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Patent Searching and Data


Title:
INTEGRATED COLLECTOR-HEAT TRANSFER UNIT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2000/046558
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an integrated collector-heat transfer unit, comprising a collector housing (1) in which a collector chamber (2) and a heat transfer unit having two separate heat transfer channels (5, 6) are located, said channels being disposed in thermal contact with one another, wherein one of the heat transfer channels (5) is part of a first flow channel extending from an inlet to an outlet in the housing of the collector and has a helical extension while the other heat transfer channel (6) is part of a second flow channel extending in-between the collector chamber and a connection of the housing. According to the invention, the second heat transfer channel (6) also has a helical extension, wherein the spirals thereof are in thermal contact with at least one adjacent spiral of the first heat transfer channel (5). Said unit can be used, for instance, in air conditioning systems for automobiles.

Inventors:
DIENHART BERND
KRAUSS HANS-JOACHIM
MITTELSTRASS HAGEN
STAFFA KARL-HEINZ
WALTER CHRISTOPH
Application Number:
PCT/DE1999/003989
Publication Date:
August 10, 2000
Filing Date:
December 15, 1999
Export Citation:
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Assignee:
FORD WERKE AG (DE)
International Classes:
B60H1/32; F25B40/00; F25B43/00; F28D1/06; F28D7/02; F28D7/10; F25B9/00; (IPC1-7): F25B43/00; B60H1/32; F28D7/04
Foreign References:
DE3119440A11982-12-09
US4895203A1990-01-23
US5075967A1991-12-31
US5233842A1993-08-10
US4217765A1980-08-19
Attorney, Agent or Firm:
Drömer, Hans-carsten (Ford-Werke Aktiengesellschaft Abtlg. NH/DRP Henry-Ford-Strasse 1 Köln, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Integrierte SammlerWärmeübertragerBaueinheit, insbesondere für eine KraftfahrzeugKlimaanlage, mit einem Sammlergehäuse (1), in dem sich ein Sammelraum (2) und ei ne Wärmeübertragereinheit (5,6) mit zwei getrennten, in Wärmekon takt stehenden Wärmeübertragerkanälen befinden, wobei ein erster Wärmeübertragerkanal (5) Teil eines von einem Gehäuse eintritt (5b) zu einem Gehäuseaustritt (5a) im Sammlergehäuse ver laufenden, ersten Strömungskanals ist und einen wendelförmigen 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 wendelförmigen Verlauf besitzt und seine Windungen jeweils mit wenigstens einer an grenzenden Windung des ersten Wärmeübertragerkanals (5) in Wär mekontakt stehen.
2. integrierte SammlerWärmeübertragerBaueinheit 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 um gebenden WärmeübertragerRohrwendel (5) mit axial voneinander beabstandeten Windungen gebildet ist, wobei sie mit ihrer radial inne ren 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 SammlerWärmeübertragerBaueinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelbehälter (2) oben offen ist, der zweite Strömungskanal (6) zwischen dem oben offenen Sammel behälterbereich und einem auf Höhe des unteren Sammelbehälterbe reichs oder tiefer liegenden, zugehörigen Gehäuseanschluß (8) ver täuft und der Sammelbehälter in einem unteren, mit dem zweiten Strömungs kanal in Verbindung stehenden Bereich mit einer oder mehreren Ölabsaugbohrungen (9) versehen ist.
4. Integrierte SammlerWärmeübertragerBaueinheit nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand des Sammelbehälters (2a) eine an die angrenzende WärmeübertragerRohrwendel (5) angepaßte Profilierung aufweist, durch die sie flächig gegen die Rohrwendelwindungen anliegt.
5. Integrierte SammlerWärmeübertragerBaueinheit nach einem der Ansprü che 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die WärmeübertragerRohrwendel (5a) eine außenseitige, oberflä chenvergrößernde Profilierung aufweist.
6. Integrierte SammlerWärmeübertragerBaueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragereinheit von einer Koaxialrohrwendel (12) gebildet ist, von der ein radial innerer Kanal (12a) den einen Wärmeübertra gerkanal und ein radial äußerer Kanal (12b) den anderen Wärme übertragerkanal bilden.
7. integrierte SammlerWärmeübertragerBaueinheit nach einem der Ansprü che 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäuseeintritt (23) und der Gehäuseaustritt des ersten Strö mungskanals (12) auf einer gemeinsamen Gehäuseseite (10b) ange ordnet sind und der erste Strömungskanal vom, Gehäuseeintritt oder austritt mit einem geradlinigen Rohrabschnitt in den gegenüberliegen den Gehäusebereich geführt ist und dort in den zugehörigen wendel förmigen Wärmeübertragerkanal (12a) übergeht.
8. integrierte SammlerWärmeübertragerBaueinheit nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Koaxialrohrwendel (12) an einem Endbereich in einen Uförmigen Koaxialrohrabschnitt (27) übergeht, der sich radial innerhalb des Wendelbereichs befindet.
9. integrierte SammlerWärmeübertragerBaueinheit nach einem der Ansprü che 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Koaxialrohrwendel (12) im Inneren des Sammelraums (11) ange ordnet 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 zugehö rigen Gehäuseeintritt bzw. Gehäuseaustritt weitergeführt ist.
10. Integrierte SammlerWärmeübertragerBaueinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der radial äußere Kanal (12b) der Koaxialrohrwendel (12) über eine oder mehrere Olabsaugbohrungen (17) mit dem unteren Sammel raumbereich in Verbindung steht.
11. Integrierte SammlerWärmeübertragerBaueinheit nach einem der Ansprü che 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.
Description:
PATENTANMELDUNG Integrierte Sammier-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 CO2-Klimaanlagen, verwendbar, um dort jeweils einen Sammler und einen inneren Wärmeübertra- ger 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 Austritts- seite 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 bil- det. 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 01, das sich im unteren Sam- melraumbereich abgesetzt hat, über eine von dort nach oben aus dem Sammel- raum herausführende Olabsaugleitung mitgesaugt. Die integrierte Wärmeüber- tragereinheit ist von einer im Sammlergehäuse und damit im Sammelraum an- geordneten Rohrwendel gebildet, wobei beide Rohrenden an der Gehäuseun- terseite aus dem Sammelraum herausgeführt sind und dort in seitlich einge- brachte 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 gebil- det, 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 Brauchwasserer- wärmung durch ein Kühimittel eines Kraftfahrzeugmotors verwendeten Zweifluid- Wärmeübertrager bekannt, der ein zylindrisches Außengehäuse, einen in des- sen Innerem koaxial angeordneten Hohlzylinder und eine fiuiddicht zwischen dem Hohlzylinder und dem Außengehäuse verlaufende Rohrwendel mit in Axial- richtung voneinander beabstandeten Windungen aufweist. Die Rohrwendel bil- det den Wärmeübertragerkanal für das eine Fluid, während der Wendelzwi- schenraum zwischen den Wendelwindungen als wendelförmiger Wärmeübertra- gerkanal 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 Auf- wand herstellbar ist und eine kompakte Integration der Wärmeübertragereinheit in einem Sammlergehäuse mit gutem Wärmeübertragungswirkungsgrad reali- siert.

Die Erfindung lost 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 wendelförmigen Verlauf derart, daß die Windungen des einen Kanals jeweils mit wenigstens einer angrenzenden Win- dung 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 Wär- meübertragungsverbindung. Da durch die Wendelung diese Strömungskanal- langue deutlich größer sein kann als die Außenabmessungen der Wärmeübertra- gereinheit, 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, wendelförmigen Wärmeübertrågerkanälen relativ einfach und kann mit geringem Aufwand gefertigt werden. Dabei ist es insbe- sondere möglich, die integrierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit insge- samt 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 Wendeizwischenraum zwischen den beabstandeten Windun- gen der Rohrwendel als der andere Wärmeübertragerkanal. Die so aufgebaute Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit ! äßt sich mit wenigen, einfachen Bautei- len fertigen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist gemäß Anspruch 3 der Sammelbe- hälter oben offen, und der zugehörige, vom Sammelbehälter zur Gehäuse- außenseite führende Strömungskanal verläuft vom oben offenen Sammelbehäl- terbereich über den entsprechenden wendelförmigen 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"Olabsaugbohrung"ist dabei vorliegend jegliche feine Öffnung zu verstehen, durch die ein vom eigentlichen Wärmeüber- tragungsmedium mitgeführtes, demgegenüber deutlich viskoseres Fluid mitge- rissen 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 wie- der mitgerissen werden, nachdem es sich zuvor im Sammelbehälter unten abge- setzt hat.

In einer weiteren Ausgestaltung ist gemäß Anspruch 4 eine Steigerung des Wärmeübertragungsvermögens dadurch vorgesehen, daß die Sammelbehälter- außenwand eine an die Wärmeübertrager-Rohrwendel angepaßte Profilierung aufweist, so daß eine wärmeübertragungssteigernde, flächige und nicht nur li- nienförmige Anlage der Rohrwendel an der Sammelbehälteraußenwand gege- ben ist. In einer ebenfalls wärmeübertragungssteigernden Ausgestaltung ist ge- mäß 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 iäßt 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 wendelförmigen Wärmeübertragerkanäle zugewandten Ge- häuseseite, und der Strömungskanal ist mit einem geradlinigen Rohrabschnitt im Sammlergehäuse zum gegenüberliegenden Wärmeübertragerkanal-Endbereich geführt. Analog können bei Bedarf auch für das im Sammelraum zwischenzu- speichernde Wärmeübertragungsmedium der gehäuseseitige Eintritt und Austritt auf dieser Gehäuseseite vorgesehen sein, so daß alle Anschlüsse für die inte- grierte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit von einer Seite zugänglich sind.

Bei einer nach Anspruch 8 weitergebildeten Baueinheit geht die Koaxialrohrwen- del im einen Endbereich in einen U-förmigen Koaxialrohrabschnitt über, der ra- dial innerhalb des Wendelbereichs liegt und mit dem sich die wärmeübertra- gungswirksame Strömungslänge ohne Vergrößerung der Baueinheit selbst wei- ter steigern iäßt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 9 ist die Koaxialrohr- wendel im Sammelraum angeordnet und an einem Ende mit ihrem radial äuße- ren Kanal so verkürzt, daß dessen Mündungsende im oberen Sammelraumbe- reich liegt, während der radial innere Kanal zur Gehäuseaußenseite weiterge- führt ist. In weiterer Ausgestaltung dieser Maßnahme ist gemäß Anspruch 10 die Koaxialrohrwendel in einem unteren Sammelraumbereich mit einer oder mehreren Ölabsaugbohrungen versehen, die ihren radia ! äußeren Kana) 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 Wärme- übertragungsmedium diesem mit einer tangentialen Strömungskomponente zu-

führen. Die dadurch bewirkte rotierende Zuflußströmung in den Sammelraum erleichtert die erwünschte Trennung von eigentlichem Wärmeübertragungsme- dium und dem von ihm mitgerissenen, viskoseren Fluid. Vorteilhafte Ausfüh- rungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen : Fig. 1 eine Längsschnittansicht durch eine integrierte Sammler-Wärme- übertrager-Baueinheit mit auf einem planen Zwischenboden auf- sitzendem Sammelraumbehälter und umgebender Wärmeüber- tragerrohrwendel, Fig. 2 eine Ansicht entsprechend Fig. 1, jedoch für eine Sammler- Wärmeübertrager-Baueinheit mit nach unten gewölbtem Zwi- schenboden, Fig. 3 eine ausschnittweise Schnittansicht durch eine Sammler- Wärmeübertrager-Baueinheit entsprechend den Fig. 1 und 2, je- doch 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-Wärme- übertrager-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 Bauein- heit 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 Bauein- heit mit U-förmigem Koaxialrohrabschnitt.

Die in Fig. 1 dargestellte Sammler-Wärmeübertrager-Baueinheit beinhaltet im inneren eines Sammlergehäuses 1 einen als Sammelraum fungierenden, zylin- drischen Sammelbehälter 2, der auf einem Zwischenboden 3 aufsitzt. Zwischen den Sammelbehälter 2 und das Sammlergehäuse 1 ist eine Rohrwendel 5 ein- gebracht, 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 wendelförmiger Zwischenraum 6 gebildet, der axial von je zwei benachbarten Rohrwendelwindungen, radial nach innen von der Sam- melbehälterwand 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 Ge- häuseoberseite 1b ist ein Eintrittsstutzen 4 eingebracht, der in den oben offenen Sammelbehälter 2 mündet.

Auf diese Weise bilden das im Sammelbehälterbereich wendelförmige Rohr 5 einerseits und der Wendeizwischenraum 6 zusammen mit der oberen Sammel- behälterausmündung und dem Abzugsraum 7 andererseits einen ersten bzw. zweiten Strömungskanal, wobei die beiden Strömungskanäle entlang ihrer wen- delförmigen Abschnitte, d. h., entlang der Rohrwendel 5 und des Wendelzwi- schenraums 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 durchge- hend vom Eintrittsstutzen 5b zum Austrittsstutzen 5a im Sammlergehäuse 1 ver- laufenden Rohr-Strömungskanal hindurchgeführt, der im wärmeübertragungsak- tiven Bereich aus der Rohrwendel 5 besteht. Ein mit dem ersten in Wärmekon- takt 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 Wendeizwischenraums 6 nach unten strömt, dann in den Abzugsraum 7 gelangt und von dort über den Aus- trittsstutzen 8 abgezogen wird. Entlang des vom Wendelzwischenraum 6 gebil-

deten, wendelförmigen Strömungsweges steht das zweite Wärmeübertragungs- medium M2 dabei über die aus gut wärmeleitfähigem Material gefertigte Wan- dung der Rohrwendel 5 mit dem durch die Rohrwendel 5 hindurchgeleiteten er- sten 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, ge- wünschten 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 Kältemittelkreis- laufs strömenden Kältemittel, das in diesem Fall das erste Wärmeübertragungs- medium 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 Sammelbe- hälter 2 an einen Verdampfer an und geht in den inneren Wärmeübertrager 5,6 über, während letzterer hochdruckseitig zwischen einem Kondensator oder Gas- kühler und einem Expansionsventil liegt.

Somit gelangt das vom Verdampfer kommende Kältemittel über den Eintrittsstut- zen 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 01 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 wendelförmig durch den Wendeizwischenraum 6 nach unten in den Abzugsraum 7, wobei es über die Olabsaugbohrungen 9 eine gewisse Schmierölmenge wieder mitreißt, und verfaßt über den Austrittsstutzen 8 das Sammlergehäuse 1 in Richtung Kom- pressor. Im Gegenstrom hierzu wird das hochdruckseitige, vom Gaskühler oder Kondensator kommende Kältemittel über den Eintrittsstutzen 5b in die Rohrwen- del 5 eingeleitet, strömt dort wendelförmig in der Rohrwendel 5 nach oben in Wärmeübertragungsverbindung mit dem durch den Wendeizwischenraum 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 Wärme- übertragungsmedium M2 im Wendeizwischenraum 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 Olabsaugbohrung 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 Olabsaugbohrung 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 wärmeübertragungsak- tive, 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 Win- dungen 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 wünschens- werte Fluiddichtheit dieser Verbindung erleichtert und zum anderen eine verbes- serte Wärmeübertragung zwischen dem im Sammelbehälter 2a zwischengespei- cherten 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 Rohr- wendel 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 faßt 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 Zwischenbo- den vorgesehen ist. Soweit funktionell 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 Sammelbe- hälter 2 sitzt in diesem Beispiel direkt auf einem ebenen Boden 1 c eines insoweit modifizierten Sammlergehäuses 1'auf. Durch eine erste Bohrung im Gehäuse- boden 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 Verbin- dung 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 spanabhe- bende Bearbeitung ist die Koaxialrohrwendel 12 an ihren beiden, zu einem Ein- trittsstutzen 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 Auslaß- stutzen 15 eingebracht ist.

Somit bildet der innere Koaxialrohrkanal 12a den Strömungskanal für das erste Wärmeübertragungsmedium Ml, während der äußere Koaxialrohrkanal 12b den Strömungskanal für das zweite Wärmeübertragungsmedium M2 bildet und ent- lang seines ganzen, gewandelten Strömungsverlaufs mit dem radial inneren Strömungskanal 12a in Wärmekontakt steht. Dazu ist das Koaxialrohr aus ei- nem hoch wärmeleitfähigen Material gefertigt. Die Koaxialrohrwendel 12 bildet somit in diesem Beispiel die in das Sammlergehäuse 10 integrierte Wärmeüber- tragereinheit, in der die beiden Wärmeübertragungsmedien M1, M2 vorzugs- weise im Gegenstrom, alternativ im Gleichstrom, miteinander in wärmeübertra- gender 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 ange- deutet, 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 die- sem 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 Sammel- raumbereich in den äußeren Koaxialrohrkanal 12b eingesaugt und verfaßt die- sen an seinem gegenüberliegenden, unteren Ende, von wo es dann in den Ab- zugsraum 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 verse- hen, 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 versehe- nen Hüllrohr 21 b und einem innenliegenden Hochdruckrohr 21 a, das den inne- ren Strömungskanal 12a bildet. Die Abstandsstege 22 liegen vorzugsweise fluiddicht gegen das Hochdruckrohr 21 a 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 Hoch- druckrohr entsprechend kürzeres, äußeres Hüllrohr verwendet wird.

Fig. 10 zeigt eine Variante der Baueinheit von Fig. 6, wobei wiederum funktionell gleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind und insoweit auf die Beschreibung von Fig. 6 verwiesen wird. Bei der integrierten Sammler- Wärmeübertrager-BaueinheitvonFig. 10 sind charakteristischerweise alle vier

Ein-und Austrittsstutzen zum Ein-und Ausleiten der beiden Wärmeübertra- gungsmedien M1, M2 in bzw. aus dem Sammlergehäuse 10 gemeinsam an des- sen 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 Sam- melraum 11 und den Zwischenboden 13 bis zum Abzugsraum 14 durchdringen- der, geradliniger Absaugstutzen 24 eingebracht, über den das aus dem Sammel- raum 11 und durch den gewandelten äußeren Koaxialrohrkanal 12b in den Ab- zugsraum 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 Ein- trittsstutzen 25, der sammelraumseitig mit einem tangentialen Krümmungsbogen 25a endet. Das dadurch bewirkte tangentiale Zuführen des zweiten Wärme- übertragungsmediums M2, z. B. von niederdruckseitigem Kältemittel einer Klima- anlage, in den Sammelraum 11 erweist sich als vorteilhaft, da die so entstehen- de, rotierende Strömung z. B. eine erwünschte Trennung von Kältemittel und mit- gerissenem 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 Aus- trittsstutzen 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 funktionell gleiche Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet sind und inso- weit 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 wär- meübertragungsaktiven Wendelbereich 12 an einem oberen Ende zu einem U- förmigen Koaxialrohrabschnitt 27 umgebogen, der in den unteren Sammelraum- bereich 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 Olabsaugbohrung 28 vorgesehen, die den unteren Sammelraumbereich mit dem äußeren Koaxialrohrkanal 12b verbin- det. 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 Bau- teilen 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 Wärmeübertra- ger. Das hochdruckseitige Kältemittel wird geschlossen in einem auf entspre- chend hohen Druck ausgelegten Rohr durch das Sammlergehäuse geführt, so daß keine Lot-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 wendelförmige Strömungsführung für beide Wärmeübertragungsmedien in der Wärmeübertra- gereinheit ergibt sich eine bei gegebener, kompakter Bauweise hohe Wärme- übertragungsleistung, die durch Gegenstromführung der beiden Medien zusätz- lich gesteigert werden kann. Durch Profilierung der Rohrwendel und/oder eines eventuellen Sammelbehälters kann die Wärmeübertragungsleistung weiter ver- bessert 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. Undichtigkei- ten nach außen können auf einfache Weise von außen behoben werden. Un- dichtigkeiten 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.