DE10013191C1 - Klimaanlage, insbesondere für Kraftfahrzeuge und Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage, insbesondere für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Abstract

Eine Klimaanlage, insbesondere für Kraftfahrzeuge, weist einen Kältemittelkreislauf, insbesondere mit Kohlendioxid als Kältemittel, auf, wobei im Kältemittelkreislauf unter anderem wenigstens ein Verdichter (10) und eine Zahnradmaschine (14) mit einer Schrägverzahnung angeordnet ist, die als Expansionsmaschine dient. Durch die Zahnradmaschine (14) wird beim Expansionsvorgang Energie, unter anderem durch Zurückgewinnen der Volumenänderungsarbeit; erzeugt, die im Kreislauf zur Verdichtung des Kältemittels verwendet werden kann. Es wird zudem ein Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage, insbesondere für Kraftfahrzeuge, beschrieben, gemäß dem eine Zahnradmaschine (14) mit Schrägverzahnung in den Kältemittelkreislauf integriert wird und Kältemittel, insbesondere Kohlendioxid, in einen Naßdampf-Zustand gebracht wird.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage, insbesondere für Kraftfahrzeuge und ein Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage, insbesondere für Kraftfahrzeuge.

Bei Klimaanlagen für Kraftfahrzeuge wird heute fast ausschließlich der soggenannte Kaltdampfkompressionsprozeß mit Tetrafluorethan (R134a) als Kältemittel eingesetzt. Der Kältemittelkreislauf besteht u. a. aus einem Verdampfer, einem Verdichter, einem Verflüssiger und einem Expansionsventil. Im Expansionsventil erfolgt eine isenthalpe Drosselung des Kältemittels. Einer isentropen, idealen Expansion kann man nur mit Hilfe einer Expansionsmaschine näherkommen, wobei solche Maschinen bislang bei Fahrzeugklimaanlagen nicht verwendet wurden. Dies hat mehrere Gründe. Einer der Gründe ist, daß die energetische Verbesserung, die sich durch Expansionsmaschinen erzielen hätte lassen, relativ gering ist und in keinem Verhältnis zum höheren Aufwand im Vergleich zu einem einfachen Expansionsventil oder einer Drossel stand.

DE 198 13 673 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Heizen und Kühlen eines Nutzraumes eines Kraftfahrzeuges. In dem darin beschriebenen Kältemittelkreislauf einer Fahrzeug- Klimaanlage wird Kohlendioxid als Kältemittel verwendet. Während eines isenthalpen Entspannungsvorganges mittels eines Expansionsventils kühlt das Kältemittel auf eine Temperatur ab, die im Naßdampfbereich des Kühlmittels liegt. Das Verwenden eines solchen Expansionsventils erlaubt jedoch keine isentrope, ideale Expansion.

In der nachveröffentlichten DE 198 41 686 A1 wird eine Verdichterkältemaschine beschrieben, die einen Verdichter, einen Gaskühler, einen Verdampfer und einen ein gekühltes Kältemittel unter dem kritischen Druck expandierenden Zahnradmotor als Expansionsmaschine umfasst. Da der Zahnradmotor jedoch Zahnräder ohne schräge Verzahnung aufweist, ist mit diesem Zahnradmotor kein ausreichendes Zurückgewinnen der Volumenänderungsarbeit während des Expansionsvorganges möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Klimaanlage zu schaffen, die sich bei nur gering höherem Bauaufwand gegenüber herkömmlichen Klimaanlagen durch eine deutliche Leistungssteigerung auszeichnet. Darüber hinaus soll vor allem ein Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage angegeben werden, welches zu einer höheren Leistungszahl führt.

Vorteile der Erfindung

Die Aufgabe der Verbesserung einer Klimaanlage wird dadurch gelöst, daß die Klimaanlage einen Kältemittelkreislauf, in dem Kältemittel in einen Naßdampf- Zustand gebracht wird, und wenigstens einen Verdichter sowie wenigstens eine Expansionsmaschine in Form einer Zahnradmaschine mit schräg verzahnten Zahnrädern aufweist.

Die Aufgabe zur Schaffung eines neuartigen Verfahrens wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Zahnradmaschine mit schräg verzahnten Zahnrädern in einen Kältemittelkreislauf als Expansionsmaschine integriert wird und Kältemittel in der Expansionsmaschine wenigstens teilweise in einen Naßdampf-Zustand gebracht wird. Das Kältemittel wird von einem hohen auf ein niedriges Druckniveau expandiert.

Eine Zahnradmaschine, z. B. auch eine Zahnradpumpe, arbeitet üblicherweise mit zwei parallelen, miteinander kämmenden Zahnrädern. Allein die Verwendung einer Zahnradmaschine zur Expansion im Kältemittel erlaubt noch nicht das Zurückgewinnen der Volumenänderungsarbeit. Die Verwendung einer Zahnradmaschine mit schräg verzahnten Zahnrädern hingegen sorgt dafür, daß das in die Zahnradmaschine eintretende Gas unter Abgabe von Volumenänderungsarbeit expandieren kann. Eine Zahnradmaschine zeichnet sich darüber hinaus durch einen einfachen, robusten Aufbau und eine hohe Laufruhe aus.

Durch die Expansionsmaschine bleibt die Temperatur des Sauggases energetisch vorteilhaft niedrig, und der Verdichter und das Kältemaschinenöl werden thermisch weniger stark belastet. Gegebenenfalls kann sogar auf den Einsatz eines inneren Wärmetauschers verzichtet werden, da die Expansionsmaschine eine ausreichende Absenkung der Enthalpie erreicht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Gegenstände der Unter­ ansprüche.

Vorzugsweise ist das Kältemittel Kohlendioxid, welches im Kältemittelkreislauf z. B. bei der Anwendung in Fahzeugklimaanlagen bei der Expansion zumindest zeitweise und abhängig von der Umgebungstemperatur aus einem überkritischen Zustand in einen Naßdampf-Zustand gebracht wird. Diese Ausführungsform der erfindungsgemäßen Klimaanlage ist von besonderer Bedeutung. Die Kombination aus Kohlendioxid und der Einsatz einer Zahnradmaschine mit schräg verzahnten Zahnrädern führen zu großen Vorteilen. Bei Kohlendioxid als Kältemittel lassen sich nämlich im Vergleich zu dem bislang verwendeten Tetrafluorethen durch eine Expansionsmaschine größere energetische Verbesserungen und ein Zugewinn an Kälteleistung erzielen. Die erfindungsgemäße Klimaanlage kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform in Abhängigkeit von der Temperatur der Wärmesenke, also der Umgebungstemperatur im Klimabetrieb oder der Innenraumtemperatur im Wärmepumpenbetrieb, eine transkritische oder eine unterkritische Prozeßführung aufweisen. Da das Kohlendioxid einen kritischen Punkt von ca. 31°C aufweist, können Betriebsbedingungen auftreten, bei denen der Kältemittelkreislauf im transkritischen Bereich läuft, mit einer Expansion aus dem überkritischen in den Naßdampf-Zustand, oder im unterkritischen Bereich, bei dem das Kältemittel aus einem flüssigen in einen naßdampfförmigen Zustand überführt werden kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind Zahnradmaschine und Ver­ dichter so miteinander verschaltet, daß beim Expansionsvorgang in der Zahnradmaschine frei werdende Leistung wenigstens teilweise zur Verdichtung des Kältemittels genutzt wird, wodurch der Antrieb für den Verdichter geringer dimensioniert werden kann. Der Aufwand für die Expansionsmaschine wird so wenigstens teilweise wieder kompensiert.

Die Zahnradmaschine weist vorzugsweise wenigstens eine Einlaßöffnung für einströmendes Kältemittel auf, die bei Drehung der Zahnräder in eine sich öffnende Zahnlücke mündet. Das bedeutet, daß bei fortschreitender Drehbewegung sich die Zahnlücke weiter öffnet und das Gas, nachdem es den Rand der Einlaßöffnung passiert hat, unter Abgabe von Volumenänderungsarbeit expandieren kann.

Vorzugsweise ist die Einlaßöffnung, in radialer Richtung gesehen, außermittig in bezug auf die Breite der Zahnräder angeordnet, gemäß der bevorzugten Ausführungsform sogar an einem axialen Ende der Zahnräder angeordnet, damit die volle Breite der Zahnräder für die Vergrößerung der Zahnlücke zur Verfügung steht. Damit wird die maximale Änderung des Volumens der Zahnlücke ausgenutzt.

Die Auslaßöffnung in der Zahnradmaschine ist vorzugsweise an dem der Einlaßöffnung gegenüberliegenden axialen Ende der Zahnräder angeordnet.

Da aufgrund der Schrägverzahnung axiale Kräfte von der Lagerung der Zahnräder aufgenommen werden müssen, sieht die Erfindung gemäß einer Ausgestaltung vor, daß in axialer Richtung mehrere schräg verzahnte Zahnräder vorgesehen sind. Diese Zahnräder haben eine entgegengesetzt gerichtete Schrägverzahnung, so daß sich die Axialkräfte teilweise oder sogar vollständig aufheben.

Die Expansionsmaschine kann auch mit einer Elektromaschine gekoppelt sein. Vorzugsweise wird hier ein hermetischer Aufbau angestrebt, das heißt, beide Maschinen sind in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht, aus dem keine Wellen oder dergleichen herausragen, so daß auch keine Wellendichtungen notwendig sind. Über die Elektromaschine kann im geregelten Generator- oder, wegen der Reibleistung, auch im Schleppbetrieb eine gute Regelung der Expansion und somit der gesamten Prozeßparameter erreicht werden.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, als Kältemittel Kohlendioxid zu verwenden, welches in der Expansionsmaschine abhängig von der Umgebungstemperatur in einen Naßdampf-Zustand gebracht werden kann.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug ge­ nommen wird.

Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen, eine Expansionsmaschine aufweisenden Klimaanlage in Form deren Kältemittelkreislaufs,

Fig. 2a und 2b zeigen schematisch die Expansionsmaschine in Querschnitts- bzw. in Längsschnittansicht, wie sie bei der erfindungsgemäßen Klimaanlage verwendet wird,

Fig. 3 zeigt ein Druck-Enthalpie-Diagramm für die erfindungsgemäße Klima­ anlage nach Fig. 1 bei unterkritischer Prozeßführung,

Fig. 4 zeigt ein Druck-Enthalpie-Diagramm für die erfindungsgemäße Klimaanlage bei transkritischer Prozeßführung,

Fig. 5 zeigt eine zweite Ausführungsform der bei der Erfindung einsetzbaren Expansionsmaschine.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug durch ihren Kältemittelkreis­ lauf dargestellt. Als Kältemittel wird Kohlendioxid eingesetzt, das bis auf einen überkritischen Druck gebracht werden kann. Der Kältemittelkreislauf umfaßt in Strömungsrichtung aufgezählt einen Verdichter 10, einen Gaskühler oder Verflüssiger 12, eine Zahnradmaschine 14, welche eine Expansionsmaschine bildet, und einen Verdampfer 16. Diese Elemente sind über Leitungen miteinander verbunden.

Die Zahnradmaschine weist zwei parallele Zahnräder 20, 22 auf, die eine schräge Verzahnung aufweisen, wie anhand zweier exemplarisch hervorgehobener Zähne 24, 26 zu erkennen ist. Eine Einlaßöffnung 28 ist exakt zwischen den beiden Zahnrädern, in radialer Richtung gesehen außermittig in bezug auf die Breite der Zahnräder angeordnet. Genauer gesagt ist die Einlaßöffnung 28 an einem axialen Ende der Zahnräder 20, 22 vorgesehen. Eine Auslaßöffnung 30 liegt an dem der Einlaßöffnung 28 gegenüberliegenden axialen Ende 32 der Zahnräder 20, 22 sowie an der, im Querschnitt gesehen gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 34 der Zahnradmaschine. Die Drehrichtung des Zahnrads 20 ist durch den Pfeil und die Flußrichtung des Kältemittels durch weitere Pfeile dargestellt.

Das Kältemittel, welches über die Einlaßöffnung 28 in die Zahnradmaschine 34 einströmt, gelangt in eine sich öffnende Zahnlücke, die durch die benachbarten, ineinander kämmenden Verzahnungen 24, 26 definiert ist. Die Zahnlücke öffnet sich bei Drehung der Zahnräder 20, 22, wenn das einströmende Gas denjenigen Bereich des Randes der Einlaßöffnung 28 passiert, der näher am axialen Ende 32 liegt.

Mit weiter fortschreitender Drehbewegung bewegt sich das Gas in Richtung zum axialen Ende 32 und kann über die Auslaßöffnung 30 ausströmen. Während bislang nur der Prozeß innerhalb der Expansionsmaschine beschrieben wird, wird im folgenden die Arbeitsweise der gesamten Klimaanlage in Zusammenhang mit Fig. 3 für einen unterkritischen Prozeß und in Zusammenhang mit Fig. 4 für einen transkritischen Prozeß erläutert.

Gemäß Fig. 3 wird im Verdichter 10 das Kohlendioxid von Punkt 1 zu Punkt 2 unter Zuführung der Energie W_V' verdichtet, vom Punkt 2 zum Punkt 3 im Verflüssiger 12 isobar und unter Abgabe der Energie Q_C verflüssigt oder an die Grenze Flüssigkeit-Naßdampf gebracht, vom Punkt 3 zum Punkt 4 unter der Abgabe der Energie W_Ex in der Expansionsmaschine in den Naßdampfbereich entspannt und schließlich unter Aufnahme der Energie Q_O vom Punkt 4 bis zum Punkt 1 im Verdampfer 16 vollständig in den dampfförmigen Zustand überführt. Der Energiegewinn, der sich durch die erfindungsgemäße Klimaanlage gegenüber den mit einem Expansionsventil versehenen Klimaanlagen erzielen läßt, ist Fig. 3 deutlich zu entnehmen. Mit der unterbrochenen Linie 5 ist nämlich die isenthalpe Expansion dargestellt, die das Kältemittel vom Punkt 3 zum Punkt 4' im Expansionsventil durchführt. Damit läßt sich aus dem bisherigen Kreislauf keine zusätzliche Energie W_Ex gewinnen, die zum Antrieb beispielsweise des Verdichters 10 verwendet wird. Wichtig ist, daß bei der Expansion in der Zahnradmaschine auch die Volumenänderungsarbeit zurückgewonnen werden kann.

Mit der erfindungsgemäßen Klimaanlage nähert man sich deutlich dem idealen Kreisprozeß, der durch eine durch die Linie 6 symbolisierte isentrope Expansion vom Punkt 3 zum Punkt 4" gekennzeichnet ist.

Die Expansionsmaschine ist mechanisch oder vorzugsweise auch elektrisch mit dem Verdichter 10 gekoppelt. Die elektrische Koppelung kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß die Expansionsmaschine mit einer Elektromaschine gekoppelt ist und beide in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind. Über die Elektromaschine kann im geregelten Generator- oder Schleppbetrieb eine gute Regelung der Expansion erreicht werden. Es ist keine aus dem gemeinsamen Gehäuse heraustretende Welle, die z. B. zum Verdichter führt, notwendig, sondern die gewonnene elektrische Energie wird zum Verdichter geführt oder z. B. in das Bordnetz des Fahrzeugs eingespeist. In Fig. 3 ist auch zu erkennen, daß bei der erfindungsgemäßen Klimaanlage gegenüber dem bisherigen Prozeß die Energieaufnahme W_V' im Verdichter 10 unverändert bleibt, während sich die Nutz-Kälteenergie Q_O um den Betrag W_Ex vergrößert. Bei den im Druck-Enthalpie-Diagramm dargestellten Energiemengen handelt es sich um Mengen spezifischer Energie.

Die erfindungsgemäße Klimaanlage wird häufig nicht eine unterkritische Prozeßführung aufweisen, sondern auch eine transkritische, wie im Diagramm nach Fig. 4 dargestellt. Ob eine unterkritische oder transkritische Prozeßführung notwendig ist, ergibt sich unter anderem aus der Umgebungstemperatur.

In Fig. 4 werden die schon in Zusammenhang mit Fig. 3 benutzten Bezugszahlen erneut verwendet. Der Punkt 1 befindet sich beim dargestellten Prozeßverlauf auf der Sättigungslinie zwischen Dampf- und Naßdampf-Zustand. Von Punkt 1 zum Punkt 2 wird das Kältemittel unter Zuführung der Energie W_V' verdichtet, wobei mit unterbrochenen Linien auch eine isentrope Verdichtung unter Zuführung der Energie W_vis dargestellt ist. Beim Punkt 2 befindet sich das Kältemittel im überkritischen Bereich, den es auch nicht verläßt, wenn es durch den Gaskühler/Verflüssiger 12 strömt und eine isobare Zustandsänderung bis zum Erreichen des Punktes 3 erfährt und die Energie Q_C abgibt. Vom Punkt 3 zum Punkt 4 wird das Kältemittel in der Zahnradmaschine 14 in den Naßdampfbereich entspannt, und zwar unter Abgabe der Energie W_Ex. W_Exis symbolisiert die Energie, die bei einer isotropen Expansion zu erzielen wäre. Vom Punkt 4 zum Punkt 1 durchläuft das Kältemittel den Verdampfer, in dem es Energie aufnimmt.

Da durch die Schrägverzahnung axiale Kräfte auf die Wellenstümpfe 36 der Zahnräder 20, 22 und die Lagerungen (nicht gezeigt) ausgeübt werden, können gemäß der Ausführungsform nach Fig. 5 mehrere in axialer Richtung vorgesehene Zahnräder für eine Kompensation der axialen Kräfte sorgen. Die Zahnräder 38, 40 sind an die Zahnräder 20 bzw. 22 gekoppelt und weisen jeweils Schrägverzahnungen auf, die entgegengesetzt zur Schrägverzahnung desjenigen Zahnrads 20, 22 gerichtet sind, mit dem das jeweilige Zahnrad gekoppelt ist. Im übrigen sind bei der Ausführungsform nach Fig. 5 zwei Einlaßöffnungen 28 und zwei Auslaßöffnungen 30 vorgesehen.

Claims (15)

1. Klimaanlage, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit
einem Kältemittelkreislauf, in dem Kältemittel in einen Naßdampf-Zustand gebracht wird,
mit wenigstens einem Verdichter (10) und
mit wenigstens einer Expansionsmaschine (14) in Form einer Zahnradmaschine (14) mit schräg verzahnten Zahnrädern (24, 26).

2. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel Kohlendioxid und die Klimaanlage so ausgebildet ist, daß das Kohlendioxid im Kältemittelkreislauf aus einem überkritischen Zustand in einen Naßdampf-Zustand gebracht wird.

3. Klimaanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kältemittelkreislauf in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur eine transkritische oder unterkritische Prozeßführung aufweist.

4. Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnradmaschine (14) mit dem Verdichter (10) so gekoppelt ist, daß die beim Expansionsvorgang in der Zahnradmaschine (14) frei werdende Energie wenigstens teilweise zur Verdichtung genutzt wird.

5. Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnradmaschine (14) wenigstens eine Einlaßöffnung (28) für einströmendes Kältemittel aufweist, die bei Drehung der Zahnräder (20, 22) in eine sich öffnende Zahnlücke mündet.

6. Klimaanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnung (28) in radialer Richtung gesehen außermittig in bezug auf die Breite der Zahnräder (20, 22) angeordnet ist.

7. Klimaanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnung (28) an einem axialen Ende der Zahnräder (20, 22) angeordnet ist.

8. Klimaanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Auslaßöffnung (30) in der Zahnradmaschine (14) vorgesehen ist, die an dem der Einlaßöffnung (28) gegenüberliegenden Ende (32) der Zahnräder (20, 22) vorgesehen ist.

9. Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in axialer Richtung mehrere schräg verzahnte Zahnräder (20, 22, 38, 40) hintereinander angeordnet sind, die eine entgegengesetzt gerichtete Schrägverzahnung aufweisen.

10. Klimaanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die hintereinander angeordneten Zahnräder (20, 22, 38, 40) so ausgebildet und so miteinander kräftemäßig gekoppelt sind, daß sich die durch die Schrägverzahnungen hervorgerufenen axialen Kräfte an in axialer Richtung hintereinander angeordneten Zahnrädern (20, 22, 38, 40) kompensieren.

11. Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnradmaschine (14) mit einer Elektromaschine gekoppelt ist und beide Maschinen in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind und eine hermetische Einheit bilden.

12. Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem eine Expansionsmaschine in Form einer Zahnradmaschine (14) mit schräg verzahnten Zahnrädern (20, 22) aufweisenden Kältemittelkreislauf, dadurch gekennzeichnet, daß Kältemittel in der Expansionsmaschine (14) wenigstens teilweise in einen Naßdampf-Zustand gebracht wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Kältemittel Kohlendioxid verwendet wird, das in der Expansionsmaschine (14) abhängig von der Umgebungstemperatur von einem überkritischen in einen Naßdampf-Zustand gebracht wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß es abhängig von der Umgebungstemperatur unter transkritischer oder unterkritischer Prozeßführung abläuft.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß über die Steuerung der Elektromaschine die Prozeßparameter geregelt werden.