DE10226851A1

DE10226851A1 - Kondensatoranordnung für Fahrzeugklimaanlagen

Info

Publication number: DE10226851A1
Application number: DE2002126851
Authority: DE
Inventors: Alexander Bunzl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-06-15
Filing date: 2002-06-15
Publication date: 2004-01-08

Abstract

Kondensatoranordnung für Fahrzeugklimaanlagen mit einem Hauptkondensator, der zum Kondensieren dampfförmigen Kühlmittels vorgesehen ist. In Fahrtrichtung gesehen vor dem Hauptkondensator ist ein Unterkühler angeordnet. Der Unterkühler kühlt vom Hauptkondensator kommendes kondensiertes Kühlmittel weiter ab. Die Höhe bzw. die Stirnfläche des Unterkühlers ist deutlich kleiner als die Höhe bzw. Stirnfläche des Hauptkondensators. Der Hauptkondensator wird in seiner Kühlleistung also nur unwesentlich durch den davor angeordneten Unterkühler beeinträchtigt.

Description

Die vorliegende Erfindung betriff eine Kondensatoranordnung für Fahrzeugklimaanlagen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Fahrzeug gemäß Patentanspruch 5.
Fahrzeugklimaanlagen weisen einen Kondensator zur Abkühlung und Verflüssigung dampfförmigen Kältemittels auf. Derartige Kondensatoren weisen üblicherweise zwei bis vier Rohrbündel auf, die jeweils aus mehreren parallel angeordneten Rohren bestehen, zwischen denen Kühlrippen angeordnet sind. In einem ersten Rohrbündel fließt Kältemittel beispielsweise von links nach rechts und in dem sich in Strömungsrichtung daran anschließenden zweiten Rohrbündel in die entgegengesetzte Richtung, d.h. von rechts nach links. Die Rohrbündel werden üblicherweise als "Flut" bezeichnet. Bei zwei bzw. vier Rohrbündeln spricht man von „zwei- bzw. vier-flutiger Verschaltung". Der Kältemitteleingang des Kondensators befindet sich üblicherweise im oberen Bereich des Kondensators und der Austritt im unteren Bereich. Da sich das Kältemittel beim Durchströmen des Kondensators abkühlt, verringert sich auch das benötigte spezifische Volumen des Kältemittels. Demzufolge ist die Anzahl der Rohre des ersten Rohrbündels größer als die des zweiten Rohrbündels und die des zweiten Rohrbündels ist wiederum größer als des dritten Rohrbündels usw.
Sportlich konzipierte Fahrzeuge zeichnen sich im Design häufig durch relativ flache Motorhauben aus. Dies führt dazu, dass im "Schnauzenbereich" relativ wenig Bauhöhe für die Unterbringung eines Kondensators einer Fahrzeugklimaanlage sowie die Anordnung eines Wasserkühlers einer Kühlanlage zur Verfügung steht. Insbesondere bei Fahrzeugen mit sehr leistungsstarken Turbomotoren stellt der Bauraum ein konstruktives Problem dar, da der Ladeluftkühler üblicherweise im Bereich unterhalb des Wasserkühlers bzw. des Kondensators der Klimaanlage, d.h. im straßennahen Bereich angeordnet werden muss, weil nur in diesem Bereich die Luftströmung hinreichend stark und kühl ist. Aufgrund der Anordnung des Ladeluftkühlers und der häufig relativ geringen zur Verfügung stehenden maximalen Bauhöhe ergibt sich das Problem, dass die zur Verfügung stehende Stirnfläche für den Kondensator der Fahrzeugklimaanlage nicht ausreicht, um die im maximalen Kühlbetrieb der Klimaanlage anfallende Wärmemenge abzuführen. Einen möglichen Ausweg bietet der Einsatz eines leistungsstarken Elektrolüfters, was eine Erhöhung des Luftvolumenstromes durch den Kondensator ermöglicht. Der Einsatz eines hinreichend leistungsstarken Elektrolüfters ist jedoch mit erheblichen Zusatzkosten verbunden.
Prinzipiell bestünde auch die Möglichkeit, einen zweiten Kondensator unmittelbar vor dem ersten Kondensator anzuordnen. Dies würde jedoch dazu führen, dass sich der Strömungswiderstand der Gesamtanordnung stark erhöht, was sich ungünstig auf die Kühlleistung des Wasserkühlers auswirkt, der üblicherweise in Fahrtrichtung gesehen hinter dem Kondensator der Fahrzeugklimaanlage angeordnet ist. Leistungsstarke Lüfter haben ferner den Nachteil, dass sie relativ laut sind, was insbesondere im Fahrzeugleerlauf oder im Langsamfahrbetrieb unerwünscht ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kondensatoranordnung für Fahrzeugklimaanlagen zu schaffen, die kostengünstig ist, eine hohe Kühlleistung aufweist und die für den Einbau in Motorräumen mit relativ geringer zur Verfügung stehender Bauhöhe geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale. der Patentansprüche 1 und 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, den Kondensator der Klimaanlage in zwei Teilkomponenten "aufzusplitten", nämlich einen „Hauptkondensator" und einen "Unterkühler", der hinsichtlich seiner Größe wesentlich kleiner ist als der Hauptkondensator und der in Fahrtrichtung gesehen vor dem Hauptkondensator angeordnet ist. Der Hauptkondensator ist primär zum Abkühlen und Kondensieren, d.h. Verflüssigen des heißen, dampfförmigen Kältemittels vorgesehen, das von der Klimaanlage kommt. Das im Hauptkondensator abgekühlte und verflüssigte Kältemittel strömt dann in den Unterkühler, wo es weiter abgekühlt wird. Die Kühlleistung des Hauptkondensators bzw. der Strömungswiderstand der Gesamtanordnung wird durch den vor dem Hauptkondensator angeordneten Unterkühler kaum beeinträchtigt, da dessen Bauhöhe bzw. Stirnfläche deutlich kleiner ist als die des Hauptkondensators.
Hinsichtlich der Anordnung des Unterkühlers „in Vertikalrichtung" wird man sich an dem zur Verfügung stehenden Bauraum orientieren. Vorzugsweise wird der Unterkühler in einer „Höhe" angeordnet, in der die Fahrtwind- bzw. Kühlluftströmung am stärksten ist, z.B. im unteren, mittleren oder im oberen Bereich des Hauptkondensators, was vom Fahrzeugtyp abhängt.
Da das Kältemittel beim Eintritt in den Unterkühler bereits flüssig ist, sind für den Unterkühler nur relativ wenige zum einem Rohrbündel zusammengefasste Rohre erforderlich, um den Kältemittelvolumenstrom aufzunehmen. Der Unterkühler ist somit wesentlich kleiner als der Hauptkondensator. Dies hat den Vorteil, dass nur ein relativ kleiner Teil der Stirnfläche des Hauptkondensators durch die Stirnfläche des Unterkühlers "abgedeckt" ist. Im Unterschied zu einer Anordnung mit zwei gleich großen hintereinander geschalteten Kondensatoren ist der Luftströmungswiderstand der oben beschriebenen Anordnung wesentlich geringer.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Hauptkühler mehrere "Fluten", d.h. mehrere Rohrbündel auf, wobei das Kältemittel in den Rohren des ersten Rohrbündels in die eine Richtung und in den Rohren des in Strömungsrichtung nächstfolgenden Rohrbündels zurück in die andere Richtung strömt. Die Anzahl der Rohre aufeinanderfolgender Rohrbündel kann von Rohrbündel zu Rohrbündel verringert werden, da sich das spezifische Volumen des Kältemittels beim Durchströmen des Hauptkondensators verringert. Dementsprechend kommt man in der "Unterkühlstrecke des Kondensators", d.h. im Unterkühler, mit einer relativ geringen Anzahl an Rohren aus.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist seitlich am Hauptkondensator ein Sammler/Trockner angeordnet, der beispielsweise rohrförmig sein kann. Der Sammler/Trockner ist mit einer hygroskopischen Substanz gefüllt. Im Bodenbereich des Sammlers scheidet sich flüssiges Kältemittel ab. Von dort führt eine kurze Verbindungsleitung zum Eingang des Unterkühlers, wo das bereits flüssige Kältemittel weiter abgekühlt wird.
Der Unterkühler kann hinsichtlich seiner Rohrgeometrie und seines Rohrabstandes baugleich wie der Hauptkondensator ausgeführt sein. Insbesondere kann die Verrippung des Unterkühlers die gleiche Dichte aufweisen wie die Verrippung, d.h. die spezifische Rippenoberfläche, Geometrie, Anordnung etc. des Hauptkondensators.
Die oben beschriebene Kondensatoranordnung kann in Fahrtrichtung gesehen vor einem Wasserkühler im Motorraum eines Fahrzeugs angeordnet sein. Hinter dem Wasserkühler kann zusätzlich ein saugendes Lüfterrad angeordnet sein. Die Erfindung ist insbesondere für einen Einsatz bei herkömmlichen Otto- und Dieselmotoren geeignet sowie bei Otto- und Dieselmotoren mit Turbolader und Ladaluftkühler. Der Ladeluftkühler kann vorzugsweise unterhalb des Hauptkondensators angeordnet sein.
Der wesentliche Vorteil der oben beschriebenen Kondensatoranordnung besteht in der durch die Aufsplittung des Kondensators in zwei Kondensatorkomponenten erreichbaren geringen Bauhöhe und der großen erzielbaren Kälteleistung. Da der Unterkühler klein ausgeführt sein kann, verdeckt er den Hauptkondensator nur unwesentlich. Mit der oben beschriebenen Kondensatoranordnung kann etwa dieselbe Kälteleistung erzielt werden wie bei der Verwendung eines Lüfters mit einer höheren Leistungsklasse. Die Zusatzkosten der oben beschriebenen Kondensatoranordnung sind jedoch deutlich geringer als bei der Verwendung eines stärkeren Lüfters.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

1 eine Prinzipskizze einer herkömmlichen Kondensatoranordnung;
2 eine Prinzipskizze eines dreiflutigen Kondensators; und
3 eine Prinzipskizze einer Kondensatoranordnung gemäß der Erfindung.

1 zeigt die prinzipielle Anordnung eines Kondensators 1, eines Wasserkühlers 2, eines Ladeluftkühlers 3 und eines saugenden Elektrolüfters 5, wie man sie bei einer Vielzahl heutiger Fahrzeuge mit Turbomotor vorfindet. Der Kondensator 1 der Klimaanlage ist in Fahrtrichtung gesehen vor dem Wasserkühler 2 des Kühlkreislaufs des Motors angeordnet. Die Fahrtrichtung ist der hier durch einen Pfeil 4 angedeuteten Strömungsrichtung des Fahrtwinds entgegengesetzt. Der Ladeluftkühler 3 ist in einem strömungstechnisch günstigen Bereich unterhalb des Kondensators 1 und des Wasserkühlers 2 angeordnet. Hinter dem Wasserkühler 2 befindet sich der saugende Elektrolüfter 5 der den Luftvolumenstrom durch den Kondensator 1 und den Wasserkühler 2 erhöht.
Leistungsstarke Turbomotoren werden überwiegend in sportlichen Fahrzeugen verbaut, bei denen der Bauraum in Vertikalrichtung aufgrund der tiefen Motorhaube sehr begrenzt ist. Dementsprechend gering ist auch der für den Einbau des Kondensators 1 und des Wasserkühlers 2 zur Verfügung stehende Bauraum, von dem ein Teil durch den Ladeluftkühler 3 beansprucht wird.
2 zeigt das Grundprinzip eines herkömmlichen Kondensators 1. Im oberen Bereich des Kondensators 1 ist ein Eingangsstutzen 6 vorgesehen. Von dort strömt heißer Kältemitteldampf durch ein erstes Rohrbündel nach links, was durch einen Pfeil 7 angedeutet ist. Von dort strömt der bereits abgekühlte Kältemitteldampf über einen Sammler 8 durch ein zweites Rohrbündel, das durch einen Pfeil 9 angedeutet ist, zurück nach rechts und von dort über ein drittes Rohrbündel, das durch einen Pfeil 10 angedeutet ist, nach links in den Sammler B. Das zunächst dampfförmige Kältemittel kühlt sich beim Durchströmen des Kondensators 1 soweit ab, dass es am Ausgang 11 des Sammlers 8 flüssig ist.
Wie durch die Anordnung der Pfeile 7, 9, 10 angedeutet ist, weist das erste Rohrbündel 7 mehr Rohre auf als das zweite Rohrbündel 9 und dieses wiederum mehr Rohre als das dritte Rohrbündel 10. Beim Durchströmen kühlt sich nämlich das Kältemittel ab, wodurch sich sein spezifisches Volumen verringert, so dass man von Rohrbündel zu Rohrbündel mit einer geringen Anzahl einzelner Rohre auskommt.
3 zeigt das Grundprinzip der Erfindung. Dort ist der in 2 dargestellte Ausgang 11 des Hauptkondensators 1 mit dem Eingang eines Unterkühlers verbunden. Der Unterkühler 11 bildet also die „letzte Flut" des Hauptkondensators 1. Im Unterkühler 11 wird das vom Hauptkondensator 1 kommende abgekühlte, flüssige Kältemittel weiter abgekühlt und strömt von dort zurück zum Verdampfer (nicht dargestellt) der Fahrzeugklimaanlage.
Der Unterkühler 11 weist ebenfalls ein bzw. mehrere Rohrbündel auf (nicht dargestellt). Die Anzahl der Rohre pro Rohrbündel ist beim Unterkühler 11 jedoch geringer als beim Hauptkondensator 1. Der Unterkühler 11 weist deshalb eine wesentlich geringere Bauhöhe und somit eine wesentlich kleinere Stirnfläche auf als der Hauptkondensator 1. Wenngleich der Unterkühler 11 vor dem Hauptkondensator 1 angeordnet ist, verdeckt er aufgrund seiner geringen Höhe nur einen kleinen Teil der Stirnfläche des Hauptkondensators 1. Dies hat den Vorteil, dass sich der Gesamtströmungswiderstand der Kondensatoranordnung durch den Unterkühler 11 kaum erhöht.

Claims

Kondensatoranordnung für Fahrzeugklimaanlagen mit einem Hauptkondensator (1) der zum Kondensieren dampfförmigen Kühlmittels vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in Fahrtrichtung gesehen vor dem Hauptkondensator (1) ein Unterkühler (11) angeordnet ist, der vom Hauptkondensator (1) kommendes kondensiertes Kühlmittel weiter abkühlt, wobei die Höhe bzw. die Stirnfläche des Unterkühlers (11) kleiner ist als die Höhe bzw. Stirnfläche des Hauptkondensators (1).
Kondensatoranordnung nach Anspruch 1, wobei der Hauptkondensator (1) mindestens zwei Rohrbündel (7, 9, 10) aufweist, die jeweils aus mehreren parallel angeordneten Rohren bestehen, wobei in den Rohren des ersten Rohrbündels (7) Kühlmittel in eine erste Richtung strömt und in den Rohren des zweiten Rohrbündels (9) zurück, entgegen der ersten Richtung, und wobei die Anzahl der Rohre des zweiten Rohrbündels (9) kleiner ist als die Anzahl der Rohre des ersten Rohrbündels (7).
Kondensatoranordnung nach Anspruch 2, wobei der Unterkühler (11) mindestens ein drittes Rohrbündel aufweist, dass aus mehreren parallel angeordneten Rohren besteht, wobei die Anzahl der Rohre des dritten Rohrbündels kleiner ist als jeweils die Anzahl der Rohre des ersten und zweiten Rohrbündels (7, 9).
Kondensatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei seitlich am Kondensator (1) ein Sammler (8) angeordnet ist, in dem kondensiertes bzw. kondensierendes Kühlmittel aufgefangen wird, wobei der Sammler (8) mit einem Eingangsanschluss des Unterkühlers (11) verbunden ist.
Fahrzeug mit einer Wasserkühlanlage zur Kühlung eines Motors und einer Klimaanlage, welche eine Kondensatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweist, wobei in Fahrtrichtung gesehen der Hauptkondensator (1) vor einem Wasserkühler (2) und der Wasserkühler (2) vor einem saugenden Lüfterrad (5) angeordnet ist.
Fahrzeug nach Anspruch 5, wobei in einem Bereich unterhalb des Hauptkondensators (1) und des Wasserkühlers (2) ein Ladeluftkühler (3) angeordnet ist.