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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeugs
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Klimatisierung
eines Kraftfahrzeugs mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
16.
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Es
ist bekannt, die Luft eines Passagierraums eines Kraftfahrzeugs
zu konditionieren, indem die Kühlung
der Luft durch den Verdampfer einer Klimaanlage (Kältekreis)
vorgenommen wird und die Heizung der Luft durch einen von Motorkühlmittel durchströmten Wärmetauscher.
Dabei ergeben sich bei einem Kaltstart des Fahrzeugs vor allem bei
niedrigen Außentemperaturen
recht lange Aufheizzeiten des Motor-Kühlmittels, so dass über einen
unangenehm langen Zeitraum keine ausreichende Heizung für den Passagierbereich
zur Verfügung
steht.
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Es
wurden Vorschläge
gemacht, einen Kältekreis
in seiner Wirkungsweise umzukehren, so dass der im Normalbetrieb
zur Kühlung
der Luft vorgesehene Verdampfer zumindest in einer Warmlaufphase des
Fahrzeugs von heißem,
verdichtetem Kältemittel durchströmt wird,
um die Luft aufzuheizen. Aufgrund der besonderen Auslegung eines
Klimaanlagen-Verdampfers ist diese Betriebsart wenig effizient.
Zudem besteht das Problem, dass der oft mit Kondenswasser belegte
Verdampfer bei umschalten auf den Heizbetrieb zu einem Feuchtigkeitsschlag
führt,
der nicht nur unangenehm für
die Pas sagiere ist sondern auch zu einem plötzlichen Beschlagen der Fahrzeugscheiben
führen
kann und somit ein Sicherheitsrisiko darstellt.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Klimatisierung
eines Kraftfahrzeugs anzugeben, bei der mit einfachen Mitteln eine
besonders schnelle Aufheizung des Passagierbereichs insbesondere
bei einem Kaltstart erzielbar ist.
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Diese
Aufgabe wird für
eine eingangs genannte Vorrichtung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch,
dass die Wärmeenergie
des vom Verdichter komprimierten und aufgeheizten Kältemittels über den
Kühlmittel-Wärmetauscher
in das Kühlmittel
eingetragen wird, ist eine beschleunigte Aufheizung des Kühlmittels
erzielbar. Hierbei kann die vollständige mechanische Leistung
des Verdichters, die bei typischen Klimaanlagen im Bereich von etwa
3 kW liegt, gezielt zur Aufheizung des Passagierraums als Wärmeenergie
bereitgestellt werden. Da diese mechanische Energie des Verdichters
letztlich vom Fahrzeugmotor aufgebracht wird, wird auch eine schnelle
Erwärmung
des Fahrzeugmotors erzielt.
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In
bevorzugter Weiterbildung ist der Kühlmittel-Wärmetauscher dem Verdichter
zumindest in der Heizbetriebsart als erste thermisch auf das Kältemittel
wirkende Einheit nachgeordnet. Hierdurch wird eine optimale Ausnutzung
der mechanischen Energie zur Aufheizung des Fahrzeugsinnenraums
erreicht.
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Zur
Optimierung der Kosten des Gesamtsystems ist es bevorzugt vorgesehen,
dass der Kältekreis
keinen von dem Kältemittel
durchströmbaren Wärmetauscher
zur unmittelbaren Aufheizung von Luft umfasst. Derartige Luft-Kältemittel-Wärmetauscher zur Aufheizung
der Luft sind vorgeschlagen worden, stellen jedoch hohe Anforderungen
an Bauraum und Kosten. Durch den erfindungsgemäßen unmittelbaren Eintrag der
Verdichter-Energie in das Kühlmittel
kann auf einen solchen Wärmetauscher verzichtet
werden.
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Allgemein
vorteilhaft umfasst der Kühlmittelkreis
eine Ventilvorrichtung, wobei durch die Ventilvorrichtung ein geschlossener
und den Motor nicht durchströmender
zweiter Kühlmittelkreis
von dem Kühlmittelkreis
abtrennbar ist. Besonders bevorzugt umfasst in diesem Fall der zweite
Kühlmittelkreis
eine zweite Kühlmittelpumpe.
Diese Pumpe kann z.B. elektrisch angetrieben sein. Insgesamt wird
hierdurch ein zweiter Kühlmittelkreis
mit einer nur geringen erforderlichen Menge an Kühlmittel optional bereitgestellt,
so dass die Aufheizung des Kühlmittels durch
den Eintrag der mechanischen Verdichterenergie besonders schnell
erfolgt.
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In
besonders bevorzugter Weiterbildung ist zusätzlich zu dem Kühlmittel-Wärmetauscher ein Kühlmittel-Verdampfer
zum Austausch von Wärme zwischen
dem Kältemittel
und dem Kühlmittel
vorgesehen, wobei insbesondere ein Expansionsorgan für das Kältemittel
in Strömungsrichtung
vor dem Verdampfer angeordnet ist. Eine solche Komponente ermöglicht eine
alternative oder zusätzliche
Betriebsart, bei der der Kühlmittel-Verdampfer
in den ersten, motorseitigen Kühlmittelkreis
integriert ist und der Kühlmittel-Wärmetauscher in den zweiten,
heizkörperseitigen
Kühlmittelkreis
integriert ist. Hierdurch kann mittels des Kühlmittel-Verdampfers und des Kühlmittel-Wärmetauschers eine Wärmepumpe
zwischen dem ersten Kühlmittelkreis
und dem zweiten Kühlmittelkreis
ausgebildet werden. Mittels dieser Wärmepumpe kann auf besonders
effektive Weise Wärmeenergie
aus dem Motor-Kühlkreis
in den zweiten Kühlkreis
zur Konditionierung der Luft des Passagierraums gefördert werden.
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Allgemein
vorteilhaft sind zur Reduzierung der Kosten und zur Einsparung von
Bauraum der Kühlmittel-Wärmetauscher
und der Kühlmittel-Verdampfer
als integrierte bauliche Einheit ausgebildet.
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In
weiterer vorteilhafter Ausbildung sind der Kühlmittelverdampfer und/oder
der Kühlmittel-Wärmetauscher
kühlmittelseitig über eine
schaltbare Bypassleitung umgehbar. Hierdurch kann ein ggf. bestehender
Strömungswiderstand
von Verdampfer und Wärmetauscher
in einer normalen Betriebsart (betriebswarmer Motor) vermieden werden.
Bei entsprechender Auslegung der Strömungsquerschnitte ist es aber
grundsätzlich
möglich,
auf eine solche schaltbare Bypassleitung zu verzichten, so dass
in der normalen Betriebsart Kühlmittel-Verdampfer
und Kühlmittel-Wärmetauscher
von dem Kühlmittel durchströmt werden.
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Allgemein
vorteilhaft ist das Kältemittel
Kohlendioxid (CO2). CO2 ist
aufgrund seiner thermodynamischen Eigenschaften besonders zum Betrieb
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
geeignet.
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Allgemein
und insbesondere im Fall von Kohlendioxid als Kältemittel ist es vorteilhaft
vorgesehen, dass der Kältekreis
einen inneren Wärmetauscher
umfasst. Solche inneren Wärmetauscher
sind zumindest aus CO2 Klimaanlagen bekannt.
Zur Bauraumoptimierung kann ein solcher innerer Wärmetauscher
integriert mit zum Beispiel einem Sammler des Kältekreises ausgebildet sein.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Kühlmittel-Wärmetauscher in einer Betriebsart
bezüglich
des Kältemittelstroms
seriell zu dem Gaskühler
angeordnet. Hierdurch kann der Kühlmittel-Wärmetauscher auch bei einem
Normalbetrieb des Kältekreises
zur Kühlung
der Luft, bei dem der Verdampfer durchströmt wird, sinnvoll eingesetzt
werden, da er eine Vorkühlung
des nach Verdichter regelmäßig sehr
heißen
Kältemittels
ermöglicht.
Hierdurch kann der Gaskühler
gegebenenfalls kleiner dimensioniert werden, was Kosten und Bauraum
spart und mehr Freiheit bei der Formgebung einer Fahrzeugfront schafft.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist ein von dem
Kältemittel
durchströmbarer
Zusatzwärmetauscher
vorgesehen, wobei in dem Zusatzwärmetauscher
Wärme aus
dem Kältemittel
abgegeben wird. Besonders bevorzugt ist der Zusatzwärmetauscher
dabei von einem Schmieröl
des Kraftfahrzeugs, insbesondere Getriebeöl, durchströmbar. Allgemein wird hierbei
der Umstand genutzt, dass durch das Kältemittel austrittsseitig des Verdichters
unmittelbar nach Kaltstart des Fahrzeugs eine leistungsstarke Heizquelle
zur Verfügung
steht, mittels der kritische Komponenten wie z.B. Schmieröl gezielt
aufgeheizt werden können.
Hierdurch kann z.B. die Lebensdauer des Motors und/oder eines Antriebsgetriebes
erheblich verlängert werden
und auch der Kraftstoffverbrauch in der Kaltstartphase kann reduziert
werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird für
ein Verfahren zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen
des Anspruchs 17 gelöst.
Durch den Eintrag der Wärmeenergie
des Kältemittels
in das Kühlmittel über den
Kühlmittel-Wärmetauscher
ist eine schnellere Aufheizung des Kühlmittels und somit eine bessere
Luftkonditionierung oder auch Erwärmung anderer Komponenten des
Fahrzeugs in einer Warmlaufphase des Motors erzielbar.
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Besonders
bevorzugt wird dabei das Kühlmittel
zumindest in einer Betriebsart in zwei getrennten Kühlmittelkreisen
umgewälzt,
wobei Wärme
mittels des Kältekreises
von dem einen Kühlmittelkreis in
den anderen Kühlmittelkreis
gepumpt wird. In dieser Betriebsart liegt die Kühlmitteltemperatur besonders
vorteilhaft unterhalb etwa 60°C,
insbesondere unterhalb etwa 50°C
und insbesondere oberhalb etwa 20°C.
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Allgemeine
vorteilhaft liegt die Kühlmitteltemperatur
während
Schritt a. unterhalb etwa 20°C, insbesondere
unterhalb etwa 10°C.
In diesem Temperaturbereich ist eine Nutzung der mechanischen Verdichterenergie
zur Aufheizung des Passagierbereichs des Fahrzeugs besonders effektiv.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend
beschriebenen Ausführungsbeispielen
sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
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Nachfolgend
werden mehrere bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen
näher erläutert.
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1 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einer Heizbetriebsart in einer ersten Kaltstartphase eines Fahrzeugmotors.
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2 zeigt
die Vorrichtung aus 1 in einer zweiten Betriebsart
im Zuge eines Warmlaufens des Motors.
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3 zeigt
die Vorrichtung aus 1 in einer dritten Betriebsart
bei zumindest annähernd
betriebswarmem Motor.
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4 zeigt
eine schematische Darstellung eines Temperaturverlaufs des Kühlmittels
der Vorrichtung aus 1 bis 3 in verschiedenen
Betriebszuständen.
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5 zeigt
eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einer Kaltstartphase des Fahrzeugmotors.
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6 zeigt
die Vorrichtung aus 5 in einem anderen Betriebszustand
während
des Warmlaufens des Motors.
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7 zeigt
die Vorrichtung aus 5 in einem Betriebszustand bei
zumindest annähernd
betriebswarmem Motor.
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8 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung
bei betriebswarmem Motor.
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9 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die
in 1 schematisch dargestellte Ausführungsform
einer Vorrichtung zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeugs umfasst
einen Kühlmittelkreislauf und
einen hiervon getrennten Kältemittelkreislauf, wobei
die beiden Kreisläufe über Wärmeaustausch
in Wechselwirkung treten können.
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Allgemein
sind in den Zeichnungen 1 bis 3 die von
Kühlmittel
oder Kältemittel
durchströmten
Leitungen durchgezogen dargestellt, wogegen die im jeweiligen Betriebszustand
in Abhängigkeit von
den Ventilschaltungen nicht durchströmten Leitungen gestrichelt
oder punktiert dargestellt sind.
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Der
Kühlmittelkreislauf
umfasst einen Verbrennungsmotor 1 mit einer mechanisch
an diesen gekoppelten Kühlmittelpumpe 2,
mittels der auf an sich bekannte Weise ein Kühlmittel zur Kühlung des Verbrennungsmotors 1 umwälzbar ist. Über ein
Thermostatventil 3 wird das Kühlmittel in Abhängigkeit von
der Kühlmitteltemperatur
durch einen Hauptkühler 4 des
Kraftfahrzeugs geleitet.
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Der
Kühlmittelkreis
umfasst eine Ventilvorrichtung in Form von mehreren schaltbaren
3-Wege-Ventilen 5 und einem Absperrventil 6, mittels
derer verschiedene Strömungswege
des Kühlmittels einstellbar
sind.
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In
einem der Strömungswege
des Kühlmittels
ist eine zweite Kühlmittelpumpe 7 zur
Umwälzung
des Kühlmittels
angeordnet, die als elektrisch angetriebene Pumpe ausgebildet ist.
Mit dieser zweiten Kühlmittelpumpe 7 ist
ein von dem Kühlmittel durchströmbarer Heizkörper 8 verbunden,
der in räumlicher
Nähe zu
einem Verdampfer 9 mit Expansionsventil 9a des
nachfolgend beschriebenen Kältekreises
angeordnet ist. Dabei kann Luft zur Konditionierung eines Passagierraums
des Kraftfahrzeugs über
den Verdampfer 9 und den bezüglich des Luftstroms nachfolgenden
Heizkörper 8 strömen, um
je nach Betriebszustand und Anforderung durch die Passagiere gekühlt oder
erwärmt
zu werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist dabei lediglich der Heizkörper 8 zur
Erwärmung
der Luft vorgesehen, so dass die Luft ausschließlich durch Wärme aus
dem Kühlmittel
erwärmbar
ist.
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Der
Kühlmittelkreis
umfasst einen mechanisch mit dem Fahrzeugmotor verbunden und durch diesen
antreibbaren Verdichter 10 zur Verdichtung des Kältemittels,
das vorliegend Kohlendioxid (CO2) ist. Der
Antrieb des verdichters ist nicht permanent, sondern wahlweise,
zum Beispiel mittels einer Magnetkupplung.
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Austrittsseitig
des Verdichters 10 folgt ein schaltbares 3-Wege-Ventil 11,
mittels dessen das Kältemittel
entweder in einen ersten Zweig 11a zu einem vor dem Hauptkühler 4 angeordneten
Gaskühler 12 geleitet
wird oder alternativ über
einen Zweig 11b zu einem Kühlmittel-Wärmetauscher 13. Der
Kühlmittel-Wärmetauscher 13 ist
von dem Kühlmittel durchströmbar, so
dass in ihm Wärme
zwischen Kühlmittel
und Kältemittel
ausgetauscht werden kann.
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Nach
dem Verlassen des Kühlmittel-Wärmetauschers 13 durchströmt das Kältemittel
ein als Festblende ausgebildetes Expansionsorgan 14 und nachfolgend
einen Kühlmittel-Verdampfer 15,
der ebenfalls von dem Kühlmittel
des Kühlmittelkreises durchströmbar ist.
Austrittsseitig des Verdampfers 15 passiert das Kältemittel
ein weiteres 3-Wege-Schaltventil 16 und nachfol gend einen
Sammler 17 sowie einen inneren Wärmetauscher 18, über den
der Wirkungsgrad der CO2 Klimaanlage bei
einem normalen Betrieb zur Kühlung
der Luft verbessert ist. Nach dem inneren Wärmetauscher 18 wird
das Kältemittel
wieder der Saugseite des Verdichters 10 zugeführt, so dass
der Kreislauf des Kältemittels
geschlossen ist. In der Betriebsart nach 1 findet
kein Wärmeaustausch
verschiedener Kältemittelströme in dem
inneren Wärmetauscher 18 statt
(siehe gestrichelte Linie des anderen Strömungszweigs im inneren Wärmetauscher 18),
und aufgrund der Stellung des Schaltventils 16 wird auch
der luftumströmbare
Verdampfer 9 durchströmt.
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In
der Verschaltung des Kühlmittelkreises gemäß 1 liegt
ein erster Kühlmittelkreis
A des Fahrzeugmotors und ein hiervon aufgrund der Stellung der Ventile 5, 6 getrennter
zweiter Kühlmittelkreislauf
B vor, wobei der zweite Kühlmittelkreislauf
B durch die zweite Kühlmittelpumpe 7 umgewälzt wird.
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Der
erste Kühlmittelkreis
A durch den Fahrzeugmotor 1 entspricht einem einfachen
Kreislauf zur Motorkühlung,
der keinen Heizkörper
zur Luftkonditionierung eines Passagierbereichs umfasst.
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In
dem zweiten Kühlmittelkreis
B durchströmt
das Kühlmittel
nach der zweiten Kühlmittelpumpe 7 zunächst den
Kühlmittel-Verdampfer 15 und nachfolgend
den Kühlmittel-Wärmetauscher 13. Hierbei
tauscht es jeweils Wärme
mit dem Kältemittel aus.
Das Kältemittel
wird durch den Verdichter 10 komprimiert und erheblich
aufgeheizt, wonach es zunächst
den Kühlmittel-Wärmetauscher 13 und
nachfolgend den Kühlmittel-Verdampfer 15 durchströmt. Das
so durch das verdichtete Kältemittel 10 aufgeheizte
Kühlmittel,
dessen Wärmeenergie
somit letztlich aus der mechanischen Energie des Verdampfers 10 stammt,
durchströmt
den Heizkörper 8,
wo es seine Wärme
an einen Luftstrom zur Konditionierung des Passagierraums des Fahrzeugs
abgibt. Nach Verlassen des Heizkörpers 8 tritt
das Kühlmittel
des zweiten Kreises B saugseitig wieder in die zweite Kühlmittelpumpe 7 ein.
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Die
in 1 dargestellte Heizbetriebsart der Vorrichtung
wird zweckmäßig zu Beginn
eines Kaltstarts des Fahrzeugmotors geschaltet. Da der Heizkörper 8 dem
Kühlmittel-Wärmetauscher 13 unmittelbar
nachfolgt und aufgrund des geringen Volumens des zweiten Kühlmittelkreises
B, das typisch 1 Liter oder sogar weniger betragen kann, erfolgt
eine schnelle Aufheizung der Luft für den Passagierraum und des
Kühlmittels
des zweiten Kreises B. Die hierfür
zur Verfügung
stehende Heizleistung entspricht im wesentlichen der mechanischen
Leistung des Verdichters 10, die unter den gegebenen Kaltstartbedingungen
für typische
Verdichter von Klimaanlagen im Bereich von etwa 3 kW liegt.
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Der
Temperaturbereich des Kühlmittels,
bei dem die Verschaltung nach 1 besonders
zweckmäßig ist,
liegt unterhalb von 20°C.
Bei diesen Temperaturen ist die Betriebsart gemäß 1 sehr effektiv.
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Wenn
im Zuge des Warmlaufens des Fahrzeugmotors die relativ große Kühlmittelmenge
im Kreislauf A eine ausreichend hohe Temperatur von typisch mehr
als 20°C
erreicht, wobei die Temperatur zweckmäßig noch unterhalb von 60°C liegt,
wird die Vorrichtung durch entsprechende Schaltung der Ventile 5, 6 des
Kühlmittelkreises
in den in 2 dargestellten Betriebszustand
gesetzt. Hierbei ist der Kühlmittel-Verdampfer 15 in
motorseitigen Kühlmittelkreis A
integriert, wogegen der Kühlmittel-Wärmetauscher 13,
der weiterhin von dem Kältemittel
vor dem Kühlmittel-Verdampfer 15 durchströmt wird,
in dem zweiten Kühlmittelkreis
B verbleibt. Das den Kühlmittel-Wärmetauscher 13 verlassende
Kältemittel
expandiert nach dem Expansionsorgan 14 in dem Kühlmittel-Verdampfer 15 und
wird hierdurch bei den gegebenen Betriebsbedingungen erheblich abgekühlt. Aufgrund
der nun ausreichenden Temperatur des ersten Kühlmittelkreises A wird eine
erhebliche Wärmemenge
aus dem Kühlmittel
des Kreises A über den
Verdampfer 15 in das Kältemittel
eingetragen. Nachfolgend durchläuft
das Kältemittel
wieder den Verdichter 10, wo seine Temperatur weiter erhöht wird.
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Insgesamt
liegt in dem Betriebszustand der 2 somit
eine Wärmepumpe
vor, bei der über
den Kältekreis
Wärme von
dem ersten Kühlmittelkreis des
Motors A in den zweiten Kältemittelkreis
mit dem Heizkörper 8 gepumpt
wird. Zudem steht die in den Kältemittelkreis
eingetragene mechanische Verlustleistung des Verdichters 10 als
weitere Wärmeenergie
zur Heizung des Passagierraums zur Verfügung. Bei teilweise warmgefahrenen
Motor gemäß der Verschaltung
nach 2 und einer Kühlmitteltemperatur im
Kreis A zwischen 20°C
und 60°C
wird daher ein größerer Anteil
der Energie des Fahrzeugmotors zur Aufwärmung des Passagierinnenraums
zur Verfügung
gestellt als in der ersten Betriebsart nach 1. Dies
ist bei den gegebenen Kühlmitteltemperaturen des
Kreises A ohne erhöhten
Verschleiß des
Motors möglich,
da sein Schmieröl
regelmäßig bereits
ausreichende Temperaturen erreicht hat.
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In 3 ist
ein an sich bekannter Betriebszustand dargestellt, bei dem keine
getrennten Kühlmittelkreise
mehr vorliegen, sondern bei dem das den Motor 1 verlassende
Kühlmittel
nachfolgend in den Heizkörper 8 eintritt.
Diese Betriebsart wird bevorzugt bei Kühlmitteltemperaturen ab etwa
60°C geschaltet.
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Das
Kühlmittel
durchströmt
bei der gegebenen Verschaltung den Verdampfer 15 und den
Wärmetauscher 16,
wobei der Kältekreis
diese Bauteile nicht mehr durchströmt, so dass sie thermisch unwirksam
bzw. passiv in dem Kühlmittelkreis
vorliegen. Falls diese Bauteile 13, 15 einen für den Normalbetrieb
des Kühlsystems
bei betriebswarmem Motor zu hohen Strömungswiderstand darstellen sollten,
können
sie auch durch eine nicht dargestellte Bypassleitung überbrückt werden.
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In
dem in 3 dargestellten Betriebszustand des zumindest
annähernd
betriebswarmen Fahrzeugmotors 1 ist der Kältekreis
vollständig
inaktiv dargestellt. Natürlich
kann durch entsprechende Verschaltung der Ventile 11, 16 und
Betrieb des Verdichters 10 auch ein herkömmlicher
Kältekreislauf zur
Kühlung
der Luft betrieben werden. Dies kann zum Zwecke einer Trocknung
der Luft auch dann sinnvoll sein, wenn insgesamt noch eine Aufheizung des
Fahrzeuginnenraums erfolgt. Im Falle der Aktivierung des herkömmlichen
Kältekreises
durchströmt das
Kältemittel
der Reihe nach die Komponenten Verdichter 10, Schaltventil 11,
Gaskühler 12,
innerer Wärmetauscher 18,
Expansionsventil 9a, Verdampfer 9, Schaltventil 16,
Sammler 17, innerer Wärmetauscher 18 und
wieder Verdichter 10.
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Im
Interesse der Einsparung von Bauraum und Herstellungskosten ist
es zweckmäßig das
der Kühlmittel-Wärmetauscher 13 und
der Kühlmittel-Verdampfer 15 als
baulich integrierte Einheit ausgestaltet sind. In 4 ist
schematisch der Temperaturverlauf TkW des
Kühlmittels über seinen
Strömungsweg
in verschiedenen Betriebszuständen
bei verschiedenen Temperaturniveaus bzw. Betriebszeiten ab Kaltstart
(t=0 bis t=3) dargestellt. Unterschiedliche Abschnitte des Strömungswegs
sind wie folgt bezeichnet:
a: Kühlmittel-Verdampfer
b:
Kühlmittel-Wärmetauscher
c:
Heizkörper
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Das
obere Diagramm entspricht der zunächst gemäß 1 vorliegenden
Verschaltung (Betriebszeiten t=0, t=1). Sämtliche Abschnitte a, b, c sind
in dem zweiten Kreislauf B integriert. In dem Kühlmittel-Verdampfer 15 erfolgt
zunächst
eine leichte Abkühlung
des Kühlmittels,
wobei nachfolgend in dem Kühlmittel-Wärmetauscher 13 eine
im Vergleich zu der Abkühlung
deutlich größere Aufheizung
des Kühlmittels
erfolgt. Bei Durchströmen
des nachfolgenden Heizkörpers 8 erfolgt
aufgrund der Abgabe von Wärme
an die zu konditionierende Luft wiederum eine Abkühlung des
Kühlmittels.
Der Kühlmittel-Volumenstrom
in diesem geschlossenen Kreislauf B beträgt für typische Anlagen in etwa
100-400 l/h.
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Das
untere Diagramm (Betriebszeiten t=2, t=3) entspricht einer Verschaltung
gemäß der zweiten
Betriebsart nach 2. In dem Diagramm ist der Temperaturverlauf
im Bereich a des Kühlmittel-Verdampfers
strichpunktiert dargestellt, da hier das Kühlmittel zu dem motorseitigen
Kreislauf A gehört, wogegen
das Kühlmittel
in den Bereichen b und c zu dem zweiten Kühlmittelkreislauf B gehört. In diesem Betrieb
ist wie bereits dargestellt eine Wärmepumpenfunktion zum Pumpen
von Wärme
vom Bereich a in den Bereich b mittels des Kältekreises realisiert.
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Grundsätzlich ist
auch eine Ausführungsform von
der Erfindung umfasst, bei der die Wärmepumpen-Betriebsphase gemäß 2 entfällt. Hierdurch kann
auf den Kühlmittel-Verdampfer 15 verzichtet werden.
Es würde
dann neben dem Normalbetrieb (3) lediglich
eine Betriebsart gemäß 1 für die Kaltstartphase
vorliegen, bei der das Kältemittel in
einem reinen Dreiecksprozess die vom Verdichter erzeugte Wärmeenergie
an den Heizkörper 8 abgibt.
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5 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einer ersten Betriebsart einer ersten Kaltstartphase des Verbrennungsmotors 1. 6 zeigt
diese Vorrichtung in einer zweiten Warmlaufphase bei etwas höherer Kühlmitteltemperatur
und 7 zeigt diese Vorrichtung bei zumindest annähernd betriebswarmem
Motor. Die je nach Verschaltung nicht durchströmten Kühlmittelleitungen sind punktiert
dargestellt und die jeweils nicht durchströmten Kältemittelleitungen sind als
dünnere Linien
dargestellt.
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In
der ersten Kaltstartphase gemäß 5 ist über die
Stellung eines schaltbaren 3-Wege-Ventils 5a der innere
Kühlkreislauf
des Verbrennungsmotors 1 blockiert, so dass das Kühlmittel
im Motor stillsteht. Die Umwälzung
des Kühlmittels
durch den Heizkörper 8 und
den Kühlmittel-Wärmetauscher 13 erfolgt über die
zweite Kühlmittelpumpe 7.
Der Kühlmittel-Verdampfer 15 ist
in dieser Betriebsart nicht von Kühlmittel durchströmt. Er wird
jedoch von dem Kältemittel
durchströmt,
welches entsprechend in dem Kühlmittel-Verdampfer 15 keinen
thermischen Austausch erfährt.
Wie im Fall des ersten Ausführungsbeispiels
in der Betriebsart nach 1 wird die über den Verdichter 10 in
das Kältemittel
eingetragene Wärmeenergie
nachfolgend über
den Kühlmittel-Wärmetauscher 13 an
einen kleinen Kühlmittelkreis
mit geringer Kühlmittelmenge
abgegeben, wobei das Kühlmittel
unmittelbar nach seiner Aufheizung im Wärmetauscher 13 den
Heizkörper 8 durchströmt, um je
nach Anforderung Luft für
einen Passagierraum aufzuheizen.
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In
einer zweiten Betriebsart gemäß 6 wird über geänderte Ventilstellungen
der Schaltventile 5, 5a des Kühlmittelkreises die Kühlmittelpumpe 2 des
Fahrzeugmotors 1 zur Umwälzung des Kühlmittelstroms hinzugezogen.
Das aus dem Motor 1 austretende Kühlmittel tritt nun zunächst durch
den Kühlmittel-Verdampfer 15 und
nachfolgend durch den Kühlmittel-Wärmetauscher 13.
Die Betriebsart gemäß 6 weist
keine zwei getrennten Kühlmittelkrei se
auf. Auch hier wird die von dem Verdichter 10 in das Kältemittel
eingebrachte Wärmeenergie über den
Wärmetauscher 13 und
den Verdampfer 15 an das Kühlmittel abgegeben, welches
nach dem Kühlmittel-Wärmetauscher 13 den
Heizkörper 8 durchströmt.
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Bei
betriebswarmem Motor liegt gemäß 7 ein
Betriebszustand vor, der dem in 3 dargestellten ähnlich ist.
Das Kühlmittel
durchströmt nach
Verlassen des Fahrzeugmotors den Heizkörper 8, wobei im Unterschied
zu 3 über
eine entsprechende Schaltstellung der Ventile 5, 5a das
Kühlmittel
durch eine Bypassleitung 19 geleitet wird. Die Bypassleitung 19 überbrückt bezüglich des
Kühlmittelstroms
den Kühlmittel-Wärmetauscher 13 und
den Kühlmittel-Verdampfer 15.
Hierdurch stellen diese Bauteile im normalen Betriebszustand bei
betriebswarmem Motor keinen Strömungswiderstand
für das Kühlmittel
dar.
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8 zeigt
eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels
aus 5 bis 7, bei der der Kältemittelkreis
ein dem Kühlmittel-Wärmetauscher 13 nachgeordnetes
3-Wege-Schaltventil 20 umfasst. Bei einer ersten Stellung
wird das Kältemittel
wie zuvor nach dem Wärmetauscher 13 durch
das Expansionsorgan 14 und den Kühlmittel-Verdampfer 15 geleitet.
Bei der in 8 gezeigten aktiven Verschaltung
des Kältekreises
durchströmt
das Kältemittel nach
dem Kühlmittel-Wärmetauscher 13 jedoch
den Gaskühler 12.
Dargestellt ist ein normaler Betriebszustand bei betriebswarmem
Motor, wobei der Kältemittelkreis
als herkömmliche
Klimaanlage mit kühlendem
Verdampfer 9 betrieben wird. Dabei wird der Kühlmittel-Wärmetauscher 13 als
eine erste Kühlstufe
für das
den Verdichter 10 verlassende Kältemittel genutzt, bevor das
Kältemittel
durch den eigentlichen Gaskühler 12 strömt. Hierdurch
kann der für
den Klimaanlagen-Betrieb erforderliche Gaskühler 12 kleiner dimensioniert
werden, wobei insgesamt eine größere Flexibilität der Auslegung
der Kühler
im Bereich der Fahrzeugfront besteht. Gaskühler 12 und Motorkühler 4 werden
in der Praxis regelmäßig als
bauliche Einheit ausgestaltet, die in ihrer Größe und Form mit den jeweiligen
Design-Anforderungen insbesondere im Fall von Personenkraftwagen
kompatibel sein muss.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung ist in 9 dargestellt, wobei es sich
im wesentlichen um eine Abwandlung der Ausführungsform nach 8 handelt. Über eine
zusätzliche
Zweigleitung 21 des Kühlmittelstroms
wird ein Teil des über
den Kühlmittel-Wärmetauscher 13 erhitzten
Kühlmittels
vor dem Heizkörper 8 abgezeigt
und durch einen zusätzlichen
Getriebeöl-Wärmetauscher 22 geleitet
und nachfolgend dem Kühlmittelkreis
saugseitig der Kühlmittelpumpe 2 des
Fahrzeugmotors wieder zugeführt.
Hierdurch kann das im Getriebeöl
des Fahrzeugsantriebs, das regelmäßig eine relativ lange Aufwärmephase
bei einem Kaltstart des Fahrzeugs durchläuft, gezielt und schnell beim
Kaltstart erwärmt werden.
Hierdurch wird die Lebensdauer des Getriebes verbessert und der
Kraftstoffverbrauch verringert, da bereits frühzeitig ein geringer Reibungswiderstand
des Antriebsstrangs vorliegt.