DE102007011024A1

DE102007011024A1 - Klimaanlage für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE102007011024A1
Application number: DE200710011024
Authority: DE
Inventors: Jens Dipl.-Ing. Meintschel; Dirk Dr. Dipl.-Ing. Schröter
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-03-07
Filing date: 2007-03-07
Publication date: 2008-09-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage (1) für Kraftfahrzeuge zum Kühlen eines Fahrgastinnenraums, umfassend einen Kältemittelkreislauf (2) mit einem Kältemittelverdichter (3) und einem Kondensator (6). Zum Verbessern des Betriebsverhaltens des Kältemittelverdichters (3) bei tiefen Temperaturen wird vorgeschlagen, das Kältemittel im Vorlauf des Kältemittelverdichters (3) durch eine Heizeinrichtung (7) zu erwärmen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage für Kraftfahrzeuge. Eine solche Klimaanlage zum Kühlen eines Fahrgastinnenraums eines Kraftfahrzeugs umfasst einen Kältemittelkreislauf für ein Kältemittel, wobei der Kältemittelkreislauf einen Kältemittelverdichter, ein Expansionsventil mit zugehörigem Verdampfer zum Kühlen des Innenraums, einen Kondensator und eine zwischen dem Kondensator und dem Kältemittelverdichter im Vorlauf des Kältemittelverdichters angeordnete Heizeinrichtung zum Vorwärmen des Kältemittels umfasst.
Eine gattungsgemäße Klimaanlage ist aus dem Dokument DE 10 2005 001 231 A1 bekannt. Es offenbart eine Klimaanlage für Kraftfahrzeuge mit einem Kältemittelkreislauf, in dem ein innerer Wärmetauscher angeordnet ist, der zum Energieaustausch zwischen Niederdruckseite und Hochdruckseite in dem Kältemittelkreislauf dient. Dadurch kommt es zu einer Energieaufnahme und Erwärmung des Kältemittels, so dass das Kältemittel gasförmig wird und gasförmig dem Verdichter in dem Kältemittelkreislauf zugeführt wird.
Aus dem Dokument DE 10 2004 012 795 A1 ist ein Abwärmenutzungssystem für Verbrennungsmotoren bekannt, das einen Abwärmesammelkreis und einen Kühlkreis aufweist.
Aus dem Dokument DE 42 26 781 A1 ist ein Wärmeträgerkreislauf eines Elektrofahrzeugs bekannt, bei dem das Wärmeträgermittel zum Erwärmen des Fahrzeuginnenraums dient. Dabei kann eine elektrische Zusatzheizung für das Wärmeträgermittel vorgesehen sein.
Bei Klimaanlagen für Kraftfahrzeuge zum Kühlen eines Fahrgastinnenraums mit einem Kältemittelverdichter besteht das Problem, dass der Einsatz von Kältemittel, z. B. R134A, das beispielsweise zur Komponentenkühlung wie einer Hochvoltbatterie verwendet wird, bei Temperaturen unter 0°C nicht mehr möglich ist, da der Kältemitteldruck unter 2 bar fällt und somit zu niedrig wird. Die Durchflussmenge und der Druck sind dann zu gering bzw. das Kältemittel ist zu kalt. Dadurch schaltet sich bei Temperaturen unter 0°C der Kältemittelverdichter wegen der Gefahr einer mangelnden Schmierung bzw. einer zu geringen Kältemittelfördermenge zum Selbstschutz ab. Dadurch kann beispielsweise eine Hochvoltbatterie nicht mehr gekühlt werden und die Hybridfunktion eines Hybridfahrzeugs ist nicht mehr oder nur noch stark eingeschränkt verfügbar. Ein damit im Zusammenhang stehendes Problem ist die Entfeuchtung der Luft in dem Fahrgastinnenraum bei Temperaturen um 0°C, was auch nur dann möglich ist, wenn der Kältemittelverdichter nicht abgeschaltet ist.
Eine Lösung dieses Problems ist nicht bekannt. Nach dem Stand der Technik ist eine zeitweise Abhilfe durch Ein-/Ausschalten des Kältemittelverdichters oder durch Zuführen von Umluft über den Wärmetauscher bzw. die Verdampfereinheit, die für die Kaltlufterzeugung für den Innenraum des Fahrzeugs vorgesehen ist, bekannt. Durch diese Maßnahmen gelingt eine Absenkung der Ausschalttemperatur des Kältemittelverdichters auf ca. –6°C, ist jedoch mit dem Nachteil des Beschlagens von Scheiben in dem Kraftfahrzeug verbunden. Darüber hinaus ist, bedingt durch die mechanische Belastung, der Verschleiß des Kältemittelverdichters bei dieser Betriebsweise auch höher.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Klimaanlage für Kraftfahrzeuge mit einem verbesserten Betriebsverhalten bei tiefen Temperaturen zu schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Klimaanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung mit zugehörigen Zeichnungen.
Eine erfindungsgemäße Klimaanlage für Kraftfahrzeuge zum Kühlen eines Fahrgastinnenraums eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Kältemittelkreislauf für ein Kältemittel, wobei der Kältemittelkreislauf einen Kältemittelverdichter, ein Expansionsventil mit zugehörigem Verdampfer zum Kühlen des Innenraums, einen Kondensator und eine zwischen dem Kondensator und dem Kältemittelverdichter im Vorlauf des Kältemittelverdichters angeordnete Heizeinrichtung zum Vorwärmen des Kältemittels umfasst, weist also die Besonderheit auf, dass die Heizeinrichtung eine der folgenden Heizeinrichtungen ist:

– eine elektrische Heizeinrichtung, mit der das Kältemittel durch elektrische Energie aufgeheizt wird,
– eine Heizeinrichtung, die eine Abwärmequelle des Kraftfahrzeugs zum Aufheizen des Kältemittels nutzt,
– eine Heizeinrichtung, die zum Aufheizen des Kältemittels Wärme aus mindestens einem Medienkreislauf des Motors des Kraftfahrzeugs nutzt,
– eine Heizeinrichtung, die zum Aufheizen des Kältemittels Wärme aus dem Getriebe des Kraftfahrzeugs nutzt.

Erfindungsgemäß erfolgt eine Erwärmung des Kältemittels im Vorlauf des Kältemittelverdichters. Dadurch erhöht sich Temperatur und Druck des Kältemittels, was zu einer ordnungsgemäßen Schmierung des Kältemittelverdichters und einer sinnvollen Fördermenge führt. Die Umsetzung der Erwärmung kann über verschiedene Methoden erfolgen, die zum einen zusätzliche Heizenergie, z. B. elektrische, oder die Nutzung von Abwärme, z. B. aus dem Motorraum oder der Abgasanlage, bzw. die Entnahme der Wärme aus den Medienkreisläufen des Motors (z. B. Kühlwasser oder Öl) bzw. des Getriebes mittels Wärmetauscher voraussetzen. Die Einschaltung der Heizquelle kann temperaturabhängig erfolgen, z. B. über Sensorik oder Bimetallschalter, und auch wärmebedarfsabhängig (Regulierung des Wärmestroms).
Um eine temperaturabhängige und wärmemengengenaue Vorwärmung zu erreichen, bietet sich der Einsatz eines leistungsgeregelten Heizelements an. Zur Nutzung der Abwärme im Kraftfahrzeug ist der Einsatz einer Bi-Metall-geregelten Luftklappe zum Dosieren der Abwärmeluft von der Abgasanlage über einen Kanal zur Kältemittelleitung möglich.
Es können ferner Fahrzeugkomponenten mit Kältemittel aus dem Luftklimatisierungskreislauf bzw. einem separaten Kreislauf unter 0°C bis tiefer –25°C gekühlt werden. Ferner ist die Gewährleistung der Luftentfeuchtung bis ca. –1°C für die Fahrgastraumklimatisierung möglich, was zur Zeit nur bis ca. 3°C möglich ist. Auch die Kühlung von elektrischen Komponenten mit Kältemittel über den gesamten Temperaturbereich des Einsatzes des Fahrzeugs ist möglich.
Die Erfindung hat den Vorteil einer erhöhten Batterieverfügbarkeit und einer Absicherung der Hybridfunktion auch bei Temperaturen unter –2°C. Darüber hinaus ist die Nutzung des Kältemittels der Klimaanlage des Kraftfahrzeugs weiterhin möglich, bei Bedarf bedingt auch die Entfeuchtung der Luft für eine Klimatisierung im Fahrzeug bei Temperaturen um 0°C. Die Anwendung der Kältemittelkühlung ist auch auf neue Komponenten, z. B. elektrische oder elektronische, möglich, und bei dem Einsatz von Fahrzeugabwärme resultiert eine energetisch günstige Lösung.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die darin beschriebenen Besonderheiten können einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen.
Die 1 zeigt ein Funktionsschema einer erfindungsgemäßen Klimaanlage 1 für Kraftfahrzeuge zum Kühlen eines Fahrgastinnenraums eines Kraftfahrzeugs. Sie umfasst einen Kältemittelkreislauf 2 für ein Kältemittel, wobei in dem Kältemittelkreislauf ein Kältemittelverdichter 3, ein Expansionventil 4 mit zugehörigem Verdampfer 5 zum Kühlen des Innenraums, ein Kondensator 6 und im Vorlauf des Kältemittelverdichters 3 eine Heizeinrichtung 7 vorgesehen ist. Mit der Heizeinrichtung 7 kann eine Wärmemenge Q dem Kältemittel zugeführt werden, wodurch sich dessen Temperatur T erhöht.
In dem Kältemittelkreislauf 2 ist ferner ein Expansionsventil 8 mit einem Verdampfer 9 für eine Batterie und optional ein weiteres Expansionsventil 10 für eine weitere Verdampferkomponente 11 vorgesehen.

1: Klimaanlage
2: Kältemittelkreislauf
3: Kältemittelverdichter
4: Expansionventil
5: Verdampfer Klimaanlage
6: Kondensator
7: Heizeinrichtung
8: Expansionsventil
9: Verdampfer Batterie
10: Expansionsventil
11: Verdampferkomponente
Q: Wärmemenge
T: Temperatur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102005001231 A1 [0002]
- DE 102004012795 A1 [0003]
- DE 4226781 A1 [0004]

Claims

Klimaanlage (1) für Kraftfahrzeuge zum Kühlen eines Fahrgastinnenraums eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Kältemittelkreislauf (2) für ein Kältemittel, wobei der Kältemittelkreislauf (2) einen Kältemittelverdichter (3), ein Expansionsventil (4) mit zugehörigem Verdampfer (5) zum Kühlen des Innenraums, einen Kondensator (6) und eine zwischen dem Kondensator (6) und dem Kältemittelverdichter (3) im Vorlauf des Kältemittelverdichters (3) angeordnete Heizeinrichtung (7) zum Vorwärmen des Kältemittels umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (7) eine der folgenden Heizeinrichtungen ist: – eine elektrische Heizeinrichtung, mit der das Kältemittel durch elektrische Energie aufgeheizt wird, – eine Heizeinrichtung, die eine Abwärmequelle des Kraftfahrzeugs zum Aufheizen des Kältemittels nutzt, – eine Heizeinrichtung, die zum Aufheizen des Kältemittels Wärme aus mindestens einem Medienkreislauf des Motors des Kraftfahrzeugs nutzt, – eine Heizeinrichtung, die zum Aufheizen des Kältemittels Wärme aus dem Getriebe des Kraftfahrzeugs nutzt.
Klimaanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (7) ein leistungsgeregeltes Heizelement ist
Klimaanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (7) Abwärme aus dem Motorraum des Kraftfahrzeugs nutzt.
Klimaanlage (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Bi-Metall-geregelte Luftklappe zum Dosieren der Abwärme-Luft von der Abgasanlage des Kraftfahrzeugs über einen Kanal zu der Kältemittelleitung aufweist.
Klimaanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (7) Abwärme aus der Abgasanlage des Kraftfahrzeugs nutzt.
Klimaanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (7) Abwärme aus dem Kühlwasser des Kraftfahrzeugs nutzt.
Klimaanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (7) Abwärme aus dem Öl des Kraftfahrzeugs nutzt.
Klimaanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (7) einen Wärmetauscher zum Gewinnen der Wärme für das Aufheizen des Kältemittels aufweist.
Klimaanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (7) temperaturabhängig einschaltbar ist.
Klimaanlage (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen temperaturanhängigen Schalter zum Einschalten der Heizeinrichtung (7) aufweist.
Klimaanlage (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter eine Sensorik oder einen Bi-Metallschalter umfasst.
Klimaanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (7) zum Regulieren des Wärmestroms in Abhängigkeit von dem Wärmebedarf einschaltbar ist.
Klimaanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie in dem Kraftfahrzeug auch zum Kühlen einer Fahrzeugkomponente ausgebildet ist.
Klimaanlage (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugkomponente über den Kühlmittelkreislauf des Fahrgastinnenraums gekühlt wird.
Klimaanlage (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrzeugkomponente mit einem separaten Kühlmittelkreislauf, der ein zugeordnetes Expansionsventil und einen zugehörigen Verdampfer (9) umfasst, gekühlt wird.
Klimaanlage (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die gekühlte Fahrzeugkomponente eine elektrische Fahrzeugkomponente ist.
Klimaanlage (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die gekühlte Fahrzeugkomponente eine Fahrzeugbatterie ist.
Klimaanlage (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass sie zum Kühlen der Fahrzeugkomponente über den gesamten Bereich der Einsatztemperatur des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist.
Klimaanlage (1) nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass sie zum Kühlen der Fahrzeugkomponente unter 0°C ausgebildet ist.
Klimaanlage (1) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sie zum Kühlen der Fahrzeugkomponente bis unter –25°C ausgebildet ist.
Klimaanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zum Luftentfeuchten des Fahrgastinnenraums bis –1°C ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Klimaanlage (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.