is mostly lubricating oil for the compressor that is entrained by the refrigerant. Via the oil suction holes, this can be carried away in a controlled manner by the refrigerant sucked out of the collecting container after it has previously settled down in the collecting container.
  • an increase in the heat transfer capacity is provided in that the collecting container outer wall has a profile adapted to the heat exchanger tube coil, so that there is a heat transfer-increasing, flat and not only linear contact of the tube coil on the collecting container outer wall .
  • the heat exchanger tube coil is provided with an outside, surface-enlarging profile.
  • the heat exchanger unit is formed by a coaxial tubular coil, in which a radially inner and a radially outer channel represent the two heat exchanger channels.
  • This unit can also be manufactured easily and with few components.
  • the collector housing can simultaneously form the boundary of the collecting space in which the coaxial tube coil is then located.
  • both housing-side connection points of the continuous, not in the collecting space are located.
  • the first flow channel ends on a common housing side, preferably facing one end region of the helical heat exchanger channels, and the flow channel is guided with a straight pipe section in the collector housing to the opposite heat exchanger channel end region.
  • the inlet and outlet on the housing side can also be provided for the heat transfer medium to be temporarily stored in the collecting space, so that all connections for the integrated collector-heat exchanger assembly are accessible from one side.
  • the coaxial tubular coil merges in one end region into a U-shaped coaxial tubular section which is located radially within the spiral region and with which the flow length effective for heat transfer can be further increased without enlarging the structural unit itself.
  • the coaxial tube coil is arranged in the collecting space and shortened at one end with its radially outer channel in such a way that its mouth end lies in the upper collecting area, while the radially inner channel continues to the outside of the housing.
  • the coaxial tube coil is provided in a lower collecting area with one or more oil suction bores that connect its radially outer channel to the lower collecting area, in which the more viscous fluid entrained by the actual heat transfer medium settles.
  • collecting space supply means are provided which supply the heat transfer medium to be temporarily stored in the collecting space with a tangential flow component. to lead.
  • the resulting rotating inflow flow into the collecting space facilitates the desired separation of the actual heat transfer medium and the more viscous fluid entrained by it.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view through an integrated collector-heat exchanger assembly with a collecting space container sitting on a flat intermediate floor and the surrounding heat exchanger tube coil,
  • FIG. 2 is a view corresponding to FIG. 1, but for a collector-heat exchanger assembly with an arched intermediate floor
  • FIGS. 1 to 3 shows a cross-sectional view through a profiled usable instead of the unprofiled heat exchanger tube coil of FIGS. 1 to 3
  • 5 is a view corresponding to FIG. 1, but for a collector-heat exchanger assembly without an intermediate floor
  • 6 is a longitudinal sectional view of an integrated collector-heat exchanger assembly with a coaxial tube coil and connections on both sides
  • FIG. 7 shows cross-sectional views of various coaxial tube coils that can be used in the structural unit from FIGS.
  • FIG. 10 is a sectional view corresponding to FIG. 6, but for a unit with only one connection side,
  • FIG. 11 is a schematic plan view of the connection side of the assembly of FIGS. 10 and
  • Fig. 12 is a sectional view corresponding to FIG. 6, but for a unit with a U-shaped coaxial tube section.
  • the collector-heat exchanger assembly shown in FIG. 1 contains, in the interior of a collector housing 1, a cylindrical collecting container 2 which functions as a collecting space and which is seated on an intermediate floor 3. Between the collecting container 2 and the collector housing 1, a coiled tubing 5 is introduced, the windings of which are spaced apart from one another in the axial direction and bear fluid-tight radially on the inside against the outside of the collecting container and radially on the outside against the inside wall of the collector housing. In this way, a corresponding helical space 6 is formed, which is axially delimited by two adjacent coiled tubing turns, radially inwards by the collecting container wall and radially outwards by the collector housing wall.
  • the pipe coil 5 ends on the upper side of the housing with an outlet pipe 5a led out of the housing 1 and on the lower side of the housing with an inlet pipe 5b which passes through the intermediate floor 3 and a bottom wall 1a of the collector housing 1 is passed through. While the inlet connection 5b is guided in a fluid-tight manner through the housing base wall 1a, a passage, not shown in detail, is provided in the intermediate base 3, via which the spiral intermediate space 6 is in fluid communication with a discharge space 7 delimited by the intermediate base 3 and the housing base wall 1a. An outlet 8 leads from the collector space 1 out of the collector housing 1. An inlet port 4 is introduced via a further opening on the upper side 1b of the housing and opens into the collecting container 2 which is open at the top.
  • the helical tube 5 in the collecting container area on the one hand and the spiral space 6 together with the upper collecting container mouth and the discharge space 7 on the other hand form a first or second flow channel
  • the two flow channels along their helical sections, i.e., along the spiral tube 5 and the spiral space 6 are in thermal contact with one another and thus form a first or second heat exchanger channel of a heat exchanger unit integrated in the collector housing 1.
  • a first heat transfer medium M1 is passed through the pipe flow channel which runs continuously from the inlet connector 5b to the outlet connector 5a in the collector housing 1 and which consists of the tube coil 5 in the heat transfer active area.
  • a second heat transfer medium M2 to be brought into thermal contact with the first reaches the collecting container 2 via the inlet connection 4 and is temporarily stored there. From there, it can be withdrawn from the collecting container 2 in the vapor state at the top, flowing down along the spiral space 6, then entering the discharge space 7 and being drawn off from there via the outlet connection 8.
  • the second, helical flow path means that the second heat transfer medium M2 is in countercurrent thermal contact via the wall of the tube coil 5, which is made of a good heat-conductive material, with the first heat transfer medium M1 passed through the tube coil 5.
  • one or more oil suction bores 9 are provided in the lower region of the side of the container, which are dimensioned such that the more viscous fluid depends on the suction effect in a certain, desired amount is sucked out of the collecting container 2.
  • the collector-heat exchanger assembly constructed in this way can be used in particular for the refrigerant circuit of a motor vehicle air conditioning system in which CO 2 or another conventional refrigerant is used.
  • the heat exchanger unit 5, 6 integrated in the collector functions as an internal heat exchanger between the refrigerant flowing on the high pressure side of the refrigerant circuit, which in this case represents the first heat transfer medium M1, and the refrigerant flowing on the low pressure side, which in this case is the second heat transfer medium M2 represents.
  • the collector part of the assembly connects to an evaporator with the collecting container 2 and passes into the internal heat exchanger 5, 6, while the latter is on the high pressure side between a condenser or gas cooler and an expansion valve.
  • the refrigerant coming from the evaporator thus reaches the collecting container 2 via the inlet connection 4 and is carried away by the refrigerant entering Compressor lubricating oil settles on the bottom of the sump.
  • the temporarily stored refrigerant is in the lower area above the settled oil in the liquid state and in the upper area in the gaseous state. Due to the suction effect of the compressor, gaseous refrigerant is withdrawn from the collecting container 2 from above, flows helically through the intermediate space 6 downwards into the discharge space 7, entraining a certain amount of lubricating oil again via the oil suction holes 9, and leaves the collector housing 1 via the outlet connection 8 towards the compressor.
  • the high-pressure refrigerant coming from the gas cooler or condenser is introduced into the coiled tubing 5 via the inlet connection 5b, flows helically in the tubular coil 5 upwards in heat transfer connection with the low-pressure-side refrigerant flowing down through the interspace 6, and then leaves it Collector housing 1 via the outlet connection 5a.
  • the first heat transfer medium M1 can also be passed through the associated first flow channel in the opposite direction from that shown, in which case it then flows downwards through the coiled tubing 5 in direct current to the second heat transfer medium M2 in the spiral space 6 , ie the integrated heat exchanger unit works in this case on the direct current principle.
  • Fig. 2 shows a variant of the assembly of Fig. 1, which differs from this only in the mezzanine design, wherein a planar, but a curved bottom floor 3a closes the container 2 below. Otherwise, the same reference numerals have been chosen as in FIG. 1 for the corresponding elements, so that reference can be made to the above description of FIG. 1.
  • an oil suction hole 9a is in the intermediate holes. introduced the 3a at its lowest point. Compressed lubricating oil, which has been temporarily stored in the lower area of the collecting container 2, can be drawn off into the discharge space 7 in the lower region of the collecting container 2 and carried there by the refrigerant M2 sucked to the compressor.
  • the arched-down intermediate floor design allows oil to be carried along to the compressor via the oil suction hole 9a made at the deepest point when little oil has accumulated in the collecting container 2.
  • FIG. 3 shows a cutaway sectional view of a further variant of the structural unit according to FIG. 1 or 2, only the heat-transfer-active, modified area being shown, while the structural unit otherwise corresponds to that of FIG. 1 or 2.
  • a collecting container 2a is provided to form the collecting space, which has a profiled side wall conforming to the tube coil 5.
  • the turns of the tube coil 5 lie not only linearly on their radial inside but also flat against the outer wall of the collecting container, which on the one hand facilitates the fluid tightness of this connection, which is not absolutely necessary, but is generally desirable, and on the other hand improves heat transfer between that in the collecting container 2a temporarily stored and extracted from this heat transfer medium on the one hand and the heat transfer medium passed through the coiled tubing 5 on the other hand.
  • an outside profiling of the coiled tubing can be provided in order to increase its heat-transferring surface.
  • FIG. 4 shows an example of such a tubular coil 5a with an enlarged surface on the outside.
  • the increased heat transfer surface also allows a higher flow rate of the heat transfer media without reducing the heat transfer performance.
  • Fig. 5 shows a further collector-heat exchanger assembly, which is modified compared to those of Figs. 1 and 2 in that no intermediate floor is provided. Insofar as there are corresponding functional elements, they are provided with the same reference numerals as in FIG. 1, so that reference can be made to that of FIG. 1 for their description.
  • the collecting container 2 sits in this example directly on a flat floor 1c of a modified collector housing V.
  • the inlet connection 5b for the coiled tubing 5 is carried out, while the outlet connection 8 for the second heat transfer medium M2 is inserted into a second bore in the base 1c and opens into the lower end region of the spiral space 6, with which the one also or several oil suction bores 9 which are introduced into the collecting container side wall.
  • FIG. 6 shows an integrated collector-heat exchanger assembly, in which a collector housing 10 is provided, which delimits an internal collecting space 11 when an independent collecting container is omitted.
  • a coaxial tubular coil 12 which contains a radially inner channel 12a and a radially outer channel 12b.
  • the coaxial tube coil 12 is shortened at its two end sections, bent over into an inlet connection 12c and an outlet connection 12d, in its radially outer channel 12b in such a way that it respectively opens out inside the collector housing 10, while the radially inner channel 12a emerges on both sides from the Collector housing 10 is brought out.
  • the outer coaxial tube duct 12b opens into a discharge space 14, which is separated from the collecting space 11 above by an intermediate floor 12 and which is delimited at the bottom by a housing base 10a, into which an outlet connection 15 is introduced.
  • the inner coaxial tube channel 12a forms the flow channel for the first heat transfer medium MI
  • the outer coaxial tube channel 12b forms the flow channel for the second heat transfer medium M2 and is in thermal contact with the radially inner flow channel 12a along its entire, modified flow profile.
  • the coaxial tube is made of a highly thermally conductive material.
  • the coaxial tube coil 12 thus forms the heat exchanger unit integrated in the collector housing 10, in which the two heat transfer media M1, M2 are preferably in countercurrent, alternatively in cocurrent, in heat-transferring connection with one another.
  • the second heat transfer medium M2 is introduced into the collecting space 11 via a side inlet 16.
  • the second heat transfer medium M2 can, as indicated by dashed lines, also be introduced into the collecting space 11 via an inlet connection 16a provided on the upper side of the housing.
  • the coaxial tube is provided with one or more oil suction bores 17, via which accumulated viscous fluid can be entrained in the desired amount by the second heat transfer medium M2 flowing in the outer coaxial tube channel 12b and drawn off from the collecting space 11.
  • the second heat transfer medium M2 is preferably sucked into the vaporized or gaseous state in the upper collecting space area in the outer coaxial tube channel 12b and leaves it at its opposite, lower end, from where it then arrives in the exhaust chamber 14 and from there out of the collector housing 10.
  • FIGS. 1 to 5 are in an analogous manner with the same properties and advantages, for example for a motor vehicle air conditioning system usable, as indicated for the examples of FIGS. 1 to 5 described above.
  • FIG. 7 shows a completely extruded coaxial tube 18 with a one-piece inner channel 12a and an outer channel 12b consisting of several parallel, circumferentially spaced channel branches.
  • FIG. 8 shows a coaxial tube 19 which is made in two parts from a thick-walled high-pressure tube 19a and a thin-walled cladding tube 19b.
  • the high-pressure pipe 19a contains the inner channel 12a and is provided on the outside with spacing ribs 20, which preferably lie in a fluid-tight manner against the inner surface of the cladding tube 19b, so that an outer channel 12b, which again consists of several parallel branches, is formed.
  • the spacer webs 22 are preferably fluid-tight against the high-pressure pipe 21a, so that in turn a plurality of parallel channel branches forming the outer flow channel 12b are formed.
  • the outer channel 12b can be shortened on both sides compared to the inner channel 12a, as mentioned, by machining, this can alternatively be achieved in the case of the coaxial tubes 19, 21 of FIGS. 8 and 9, that a shorter outer sheath compared to the inner high-pressure tube is used.
  • FIG. 10 shows a variant of the assembly of FIG. 6, elements which are functionally the same again being provided with the same reference numerals and reference is made to the description of FIG. 6.
  • 10 are characteristically all four Inlet and outlet connections for introducing and discharging the two heat transfer media MM, M2 into and out of the collector housing 10 are jointly provided on the upper side 10b thereof.
  • the inner coaxial tube channel 12a is bent at its lower end in the extraction space 14 and is guided to the upper side 10b of the housing 10 through a straight-line inlet connection 23 which leads through the intermediate base 13 and the collecting space 11.
  • a rectilinear suction connection 24 which penetrates the collecting space 11 and the intermediate floor 13 as far as the discharge space 14, is introduced into the upper side 10b of the housing, via which the second heat transfer medium M2 coming out of the collecting space 11 and through the converted outer coaxial tube channel 12b into the discharge space 14 is directed upwards is withdrawn through the collector housing 10.
  • the second heat transfer medium M2 is supplied to the collecting space 11 via an inlet connection 25 likewise inserted into the upper side 10b of the housing, which ends on the collecting space side with a tangential curve 25a.
  • the resulting tangential supply of the second heat transfer medium M2, e.g. of refrigerant from an air conditioning system on the low-pressure side into the collecting space 11 proves to be advantageous, since the resulting rotating flow e.g. a desired separation of refrigerant and entrained oil due to their different densities.
  • the assembly of FIG. 10 is particularly suitable for applications in which it is desirable or necessary to be able to access all connections of the integrated collector-heat exchanger assembly from one side.
  • FIG. 11 shows a plan view of the common connection side of the assembly of FIG. 10 with the inlet connector 23 and the outlet connector 26 for the first heat transfer medium M1 and the inlet connector 25 and the outlet connector 24 for the second heat transfer medium M2. Otherwise apply for this unit, the properties and advantages specified for the above exemplary embodiments.
  • FIG. 12 shows a further variant of the assembly of FIG. 6, the same reference numerals being used again for functionally identical elements and reference is made to the above description of FIG. 6.
  • the coaxial tube used in the integrated collector-heat exchanger assembly of FIG. 12 is bent at its upper end to a U-shaped coaxial tube section 27 following its heat-transferring coil region 12, which returns to the lower collecting chamber region and from there is led up again through the collector housing 10.
  • an oil suction bore 28 is again provided, which connects the lower collecting space region to the outer coaxial tube channel 12b.
  • the U-shaped coaxial tube section 27 increases the heat transfer active flow length of the integrated heat exchanger unit formed by the coaxial tube.
  • the invention provides an integrated collector-heat exchanger assembly, in which a collector and a heat exchanger are integrated in a common assembly with few components in a compact design with little effort.
  • the structural unit can be produced by welded connections alone, without additional soldered connections being necessary. Accordingly, there are no problems in this case that excess flux and solder flake off during operation and lead to malfunctions, for example in a refrigerant circuit, so that in the present case there is a high degree of internal cleanliness of the flow channels.
  • the integrated collector-heat exchanger assembly according to the invention is particularly suitable for use in motor vehicle air conditioning systems, especially also for those with the refrigerant C0 2 .
  • the heat exchanger unit here forms an internal heat exchanger integrated in the low-pressure collector.
  • the high-pressure refrigerant on the back is passed through the collector housing in a pipe designed for a correspondingly high pressure, so that no soldering or welding connection of the structural unit is loaded with the high-pressure refrigerant pressure.
  • the collector housing is then only loaded with the low-pressure refrigerant pressure and can therefore be made with a relatively small wall thickness.
  • the forcibly helical flow guide for both heat transfer media in the heat exchanger unit results in a high heat transfer capacity given a given, compact design, which can be further increased by countercurrent guide of the two media.
  • the heat transfer performance can be further improved by profiling the coiled tubing and / or a possible collecting container.
  • Another advantage of the compact design is that essentially the entire collector housing can be used for the heat exchanger unit.
  • the intermediate floor which may be provided can be quite thin, since there is a similar pressure on both sides. For this reason, the pipe section passed through the intermediate floor does not necessarily have to be welded to the intermediate floor, it may be sufficient to simply push it
  • the unit can be manufactured with a low weight. External leaks can be easily remedied from the outside. Leakages between the high and low pressure sides at connection points, as stated, cannot occur in the collector housing due to the design.
  • the inlet and outlet connections can be placed at practically any desired location on the collector be placed so that the conditions prevailing in the respective application can be taken into account well.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit mit einem Sammlergehäuse (1), in dem sich ein Sammelraum (2) und eine Wärmeübertragereinheit mit zwei getrennten, in Wärmekontakt stehenden Wärmeübertragerkanälen (5, 6) befinden, wobei der eine Wärmeübertragerkanal (5) Teil eines von einem Gehäuseeintritt zu einem Gehäuseaustritt im Sammlergehäuse verlaufenden, ersten Strömungskanals ist und einen wendelförmigen Verlauf besitzt und der andere zweite Wärmeübertragerkanal (6) Teil eines zwischen dem Sammelraum und einem Gehäuseanschluss verlaufenden, zweiten Strömungskanals ist. Erfindungsgemäss besitzt auch der zweite Wärmeübertragerkanal (6) einen wendelförmigen Verlauf, wobei seine Windungen jeweils mit wenigstens einer angrenzenden Windung des ersten Wärmeübertragerkanals (5) in Wärmekontakt stehen. Findet Verwendung z.B. in Kraftfahrzeug-Klimaanlagen.

Description

PATENTANMELDUNG
Integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit
Die Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Sammler-Wärmeübertrager- Baueinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Baueinheiten sind insbesondere in Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen, wie C02-Klimaanlagen, verwendbar, um dort jeweils einen Sammler und einen inneren Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs in einer integrierten Anordnung bereitzustellen.
Eine gattungsgemäße integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit ist in der Patentschrift US 3.955.375 offenbart. Die dort gezeigte Baueinheit ist Teil einer Klimaanlage, wobei der Sammlerteil der Baueinheit zwischen der Austrittsseite eines Verdampfers und der Eintrittsseite eines Kompressors liegt und ihre Wärmeübertragereinheit einen inneren Wärmeübertrager zwischen dem im Sammelraum befindlichen, niederdruckseitigen Kältemittel einerseits und dem hochdruckseitigen Kältemittel vor der Verdampfereintrittsseite andererseits bildet. Das Kältemittel gelangt über einen seitlichen Einlaß im oberen Sammel- raumbereich in den Sammelraum und wird aus diesem über eine oberseitige Sammelraumöffnung abgesaugt. Gleichzeitig wird Öl, das sich im unteren Sam- melraumbereich abgesetzt hat, über eine von dort nach oben aus dem Sammelraum herausführende Ölabsaugleitung mitgesaugt. Die integrierte Wärmeübertragereinheit ist von einer im Sammlergehäuse und damit im Sammelraum angeordneten Rohrwendel gebildet, wobei beide Rohrenden an der Gehäuseun- terseite aus dem Sammelraum herausgeführt sind und dort in seitlich eingebrachte Anschlußöffnungen eines Anschlußblocks münden. Bei einer in der Offenlegungsschrift DE 196 35 454 A1 offenbarten Sammler- Wärmeübertrager-Baueinheit ist die Wärmeübertragereinheit von einer oder mehreren Flachrohrspiralen mit voneinander beabstandeten Windungen gebildet, wobei das Flachrohrinnere einen ersten und der Rohrspiralenzwischenraum einen damit in Wärmekontakt stehenden zweiten Wärmeübertragerkanal der Wärmeübertragereinheit bilden.
Aus der Patentschrift US 4.895.203 ist ein insbesondere zur Brauchwassererwärmung durch ein Kühlmittel eines Kraftfahrzeugmotors verwendeten Zweifluid- Wärmeübertrager bekannt, der ein zylindrisches Außengehäuse, einen in dessen Innerem koaxial angeordneten Hohlzylinder und eine fluiddicht zwischen dem Hohlzylinder und dem Außengehäuse verlaufende Rohrwendel mit in Axial- richtung voneinander beabstandeten Windungen aufweist. Die Rohrwendel bildet den Wärmeübertragerkanal für das eine Fluid, während der Wendelzwischenraum zwischen den Wendelwindungen als wendeiförmiger Wärmeübertragerkanal für das andere Fluid fungiert.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung einer integrierten Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit der eingangs genannten Art zugrunde, die einen vergleichsweise einfachen Aufbau besitzt, mit relativ geringem Aufwand herstellbar ist und eine kompakte Integration der Wärmeübertragereinheit in einem Sammlergehäuse mit gutem Wärmeübertragungswirkungsgrad reali- siert.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer integrierten Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei dieser Baueinheit besitzen charakteristischerweise beide Wärmeübertragerka- näle der Wärmeübertragereinheit einen wendeiförmigen Verlauf derart, daß die Windungen des einen Kanals jeweils mit wenigstens einer angrenzenden Windung des anderen Kanals in Wärmekontakt stehen. Dadurch stehen die getrennt voneinander durch die beiden Wärmeübertragerkanäle strömenden Wärmeüber- tragungsmedien über die gesamte, gewundene Kanallänge miteinander in Wärmeübertragungsverbindung. Da durch die Wendelung diese Strömungskanallänge deutlich größer sein kann als die Außenabmessungen der Wärmeübertragereinheit, läßt sich die Wärmeübertragereinheit bei gegebener, geforderter Wärmeübertragungsleistung vergleichsweise kompakt im Sammlergehäuse un- terbringen. Gleichzeitig ist der Aufbau der Wärmeübertragereinheit aus zwei in Wärmekontakt stehenden, wendeiförmigen Wärmeübertragerkanälen relativ einfach und kann mit geringem Aufwand gefertigt werden. Dabei ist es insbesondere möglich, die integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit insgesamt als reine Schweißkonstruktion aufzubauen, ohne zusätzlich Lötverbindun- gen zu benötigen.
Bei einer nach Anspruch 2 weitergebildeten Baueinheit ist der Sammelraum von einem im Inneren des Sammlergehäuses angeordneten Sammelraum gebildet, und die Wärmeübertragereinheit ist sehr einfach durch eine Rohrwendel reali- siert, die mit axial beabstandeten Windungen abdichtend radial zwischen Sammlergehäuseinnenwand und Sammelbehälteraußenwand eingebracht ist. Während das Rohrinnere dieser Rohrwendel den einen Wärmeübertragerkanal bildet, fungiert der Wendelzwischenraum zwischen den beabstandeten Windungen der Rohrwendel als der andere Wärmeübertragerkanal. Die so aufgebaute Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit läßt sich mit wenigen, einfachen Bauteilen fertigen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist gemäß Anspruch 3 der Sammelbehälter oben offen, und der zugehörige, vom Sammelbehälter zur Gehäuse- außenseite führende Strömungskanal verläuft vom oben offenen Sammelbehälterbereich über den entsprechenden wendeiförmigen Wärmeübertragerkanal nach unten bis mindestens zum unteren Sammelbehälterbereich, wo er mit einer oder mehreren, in den Sammelbehälter eingebrachten Olabsaugbohrungen in Verbindung steht. Unter dem Begriff "Ölabsaugbohrung" ist dabei vorliegend jegliche feine Öffnung zu verstehen, durch die ein vom eigentlichen Wärmeübertragungsmedium mitgeführtes, demgegenüber deutlich viskoseres Fluid mitgerissen wird, bei dem es sich um Öl handeln kann, aber nicht muß. Beim Einsatz in Klimaanlagen handelt es sich meist um vom Kältemittel mitgerissenes Schmieröl für den Kompressor. Über die Olabsaugbohrungen kann dieses in kontrollierter Weise vom aus dem Sammelbehälter abgesaugten Kältemittel wieder mitgerissen werden, nachdem es sich zuvor im Sammelbehälter unten abgesetzt hat.
In einer weiteren Ausgestaltung ist gemäß Anspruch 4 eine Steigerung des Wärmeübertragungsvermögens dadurch vorgesehen, daß die Sammelbehälteraußenwand eine an die Wärmeübertrager-Rohrwendel angepaßte Profilierung aufweist, so daß eine wärmeübertragungssteigemde, flächige und nicht nur li- nienförmige Anlage der Rohrwendel an der Sammelbehälteraußenwand gege- ben ist. In einer ebenfalls wärmeübertragungssteigernden Ausgestaltung ist gemäß Anspruch 5 die Wärmeübertrager-Rohrwendel mit einer außenseitigen, oberflächenvergrößernden Profilierung versehen.
Bei einer nach Anspruch 6 weitergebildeten Baueinheit ist die Wärmeübertrager- einheit von einer Koaxialrohrwendel gebildet, bei der ein radial innerer und ein radial äußerer Kanal die beiden Wärmeübertragerkanäle darstellen. Auch diese Baueinheit läßt sich einfach und mit wenigen Bauteilen fertigen. Insbesondere kann in diesem Fall das Sammlergehäuse gleichzeitig die Begrenzung des Sammelraums bilden, in dem dann die Koaxialrohrwendel liegt.
Bei einer nach Anspruch 7 weitergebildeten Baueinheit befinden sich beide ge- häuseseitigen Anschlußstellen des durchgehenden, nicht im Sammelraum en- denden, ersten Strömungskanals auf einer gemeinsamen, vorzugsweise einem Endbereich der wendeiförmigen Wärmeübertragerkanäle zugewandten Gehäuseseite, und der Strömungskanal ist mit einem geradlinigen Rohrabschnitt im Sammlergehäuse zum gegenüberliegenden Wärmeübertragerkanal-Endbereich geführt. Analog können bei Bedarf auch für das im Sammelraum zwischenzuspeichernde Wärmeübertragungsmedium der gehäuseseitige Eintritt und Austritt auf dieser Gehäuseseite vorgesehen sein, so daß alle Anschlüsse für die integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit von einer Seite zugänglich sind.
Bei einer nach Anspruch 8 weitergebildeten Baueinheit geht die Koaxialrohrwendel im einen Endbereich in einen U-förmigen Koaxialrohrabschnitt über, der ra- dial innerhalb des Wendelbereichs liegt und mit dem sich die wärmeübertragungswirksame Strömungslänge ohne Vergrößerung der Baueinheit selbst weiter steigern läßt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 9 ist die Koaxialrohr- wendel im Sammelraum angeordnet und an einem Ende mit ihrem radial äußeren Kanal so verkürzt, daß dessen Mündungsende im oberen Sammelraumbe- reich liegt, während der radial innere Kanal zur Gehäuseaußenseite weitergeführt ist. In weiterer Ausgestaltung dieser Maßnahme ist gemäß Anspruch 10 die Koaxialrohrwendel in einem unteren Sammelraumbereich mit einer oder mehreren Olabsaugbohrungen versehen, die ihren radial äußeren Kanal mit dem unteren Sammelraumbereich verbinden, in welchem sich das vom eigentlichen Wärmeübertragungsmedium mitgerissene, viskosere Fluid absetzt.
Bei einer nach Anspruch 11 weitergebildeten Baueinheit sind Sammelraumzu- fuhrmittel vorgesehen, die das im Sammelraum zwischenzuspeichernde Wärmeübertragungsmedium diesem mit einer tangentialen Strömungskomponente zu- führen. Die dadurch bewirkte rotierende Zuflußströmung in den Sammelraum erleichtert die erwünschte Trennung von eigentlichem Wärmeübertragungsmedium und dem von ihm mitgerissenen, viskoseren Fluid. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine Längsschnittansicht durch eine integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit mit auf einem planen Zwischenboden aufsitzendem Sammelraumbehälter und umgebender Wärmeübertragerrohrwendel,
Fig. 2 eine Ansicht entsprechend Fig. 1 , jedoch für eine Sammler- Wärmeübertrager-Baueinheit mit nach unten gewölbtem Zwischenboden,
Fig. 3 eine ausschnittweise Schnittansicht durch eine Sammler-
Wärmeübertrager-Baueinheit entsprechend den Fig. 1 und 2, jedoch mit profilierter Sammelbehälterwand,
Fig. 4 eine Querschnittansicht durch eine statt der unprofilierten Wär- meübertragerrohrwendel der Fig. 1 bis 3 verwendbare profilierte
Rohrwendel,
Fig. 5 eine Ansicht entsprechend Fig. 1 , jedoch für eine Sammler- Wärmeübertrager-Baueinheit ohne Zwischenboden, Fig. 6 eine Längsschnittansicht einer integrierten Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit mit Koaxialrohrwendel und beidseitigen Anschlüssen,
Fig. 7 Querschnittsansichten verschiedener, in der Baueinheit von Fig. bis 9 6 verwendbarer Koaxialrohrwendeln,
Fig. 10 eine Schnittansicht entsprechend Fig. 6, jedoch für eine Baueinheit mit nur einer Anschlußseite,
Fig. 11 eine schematische Draufsicht auf die Anschlußseite der Bauein- heit von Fig. 10 und
Fig. 12 eine Schnittansicht entsprechend Fig. 6, jedoch für eine Baueinheit mit U-förmigem Koaxialrohrabschnitt.
Die in Fig. 1 dargestellte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit beinhaltet im Inneren eines Sammlergehäuses 1 einen als Sammelraum fungierenden, zylindrischen Sammelbehälter 2, der auf einem Zwischenboden 3 aufsitzt. Zwischen den Sammelbehälter 2 und das Sammlergehäuse 1 ist eine Rohrwendel 5 eingebracht, deren Windungen in Axialrichtung voneinander beabstandet sind und radial innen fluiddicht gegen die Sammelbehälteraußenwand sowie radial außen fluiddicht gegen die Sammlergehäuseinnenwand anliegen. Auf diese Weise ist ein korrespondierender wendeiförmiger Zwischenraum 6 gebildet, der axial von je zwei benachbarten Rohrwendelwindungen, radial nach innen von der Sammelbehälterwand und radial nach außen von der Sammlergehäusewand be- grenzt wird. Die Rohrwendel 5 endet an der oberen Gehäuseseite mit einem aus dem Gehäuse 1 herausgeführten Austrittsstutzen 5a und an der unteren Gehäuseseite mit einem Eintrittsstutzen 5b, der durch den Zwischenboden 3 und eine Bodenwand 1a des Sammlergehäuses 1 hindurchgeführt ist. Während der Eintrittsstutzen 5b durch die Gehäusebodenwand 1a fluiddicht geführt ist, ist im Zwischenboden 3 ein gegenüber dem Eintrittsstutzen 5b größerer, nicht näher gezeigter Durchlaß vorgesehen, über den der Wendelzwischenraum 6 mit einem vom Zwischenboden 3 und der Gehäusebodenwand 1a begrenzten Abzugsraum 7 in Fluidverbindung steht. Vom Abzugsraum 7 führt ein Austrittsstutzen 8 aus dem Sammlergehäuse 1 heraus. Über einen weiteren Durchbruch an der Gehäuseoberseite 1b ist ein Eintrittsstutzen 4 eingebracht, der in den oben offenen Sammelbehälter 2 mündet.
Auf diese Weise bilden das im Sammelbehälterbereich wendeiförmige Rohr 5 einerseits und der Wendelzwischenraum 6 zusammen mit der oberen Sammelbehälterausmündung und dem Abzugsraum 7 andererseits einen ersten bzw. zweiten Strömungskanal, wobei die beiden Strömungskanäle entlang ihrer wendeiförmigen Abschnitte, d.h., entlang der Rohrwendel 5 und des Wendelzwischenraums 6, miteinander in Wärmekontakt stehen und so einen ersten bzw. zweiten Wärmeübertragerkanal einer in das Sammlergehäuse 1 integrierten Wärmeübertragereinheit bilden.
Im Betrieb wird ein erstes Wärmeübertragungsmedium M1 durch den durchgehend vom Eintrittsstutzen 5b zum Austrittsstutzen 5a im Sammlergehäuse 1 ver- laufenden Rohr-Strömungskanal hindurchgeführt, der im wärmeübertragungsaktiven Bereich aus der Rohrwendel 5 besteht. Ein mit dem ersten in Wärmekontakt zu bringendes, zweites Wärmeübertragungsmedium M2 gelangt über den Eintrittsstutzen 4 in den Sammelbehälter 2 und wird dort zwischengespeichert. Es kann von dort im dampfförmigen Zustand oben aus dem Sammelbehälter 2 wieder abgezogen werden, wobei es entlang des Wendelzwischenraums 6 nach unten strömt, dann in den Abzugsraum 7 gelangt und von dort über den Austrittsstutzen 8 abgezogen wird. Entlang des vom Wendelzwischenraum 6 gebil- deten, wendeiförmigen Strömungsweges steht das zweite Wärmeübertragungs- medium M2 dabei über die aus gut wärmeleitfähigem Material gefertigte Wandung der Rohrwendel 5 mit dem durch die Rohrwendel 5 hindurchgeleiteten ersten Wärmeübertragungsmedium M1 in Gegenstrom-Wärmekontakt.
Wenn vom in den Sammelbehälter 2 eingeleiteten, zweiten Wärmeübertragungs- medium M2 ein viskoseres Fluid mitgerissen wird, setzt sich dieses am Boden des Sammelbehälters 2 ab. Um es von dort mit dem aus dem Sammlergehäuse 1 abgezogenen Strom des zweiten Wärmeübertragungsmediums M2 wieder mit- reissen zu können, sind im unteren Bereich der Sammelbehälterseitenwand eine oder mehrere Olabsaugbohrungen 9 vorgesehen, die so dimensioniert sind, daß das viskosere Fluid abhängig von der Saugwirkung in einem gewissen, gewünschten Maß aus dem Sammelbehälter 2 abgesaugt wird.
Die so aufgebaute Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit kann insbesondere für den Kältemittelkreislauf einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage verwendet werden, in der CO2 oder ein anderes herkömmliches Kältemittel eingesetzt wird. Die in den Sammler integrierte Wärmeübertragereinheit 5, 6 fungiert hierbei als innerer Wärmeübertrager zwischen dem auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs strömenden Kältemittel, das in diesem Fall das erste Wärmeübertragungsmedium M1 darstellt, und dem auf der Niederdruckseite strömenden Kältemittel, das in diesem Fall das zweite Wärmeübertragungsmedium M2 repräsentiert. Niederdruckseitig schließt der Sammlerteil der Baueinheit mit dem Sammelbehälter 2 an einen Verdampfer an und geht in den inneren Wärmeübertrager 5, 6 über, während letzterer hochdruckseitig zwischen einem Kondensator oder Gaskühler und einem Expansionsventil liegt.
Somit gelangt das vom Verdampfer kommende Kältemittel über den Eintrittsstutzen 4 in den Sammelbehälter 2. Vom eintretenden Kältemittel mitgerissenes Kompressorschmieröl setzt sich am Sammelbehälterboden ab. Im Sammelbe- hälter 2 befindet sich das zwischengespeicherte Kältemittel im unteren Bereich über dem abgesetzten Öl im flüssigen und im oberen Bereich im gasförmigen Zustand. Durch die Saugwirkung des Kompressors wird gasförmiges Kältemittel von oben aus dem Sammelbehälter 2 abgezogen, strömt wendeiförmig durch den Wendelzwischenraum 6 nach unten in den Abzugsraum 7, wobei es über die Olabsaugbohrungen 9 eine gewisse Schmierölmenge wieder mitreißt, und verläßt über den Austrittsstutzen 8 das Sammlergehäuse 1 in Richtung Kompressor. Im Gegenstrom hierzu wird das hochdruckseitige, vom Gaskühler oder Kondensator kommende Kältemittel über den Eintrittsstutzen 5b in die Rohrwendel 5 eingeleitet, strömt dort wendeiförmig in der Rohrwendel 5 nach oben in Wärmeübertragungsverbindung mit dem durch den Wendelzwischenraum 6 nach unten strömenden, niederdruckseitigen Kältemittel und verläßt dann das Sammlergehäuse 1 über den Austrittsstutzen 5a.
Es versteht sich, daß je nach Anwendungsfall das erste Wärmeübertragungs- medium M1 auch in der gegenüber der gezeigten umgekehrten Richtung durch den zugehörigen ersten Strömungskanal hindurchgeleitet werden kann, wobei es dann durch die Rohrwendel 5 nach unten im Gleichstrom zum zweiten Wärmeübertragungsmedium M2 im Wendelzwischenraum 6 strömt, d.h., die integrierte Wärmeübertragereinheit arbeitet in diesem Fall nach dem Gleichstromprinzip.
Fig. 2 zeigt eine Variante der Baueinheit von Fig. 1 , die sich von dieser nur in der Zwischenbodengestaltung unterscheidet, wobei kein planarer, sondern ein nach unten gewölbter Zwischenboden 3a den Sammelbehälter 2 unten abschließt. Im übrigen sind für die sich entsprechenden Elemente gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 gewählt, so daß insoweit auf die obige Beschreibung zu Fig. 1 verwiesen werden kann. Beim Beispiel von Fig. 2 ist statt oder zusätzlich zu der oder den seitlichen Olabsaugbohrungen 9 eine Ölabsaugbohrung 9a in den Zwischenbo- den 3a an dessen tiefster Stelle eingebracht. Über diese kann im unteren Be- reich des Sammelbehälters 2 zwischengespeichertes Kompressorschmieröl in einer gewissen, gewünschten Menge in den Abzugsraum 7 abgesaugt und dort von dem zum Kompressor gesaugten Kältemittel M2 mitgerissen werden. Die nach unten gewölbte Zwischenbodengestaltung erlaubt über die an der tiefsten Stelle eingebrachte Ölabsaugbohrung 9a ein Mitreissen von Öl zum Kompressor schon dann, wenn sich im Sammelbehälter 2 erst wenig Öl angesammelt hat.
Fig. 3 zeigt in einer ausschnittweisen Schnittansicht eine weitere Variante der Baueinheit gemäß den Fig. 1 oder 2, wobei lediglich der wärmeübertragungsaktive, modifizierte Bereich gezeigt ist, während die Baueinheit im übrigen mit der- jenigen von Fig. 1 oder 2 übereinstimmt. Bei der Baueinheit von Fig. 3 ist zur Bildung des Sammelraums ein Sammelbehälter 2a vorgesehen, der eine zur Rohrwendel 5 konform profilierte Seitenwand aufweist. Dadurch liegen die Windungen der Rohrwendel 5 auf ihrer radialen Innenseite nicht nur linienförmig, sondern flächig gegen die Sammelbehälteraußenwand an, was zum einen die wenngleich nicht zwingend notwendige, so doch im allgemeinen wünschenswerte Fluiddichtheit dieser Verbindung erleichtert und zum anderen eine verbesserte Wärmeübertragung zwischen dem im Sammelbehälter 2a zwischengespeicherten und aus diesem abgezogenen Wärmeübertragungsmedium einerseits und dem durch die Rohrwendel 5 hindurchgeleiteten Wärmeübertragungsme- dium andererseits ermöglicht. Zusätzlich oder alternativ zu dieser Profilierung der Sammelbehälterseitenwand kann eine außenseitige Profilierung der Rohrwendel vorgesehen sein, um deren wärmeübertragende Oberfläche zu erhöhen.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer solchen außenseitig oberflächenvergrößert profi- lierten Rohrwendel 5a. Die vergrößerte wärmeübertragende Oberfläche läßt zudem eine höhere Strömungsgeschwindigkeit der Wärmeübertragungsmedien ohne Verringerung der Wärmeübertragungsleistung zu. Fig. 5 zeigt eine weitere Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit, die gegenüber denjenigen von Fig. 1 und 2 dahingehend modifiziert ist, daß kein Zwischenboden vorgesehen ist. Soweit funktioneil entsprechende Elemente vorhanden sind, sind diese mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen, so daß zu deren Beschreibung auf diejenige von Fig. 1 verwiesen werden kann. Der Sammelbehälter 2 sitzt in diesem Beispiel direkt auf einem ebenen Boden 1c eines insoweit modifizierten Sammlergehäuses V auf. Durch eine erste Bohrung im Gehäuseboden 1c ist der Eintrittsstutzen 5b für die Rohrwendel 5 durchgeführt, während der Austrittsstutzen 8 für das zweite Wärmeübertragungsmedium M2 in eine zweite Bohrung des Bodens 1c eingesetzt ist und in den unteren Endbereich des Wendelzwischenraums 6 mündet, mit dem außerdem die eine oder mehreren, in die Sammelbehälterseitenwand eingebrachten Olabsaugbohrungen 9 in Verbindung stehen.
Fig. 6 zeigt eine integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit, bei der ein Sammlergehäuse 10 vorgesehen ist, das unter Wegfall eines eigenständigen Sammelbehälters einen innenliegenden Sammelraum 11 begrenzt. In diesem Sammelraum 11 liegt eine Koaxialrohrwendel 12, die einen radial inneren Kanal 12a und einen radial äußeren Kanal 12b beinhaltet. Durch beidseitig spanabhebende Bearbeitung ist die Koaxialrohrwendel 12 an ihren beiden, zu einem Eintrittsstutzen 12c und einem Austrittsstutzen 12d umgebogenen Endabschnitten in ihrem radial äußeren Kanal 12b so verkürzt, daß dieser jeweils noch innerhalb des Sammlergehäuses 10 ausmündet, während der radial innere Kanal 12a beidseitig aus dem Sammlergehäuse 10 herausgeführt ist. Am unteren Ende mündet dabei der äußere Koaxialrohrkanal 12b in einen vom darüberliegenden Sammelraum 11 durch einen Zwischenboden 12 abgeteilten Abzugsraum 14, der nach unten von einem Gehäuseboden 10a begrenzt ist, in den ein Auslaßstutzen 15 eingebracht ist. Somit bildet der innere Koaxialrohrkanal 12a den Strömungskanal für das erste Wärmeübertragungsmedium MI, während der äußere Koaxialrohrkanal 12b den Strömungskanal für das zweite Wärmeübertragungsmedium M2 bildet und entlang seines ganzen, gewandelten Strömungsverlaufs mit dem radial inneren Strömungskanal 12a in Wärmekontakt steht. Dazu ist das Koaxialrohr aus einem hoch wärmeleitfähigen Material gefertigt. Die Koaxialrohrwendel 12 bildet somit in diesem Beispiel die in das Sammlergehäuse 10 integrierte Wärmeübertragereinheit, in der die beiden Wärmeübertragungsmedien M1 , M2 vorzugsweise im Gegenstrom, alternativ im Gleichstrom, miteinander in wärmeübertragender Verbindung stehen.
Das zweite Wärmeübertragungsmedium M2 wird über einen seitlichen Einlaß 16 in den Sammelraum 11 eingeleitet. Alternativ zu dieser seitlichen Zuführung kann das zweite Wärmeübertragungsmedium M2 auch, wie gestrichelt angedeutet, über einen an der Gehäuseoberseite vorgesehenen Eintrittsstutzen 16a in den Sammelraum 11 eingeleitet werden. Ein von ihm eventuell mitgerissenes, viskoses Fluid, wie Schmieröl, setzt sich auf dem Zwischenboden 13 ab. In diesem unteren Sammelraumbereich ist das Koaxialrohr mit einer oder mehreren Olabsaugbohrungen 17 versehen, über die angesammeltes viskoses Fluid in gewünschter Menge vom im äußeren Koaxialrohrkanal 12b strömenden, aus dem Sammelraum 11 abgezogenen zweiten Wärmeübertragungsmedium M2 mitgerissen werden kann. Das zweite Wärmeübertragungsmedium M2 wird hierbei in vorzugsweise dampf- oder gasförmigem Zustand im oberen Sammelraumbereich in den äußeren Koaxialrohrkanal 12b eingesaugt und verläßt diesen an seinem gegenüberliegenden, unteren Ende, von wo es dann in den Abzugsraum 14 und von dort aus dem Sammlergehäuse 10 heraus gelangt.
Die Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit von Fig. 6 ist in analoger Weise mit denselben Eigenschaften und Vorteilen z.B. für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage verwendbar, wie dies zu den oben beschriebenen Beispielen der Fig. 1 bis 5 angegeben ist.
Die Fig. 7 bis 9 zeigen im Querschnitt mögliche Bauformen des Koaxialrohrs von Fig. 6. Speziell zeigt Fig. 7 ein komplett extrudiert gefertigtes Koaxialrohr 18 mit einteiligem Innenkanal 12a und einem aus mehreren parallelen, in Umfangs- richtung beabstandeten Kanalzweigen bestehenden Außenkanal 12b. Fig. 8 zeigt ein Koaxialrohr 19, das zweiteilig aus einem dickwandigen Hochdruckrohr 19a und einem dünnwandigen Hüllrohr 19b gefertigt ist. Das Hochdruckrohr 19a beinhaltet den Innenkanal 12a und ist außenseitig mit Abstandsrippen 20 versehen, die vorzugsweise fluiddicht gegen die Innenfläche des Hüllrohres 19b anlie- gen, so daß ein wiederum aus mehreren parallelen Zweigen bestehender Außenkanal 12b gebildet ist. Das in Fig. 9 gezeigte Koaxialrohr 21 besteht aus einem dünnwandigen, innen mit axial verlaufenden Abstandsstegen 22 versehenen Hüllrohr 21b und einem innenliegenden Hochdruckrohr 21a, das den inneren Strömungskanal 12a bildet. Die Abstandsstege 22 liegen vorzugsweise fluiddicht gegen das Hochdruckrohr 21a an, so daß wiederum mehrere parallele, den äußeren Strömungskanal 12b bildende Kanalzweige gebildet sind.
Während beim Koaxialrohr 18 von Fig. 7 die beidseitige Verkürzung des äußeren Kanals 12b gegenüber dem inneren Kanal 12a, wie erwähnt, durch spanabhe- bende Bearbeitung erfolgen kann, ist dies bei den Koaxialrohren 19, 21 der Fig. 8 und 9 alternativ dadurch realisierbar, daß ein gegenüber dem inneren Hochdruckrohr entsprechend kürzeres, äußeres Hüllrohr verwendet wird.
Fig. 10 zeigt eine Variante der Baueinheit von Fig. 6, wobei wiederum funktioneil gleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind und insoweit auf die Beschreibung von Fig. 6 verwiesen wird. Bei der integrierten Sammler- Wärmeübertrager-Baueinheit von Fig. 10 sind charakteristischerweise alle vier Ein- und Austrittsstutzen zum Ein- und Ausleiten der beiden Wärmeübertra- gungsmedien MM , M2 in bzw. aus dem Sammlergehäuse 10 gemeinsam an dessen Oberseite 10b vorgesehen. In Abänderung der Gestaltung von Fig. 6 ist dabei der innere Koaxialrohrkanal 12a an seinem unteren Ende im Abzugsraum 14 umgebogen und durch einen geradlinigen, durch den Zwischenboden 13 und den Sammelraum 11 hindurchführenden Eintrittsstutzen 23 zur Gehäuseober- seite 10b geführt. Des weiteren ist in die Gehäuseoberseite 10b ein den Sammelraum 11 und den Zwischenboden 13 bis zum Abzugsraum 14 durchdringender, geradliniger Absaugstutzen 24 eingebracht, über den das aus dem Sammelraum 11 und durch den gewandelten äußeren Koaxialrohrkanal 12b in den Abzugsraum 14 gelangende zweite Wärmeübertragungsmedium M2 nach oben durch das Sammlergehäuse 10 hindurch abgezogen wird.
Die Zuführung des zweiten Wärmeübertragungsmediums M2 zum Sammelraum 11 erfolgt über einen ebenfalls in die Gehäuseoberseite 10b eingefügten Eintrittsstutzen 25, der sammelraumseitig mit einem tangentialen Krümmungsbogen 25a endet. Das dadurch bewirkte tangentiale Zuführen des zweiten Wärmeübertragungsmediums M2, z.B. von niederdruckseitigem Kältemittel einer Klimaanlage, in den Sammelraum 11 erweist sich als vorteilhaft, da die so entstehende, rotierende Strömung z.B. eine erwünschte Trennung von Kältemittel und mitgerissenem Öl aufgrund von deren unterschiedlichen Dichten zur Folge hat. Die Baueinheit von Fig. 10 eignet sich insbesondere für Anwendungsfälle, bei denen es wünschenswert oder erforderlich ist, auf alle Anschlüsse der integrierten Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit von einer Seite her zugreifen zu können.
Fig. 11 zeigt eine Draufsicht auf die gemeinsame Anschlußseite der Baueinheit von Fig. 10 mit dem Eintrittsstutzen 23 und dem Austrittsstutzen 26 für das erste Wärmeübertragungsmedium M1 sowie dem Eintrittsstutzen 25 und dem Austrittsstutzen 24 für das zweite Wärmeübertragungsmedium M2. Im übrigen gelten für diese Baueinheit die zu den obigen Ausführungsbeispielen angegebenen Eigenschaften und Vorteile entsprechend.
Fig. 12 zeigt eine weitere Variante der Baueinheit von Fig. 6, wobei wiederum für funktioneil gleiche Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet sind und insoweit auf die obige Beschreibung von Fig. 6 verwiesen wird. In Abänderung der Gestaltung von Fig. 6 ist bei der integrierten Sammler-Wärmeübertrager- Baueinheit von Fig. 12 das verwendete Koaxialrohr im Anschluß an seinen wärmeübertragungsaktiven Wendelbereich 12 an einem oberen Ende zu einem U- förmigen Koaxialrohrabschnitt 27 umgebogen, der in den unteren Sammelraumbereich zurück und von dort wieder nach oben durch das Sammlergehäuse 10 herausgeführt ist. Am tiefsten Punkt des radial innerhalb des Wendelbereichs 12 liegenden U-Bogens ist wiederum eine Ölabsaugbohrung 28 vorgesehen, die den unteren Sammelraumbereich mit dem äußeren Koaxialrohrkanal 12b verbindet. Der U-förmige Koaxialrohrabschnitt 27 erhöht entsprechend seiner Länge die wärmeübertragungsaktive Strömungslänge der vom Koaxialrohr gebildeten, integrierten Wärmeübertragereinheit.
Wie die oben erläuterten Beispiele zeigen, stellt die Erfindung eine integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit zur Verfügung, bei der mit wenigen Bauteilen in kompakter Bauweise mit geringem Aufwand ein Sammler und ein Wär- meübertrager in einer gemeinsamen Baueinheit integriert sind. Insbesondere läßt sich die Baueinheit allein durch Schweißverbindungen fertigen, ohne daß zusätzlich Lötverbindungen nötig sind. Dementsprechend gibt es in diesem Fall auch keine Probleme, daß überschüssiges Flußmittel und Lot im Betrieb abplatzt und zu Betriebsstörungen beispielsweise in einem Kältemittelkreislauf führt, so daß vorliegend eine hohe Innenreinheit der Strömungskanäle gegeben ist. Die erfindungsgemäße integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit ist ganz besonders für den Einsatz in Kraftfahrzeug-Klimaanlagen geeignet, speziell auch für solche mit dem Kältemittel C02. Die Wärmeübertragereinheit bildet hier einen in den niederdruckseitigen Sammler integrierten inneren Wärmeübertrager. Das hochd rückseitige Kältemittel wird geschlossen in einem auf entsprechend hohen Druck ausgelegten Rohr durch das Sammlergehäuse geführt, so daß keine Löt- oder Schweißverbindung der Baueinheit mit dem hochdruckseiti- gen Kältemitteldruck belastet ist. Das Sammlergehäuse ist dann lediglich mit dem niederdruckseitigen Kältemitteldruck belastet und kann daher mit relativ geringer Wandstärke ausgeführt sein. Durch die zwangsweise wendeiförmige Strömungsführung für beide Wärmeübertragungsmedien in der Wärmeübertra- gereinheit ergibt sich eine bei gegebener, kompakter Bauweise hohe Wärmeübertragungsleistung, die durch Gegenstromführung der beiden Medien zusätzlich gesteigert werden kann. Durch Profilierung der Rohrwendel und/oder eines eventuellen Sammelbehälters kann die Wärmeübertragungsleistung weiter verbessert werden. Für die kompakte Bauform ist des weiteren von Vorteil, daß für die Wärmeübertragereinheit im wesentlichen das gesamte Sammlergehäuse genutzt werden kann. Der eventuell vorgesehene Zwischenboden kann recht dünn sein, da auf beiden Seiten ein ähnlicher Druck herrscht. Das durch den Zwischenboden durchgeführte Rohrstück braucht aus diesem Grund auch nicht zwingend mit dem Zwischenboden verschweißt sein, es genügt gegebenenfalls ein bloßes Durchstecken.
Insgesamt läßt sich die Baueinheit mit geringem Gewicht fertigen. Undichtigkeiten nach außen können auf einfache Weise von außen behoben werden. Undichtigkeiten zwischen Hoch- und Niederdruckseite an Verbindungsstellen kön- nen im Sammlergehäuse, wie gesagt, konstruktionsbedingt nicht auftreten. Wie an den verschiedenen obigen Beispielen zudem deutlich wird, können die Ein- und Auslaßanschlüsse an praktisch jede gewünschte Stelle des Sammlerge- häuses gelegt werden, so daß den im jeweiligen Anwendungsfall vorliegenden Bedingungen gut Rechnung getragen werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit, insbesondere für eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage, mit einem Sammlergehäuse (1) , in dem sich ein Sammelraum (2) und eine Wärmeübertragereinheit (5, 6) mit zwei getrennten, in Wärmekontakt stehenden Wärmeübertragerkanälen befinden, wobei - ein erster Wärmeübertragerkanal (5) Teil eines von einem Gehäuseeintritt (5b) zu einem Gehäuseaustritt (5a) im Sammlergehäuse verlaufenden, ersten Strömungskanals ist und einen wendeiförmigen Verlauf besitzt und der zweite Wärmeübertragerkahal (6) Teil eines zwischen dem Sammelraum (2) und einem Gehäuseanschluß (8) verlaufenden, zweiten Strömungskanals ist, dadurch gekennzeichnet, daß auch der zweite Wärmeübertragerkanal (6) einen wendeiförmigen Verlauf besitzt und seine Windungen jeweils mit wenigstens einer angrenzenden Windung des ersten Wärmeübertragerkanals (5) in Wär- mekontakt stehen.
2. Integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelraum von einem im Inneren des Sammlergehäuses (1) angeordneten Sammelbehälter (2) gebildet ist, der eine Wärmeübertragerkanal von einer den Sammelbehälter umgebenden Wärmeübertrager-Rohrwendel (5) mit axial voneinander beabstandeten Windungen gebildet ist, wobei sie mit ihrer radial inneren Windungsfläche dicht mit dem Sammelbehälter und mit ihrer radial äußeren Windungsfläche dicht mit dem Sammlergehäuse verbunden ist, und der andere Wärmeübertragerkanal von dem Wendelzwischenraum (6) gebildet ist, der axial von den beabstandeten Rohrwendelwindungen (5), radial nach innen vom Sammelbehälter (2) und radial nach außen vom Sammlergehäuse (1) begrenzt wird.
3. Integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß - der Sammelbehälter (2) oben offen ist, der zweite Strömungskanal (6) zwischen dem oben offenen Sammelbehälterbereich und einem auf Höhe des unteren Sammelbehälterbereichs oder tiefer liegenden, zugehörigen Gehäuseanschluß (8) verläuft und - der Sammelbehälter in einem unteren, mit dem zweiten Strömungskanal in Verbindung stehenden Bereich mit einer oder mehreren Olabsaugbohrungen (9) versehen ist.
4. Integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand des Sammelbehälters (2a) eine an die angrenzende Wärmeübertrager-Rohrwendel (5) angepaßte Profilierung aufweist, durch die sie flächig gegen die Rohrwendelwindungen anliegt.
5. Integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertrager-Rohrwendel (5a) eine außenseitige, oberflä- chenvergrößemde Profilierung aufweist.
6. Integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragereinheit von einer Koaxialrohrwendel (12) gebildet ist, von der ein radial innerer Kanal (12a) den einen Wärmeübertragerkanal und ein radial äußerer Kanal (12b) den anderen Wärmeübertragerkanal bilden.
7. Integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit nach einem der Ansprü- ehe 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäuseeintritt (23) und der Gehäuseaustritt des ersten Strömungskanals (12) auf einer gemeinsamen Gehäuseseite (10b) angeordnet sind und der erste Strömungskanal vom, Gehäuseeintritt oder - austritt mit einem geradlinigen Rohrabschnitt in den gegenüberliegenden Gehäusebereich geführt ist und dort in den zugehörigen wendeiförmigen Wärmeübertragerkanal (12a) übergeht.
8. Integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Koaxialrohrwendel (12) an einem Endbereich in einen U-förmigen Koaxialrohrabschnitt (27) übergeht, der sich radial innerhalb des Wendelbereichs befindet.
9. Integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Koaxialrohrwendel (12) im Inneren des Sammelraums (11) angeordnet ist und ihr radial äußerer Kanal (12b) den zweiten Wärmeüber- tragerkanal bildet und am einen Ende im oberen Sammelraumbereich endet, während ihr innerer Kanal (12a) beidseits bis zu einem zugehörigen Gehäuseeintritt bzw. Gehäuseaustritt weitergeführt ist.
10. Integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der radial äußere Kanal (12b) der Koaxialrohrwendel (12) über eine oder mehrere Olabsaugbohrungen (17) mit dem unteren Sammelraumbereich in Verbindung steht.
11. Integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß
Sammelraumzufuhrmittel (25, 25a) vorgesehen sind, die das im Sammelraum zwischenzuspeichernde Wärmeübertragungsmedium mit einer tangentialen Strömungskomponente dem Sammelraum (11) zuführen.
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