DE10001470A1

DE10001470A1 - Verfahren zum Betreiben einer Klimatisierungseinrichtung für Fahrzeuge und Ausführung des erforderlichen Abscheidesammlers

Info

Publication number: DE10001470A1
Application number: DE10001470A
Authority: DE
Inventors: Max Karsch; Karl-Heinz Hassel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-01-15
Filing date: 2000-01-15
Publication date: 2001-07-19

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Klimatisierungseinrichtung für Fahrzeuge, bei der auf der Hochdruckseite eines Kaltdampfkompressionskältemittelkreislaufes, der einen Verdichter, einen Gaskühler, eine Drosseleinrichtung, einen Abscheidesammler und einen Verdampfer beinhaltet, einen geschlossenen Kreislauf bildend, wobei zwischen Abscheidesammler und Verdampfer ein weiterer Kreislauf gebildet wird, zum Angebot von Kälteleistung ein hinsichtlich des kritischen Druckes eines im Kreislauf umlaufenden Kältemittels überkritischer Druck erzeugt wird und gleichzeitig auf der Niederdruckseite des Kreislaufes ein unterkritischer Druck erreicht wird, wobei dem auf der Niederdruckseite abgekühlten Kältemittel über einen Verdampfer Wärmeenergie zugeführt bzw. Kälteenergie abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verdampfer ein Abscheidesammler vorgeschaltet ist und der Verdampfer vorwiegend mit Kältemittelflüssigkeit aus dem Abscheidesammler beaufschlagt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Einrichtung zum Klimatisieren von Fahrzeugen und Fahrgasträumen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 hinsichtlich der Gestaltung der Kälteerzeu gungsanlage und gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 9 bis 11 hinsichtlich der Ausführung des Abscheidesammlers.

Ein derartiges Verfahren ist aus der Patentschrift DE 44 32 272 C2 bekannt. Darin ist eine Kälteerzeugungsanlage beschrieben, bei der durch die Regelung des Verdichters der Kältemittelmassenstrom in der Anlage betriebs punktabhängig variert und damit eine bedarfsabhängige Förderung an Kältemittelmasse realisiert wird. Insbesondere bei einer Regelung mit einem Konstantdrosselventil wird hier das vom Gaskühler kommende, auf hohem Druck befindliche Kältemittel auf einen niederen Druck isenthalp gedrosselt und dem Verdampfer direkt zugeführt. Um bei hohen Verdampfungstemperaturen den Verdampfer mit ausreichend Kältemittel versorgen zu können, muß die Drosseleinrichtung einen entsprechenden Querschnitt aufweisen, wodurch sich die Möglichkeit ergibt, daß betriebspunktabhängig nicht verdampfte Kältemittelmasse in einem Pufferbehälter aufgenommen werden muß, um Flüssigkeitsschläge am Verdichter zu vermeiden. Dies hat wiederum zur Folge, daß unverdampfte Kältemittelflüssigkeit in einem Pufferbehälter vorliegt, die durch Verdampfung hätte der Kühlstelle Wärme entziehen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Verfahren bzw. eine derartige Anlage weiterzuent wickeln, bzw. weiterzubilden, daß nicht verdampfte Kältemittelanteile dem Verdampfer wieder zugeführt werden und durch Verdampfung der Kühlstelle, respektive dem Fahrgastraum, Wärmeenergie entziehen. Um dies gewährleisten zu können, wird anstatt eines Pufferbehälters, welcher zwischen Verdampferaustritt und Ein tritt in den Gegenstromwärmetauscher angeordnet ist, ein Abscheidesammler nach der Drosselstelle angeordnet. Das transkritisch abgekühlte Kältemittel wird in den Abscheidesammler gedrosselt. Hier findet eine Phasentren nung zwischen flüssigem und gasförmigen Kältemittelanteilen statt. Während das gasförmige Kältemittel wieder vom Verdichter abgesaugt und auf einen höheren Druck komprimiert wird, wird der Verdampfer mit flüssigem Kältemittel aus dem Abscheidesammler beaufschlagt. Nicht verdampfte Kältemittelanteile gelangen wieder in den Abscheidesammler zurück und werden erneut dem Verdampfer zugeführt. Der verdampfte Kältemittelanteil wird durch den Verdichter abgesaugt.

Dank der Erfindung kann zum einen der Wärmeübergang kältemittelseitig im Verdampfer wesentlich gesteigert werden und zum anderen nicht verdampfte Kältemittelanteile in den Verdampfer zurückgeführt werden, wodurch sich die Effizienz der Anlage, gemessen an der Leistungszahl, welche das Verhältnis zwischen erzielter Kälteleistung und aufgebrachter Energie zum Betreiben der Anlage wiedergibt wesentlich verbessert werden.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden. Die Erfindung ist anhand verschiedener in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert; dabei zeigt:

Fig. 1 schematisch in einer Prinzipskizze einen dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Kaltdampfkom pressionskältemittelkreislauf mit einem dem Verdampfer vorgeschaltetem Abscheidesammler,

Fig. 2 schematisch in einer Prinzipskizze einen dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Kaltdampfkom pressionskältemittelkreislauf aus Fig. 1 mit einer dem Abscheidesammler nachgeschalteten Kältemittelpumpe,

Fig. 3 schematisch in einer Prinzipskizze einen dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Kaltdampfkom pressionskältemittelkreislauf aus Fig. 2 mit Ölabscheider,

Fig. 4 schematisch in einer Prinzipskizze einen dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Kaltdampfkom pressionskältemittelkreislauf aus Fig. 1 mit einem flüssigkeitsbeaufschlagtem Verdampfer,

Fig. 5 schematisch in einer Prinzipskizze einen dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Kaltdampfkom pressionskältemittelkreislauf aus Fig. 2 mit einer Saugleitung in Form eines Siphon,

Fig. 6 schematisch in einer Prinzipskizze einen dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Kaltdampfkom pressionskältemittelkreislauf aus Fig. 2 mit zusätzlichem Flüssigkeitsabscheider in der Saugleitung

Fig. 7 schematisch in einer Prinzipskizze einen dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Kaltdampfkom pressionskältemittelkreislauf aus Fig. 2 mit einem Gegenstromwärmetauscher,

Fig. 8 schematisch in einer Prinzipskizze einen Abscheidesammler mit Einbauten zur Vermeidung von Flüssig keitsschlägen am Verdichter,

Fig. 9 schematisch in einer Prinzipskizze einen Abscheidesammler mit Tauchrohr

Fig. 10 schematisch in einer Prinzipskizze einen Abscheidesammler mit gekrümmter Saugleitung

Fig. 11 schematisch in einer Prinzipskizze einen dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Kaltdampfkom pressionskältemittelkreislauf aus Fig. 2 mit einem zusätzlichen Gaskühler, mittels welchem zusätzlich Kühlmittel des Motorkreislaufes erhitzt werden kann.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Kaltdampfkompressionskältemittelkreislauf dargestellt, der in Reihe geschaltet sukzessive hintereinander einen Verdichter 2, einen Gaskühler 3, eine Drosseleinrichtung 4 und einen Abscheidesammler 5 enthält. Zwischen Abscheidesammler 5 und Verdampfer 6 ist ein weiterer Kreislauf realisiert.

Der Verdichter 2 komprimiert das Kältemittel von einem unterkritischen Verdampfungsdruck auf einen Druck, der überkritisch ist, wobei die vom Verdichter aufgenommene Antriebsenergie in erster Linie dem Kältemittel zugeführt wird. Eine entsprechende Enthalpiezunahme stellt sich ein. Das verdichtete Kältemittel wird dem Gaskühler 3 zugeführt. Hier erfolgt eine im Idealfall als isobar zu betrachtende Wärmeabfuhr, wobei die Summe der Enthalpiedifferenzen aus Kompression und Verdampfung der Enthapliedifferenz resultierend, der Wärmeabfuhr im Gaskühler entspricht. Anhand der Drosseleinrichtung 4, welche regelbar oder als Konstantdrosselventil ausgeführt sein kann, erfolgt eine in erster Näherung isenthalpe Drosselung des Kältemittels auf Verdampfungsdruck p₀. Das sich auf Verdampfungsdruck befindliche Kältemittel wird in Form von Naßdampf dem Abscheidesammler 5 zugeführt. Dieser stellt ein Phasentrenngefäß, Vorratsbehälter und Behälter für eine Flüssigkeitsvorlage für den Verdampfer dar. Das dampfförmige Kältemittel wird mittels Verdichter wieder abgesaugt, das flüssige Kältemittel wird in einem zweiten Kreislauf dem Verdampfer zugeführt, wodurch dieser mit reiner Kältemittelflüssigkeit beaufschlagt wird. Der Kältemitteltransport zwischen Abscheidesammler und Verdampfer erfolgt in der Ausführung gemäß Fig. 1 aufgrund von Dichteunterschieden, resultierend aus dem Phasenwechsel im Verdampfer, wo das Kältemittel aufgrund von Wärmeaufnahme aus der Kühlstelle verdampft.

Fig. 2 zeigt einen zum Kreislauf 1 alternativen Kreislauf 7. Im Unterschied zu Kreislauf 1 beinhaltet dieser Kreislauf eine Kältemittelpumpe 8, angeordnet zwischen Abscheidesammler 5 und Verdampfer 6, welche das Kältemittel zwischen diesen beiden Komponenten fördert. Hierdurch kann der Wärmeübergang weiter gesteigert werden. Vorteilhaft ist dabei, wenn mehr Kältemittel umgewälzt wird, als zur Abfuhr der Wärme durch Verdampfung notwendig ist. Vorteilhaft sind in diesem Zusammenhang Verhältnisse zwischen umgewälzter Kältemittelmenge und verdampfter Kältemittelmenge von 2 bis 5, wobei selbstverständlich auch andere Verhältnisse denkbar sind. Durch die Variation dieses Verhältnisses ist eine Regelung der Kälteleistung möglich.

Fig. 3 zeigt den Kältemittelkreislauf 7 mit einem dem Verdichter nachgeschaltetem Ölabscheider 9, dem die Aufgabe zukommt, den Ölwurf des Verdichters in den Kreislauf zu reduzieren.

Fig. 4 zeigt den Kältemittelkreislauf 1, wobei der Verdampfer 10 mittels eines Kälteträgermediums wie z. B. Sole beaufschlagt wird.

Fig. 5 zeigt den Kältemittelkreislauf 7, wobei die Saugleitung in Form eines Siphon 11 ausgebildet ist, um Flüssigkeitsschläge am Verdichter zu vermeiden.

Fig. 6 zeigt den Kältemittelkreislauf 7, wobei die Saugleitung um einen Flüssigkeitsabscheider 12 ergänzt wurde.

Fig. 7 zeigt den Kältemittelkreislauf 7, wobei dieser um einen Gegenstromwärmetauscher 13 ergänzt wurde. Dem aus dem Gaskühler kommende Kältemittel wird zusätzlich Wärme entzogen, wodurch sich eine weitere Temperaturreduzierung hochdruckseitig ergibt. Im Gegenzug wird verdampftes Kältemittel, welches durch den Verdichter 2 vom Abscheidesammler 5 abgesaugt wurde zusätzlich überhitzt, wodurch sichergestellt werden kann, daß der Verdichter 2 keine Flüssigkeitsschläge erhält und zusätzlich ein Enthalpiegewinn hochdruckseitig realisiert wird.

Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel von einem Abscheidesammler, wie er in einem der zuvor beschriebenen Kreisläufe Verwendung finden kann. Um Flüssigkeitsschläge am Verdichter zu vermeiden, ist dieser mit Einbauten 14 versehen. Es versteht sich, daß die Form der Einbauten zu der gezeigten Variante Abweichungen aufweisen können. Zusätzlich ist dieser Abscheidesammler mit einem Ölsumpf 16 ausgestattet, im welchem sich Öl, welches in die Anlage gefördert wurde, sammelt.

Fig. 9 zeigt einen Abscheidesammler, der ebenfalls Verwendung finden kann. Charakteristisches Merkmal ist das Tauchrohr 15, mittels welchem sich im Abscheidesammler ansammelndes Öl abschnüffeln läßt.

Fig. 10 zeigt einen Abscheidesammler, bei dem der in diesen Behälter ragende Teil der Saugleitung zum Verdichter mit einer Krümmung versehen ist, um zu verhindern, daß in die Saugleitung Kältemittelflüssigkeit gelangen kann.

Fig. 11 zeigt einen Kältemittelkreislauf analog zu Kreislauf 7 in Fig. 2, wobei dieser um einen weiteren Gaskühler 18 ergänzt wurde. Dieser Gaskühler 18 ist mit einem Sekundärmedium beaufschlagt, welches dem Motorkühlkreis des Fahrzeugs entnommen wird. Der zweite Gaskühler 18 kann sowohl parallel als auch in Reihe mit dem ersten Gaskühler 3 geschaltet sein. Der Vorteil besteht in der Nutzung der zur Verfügung stehenden Wärme, welche abgeführt werden muß. Es besteht selbstverständlich die Möglichkeit lediglich die Gaskühlerwärme zu nutzen, und die Einrichtung zur Erwärmung des Fahrgastraumes zu nutzen.

Als Kältemittel für die beschriebenen Kreisläufe eignen sich Kältemittel, welche im Vergleich zu bisherigen Kältemitteln keine Verflüssigung im Hochdruckbereich ermöglichen, da deren Kritischer Druck unterhalb des Gaskühlerdruckes liegen, jedoch eine Verdampfung ermöglichen, d. h. die Möglichkeit eines Phasenwechsels auf der Niederdruckseite gegeben ist. Als Beispiel hierfür ist R 744 zu nennen. Selbstverständlich sind auch andere, sich für diese Anlagentechnik eignende Kältemittel denkbar.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer Klimatisierungseinrichtung für Fahrzeuge, bei der auf der Hochdruckseite eines Kaltdampfkompressionskältemittelkreislaufes, der einen Verdichter, einen Gaskühler, eine Drosseleinrichtung, einen Abscheidesammler und einen Verdampfer beinhaltet, einen geschlossenen Kreislauf bilden, wobei zwischen Abscheidesammler und Verdampfer ein weiterer Kreislauf gebildet wird, zum Angebot von Kälteleistung ein hinsichtlich des Kritischen Druckes eines im Kreislauf umlaufenden Kältemittels überkritischer Druck erzeugt wird und gleichzeitig auf der Niederdruckseite des Kreislaufes ein unterkritischer Druck erreicht wird, wobei dem auf der Niederdruckseite abgekühlten Kältemittel über einen Verdampfer Wärmeenergie zugeführt, bzw. Kälteenergie abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verdampfer ein Abscheidesammler vorgeschaltet ist und der Verdampfer vorwiegend mit Kältemittelflüssigkeit aus dem Abscheidesammler beaufschlagt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel anhand einer Kältemittelpumpe 7 in den Verdampfer 6 gefördert wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verdichter 2 ein Ölabscheider 9 nachgeschaltet ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer 10 flüssigkeitsbeaufschlagt ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugleitung in Form eines Siphon 11 ausgebildet ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verdichter 2 saugseitig ein Flüssigkeitsabscheider 12 vorgeschaltet wurde.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß anhand eines Gegenstromwärmeaustauschers 13 eine weitere Kühlung des Kältemittels nach Austritt aus dem Gaskühler erzielt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abscheidesammler über Einbauten 14 verfügt, welche Flüssigkeitsschläge am Verdichter 2 vermeiden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abscheidesammler mit einem Tauchrohr 15 ausgestattet ist, mittels welchem Öl aus dem Abscheidesammler abgeschnüffelt werden kann.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die teilweise in den Abscheidesammler ragende Saugleitung 17 zur Vermeidung von Flüssigkeitsschlägen im Verdichter innerhalb des Abscheidesammlers gekrümmt, vorzugsweise um 180° gebogen ausgeführt ist. Es versteht sich, daß auch andere Krümmungswinkel der Saugleitung möglich sind.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Abscheidesammler über einen Ölsumpf 16 verfügt.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf über 2 Gaskühler 3, 18 verfügt, wobei mindestens einer mit Kühlmedium des Motors beaufschlagt wird und dieses erwärmt. Es Ist sowohl eine parallele als auch eine Serielle Anordnung des zweiten Gaskühlers möglich.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochdruck durch eine Regeleinrichtung annähernd konstant gehalten wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Niederdruck durch eine Regeleinrichtung annähernd konstant gehalten wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter 2 leistungsregelbar ist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseleinrichtung 4 ein Konstantdrosselventil darstellt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosseleinrichtung 4 verstellbar ist.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß Drosseleinrichtung 4 und/oder Kältemittelpumpe 8 am Abscheidesammler befestigt, bzw. in diesen integriert sind, wodurch sich die Anzahl der kältemittelführenden Leitungen entsprechend reduziert.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Öl im Kältemittelkreislauf kontinuierlich zum Verdichter zurückgeführt wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Öl im Kältemittelkreislauf bedarfsabhängig zum Verdichter zurückgeleitet wird. Dies kann zum Beispiel mittel eines Füllstandsgebers am Ölsumpf des Abscheidesammlers oder anhand eines Differenzdruckschalters, welcher am Verdichter angebracht ist, erfolgen. Es versteht sich, daß auch andere Auslösemechanismen denkbar sind.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter voll- oder halbhermetisch ausgeführt ist und die Anlage somit keine Leckageverluste von Kältemittel über die Wellenabdichtung des Verdichters aufweist.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage als kompakte Einheit in Würfel- oder Quaderform ausgebildet ist und eine komplette Klimatisierungseinrichtung bilden Es versteht sich, daß auch andere geometrische Formen zur räumlichen Ausgestaltung der Kälteanlage denkbar sind.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage eine Einrichtung zum Erwärmen des Motorkülkreislaufes enthält. Eine derartige Einrichtung stellt beispielsweise eine Standheizung dar.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage teilweise oder vollständig auf dem Dach eines Kraftfahrzeuges montiert ist und den Innenraum durch entsprechend gestaltete Luftkanäle mit aufbereiteter Zuluft versorgt.