DE102007015185A1 - Klimaanlage, insbesondere für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem extern gesteuerten Kompressor (10), einem Kondensator (12), einer Drossel (18), einem Verdampfer (20) und einem internen Wärmetauscher (16), wobei die Drossel (18) ein elektronisches Expansionsventil ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem extern gesteuerten Kompressor (10), einem Kondensator (12), einer Drossel (18), einem Verdampfer (20) und einem internen Wärmetauscher (16), wobei die Drossel (18) elektronisch gesteuert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage, insbesondere für ein Kraftfahrzeug. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Klimaanlage.
  • Klimaanlagen für Kraftfahrzeuge sind mit unterschiedlichem technischen Aufbau und mit unterschiedlichen Kältemitteln bekannt. Unabhängig von der jeweiligen Bauart wird ein Großteil des Aufwandes für die Weiterentwicklung der Klimaanlagen derzeit einer Verringerung der Leistungsaufnahme gewidmet, die zum Betreiben der Klimaanlage notwendig ist. Eine Verringerung dieser Leistungsaufnahme, möglichst bei Beibehaltung desselben Komforts und desselben Ansprechverhaltens der Klimaanlage, führt zu einer Verringerung des Kraftstoffverbrauchs des Fahrzeugs.
  • Ein Typ von modernen Klimaanlagen verwendet einen extern gesteuerten Kompressor, einen internen Wärmetauscher, der Wärme von dem verwendeten Kältemittel auf der Hochdruckseite auf das Kältemittel auf der Niederdruckseite überträgt, sowie einen Verdampfer mit einem thermostatischen Expansionsventil, das üblicherweise mit einer Cross-Charge-Füllung im Regelkopf ausgestattet ist. Das thermostatische Expansionsventil steuert den Kältemittel-Massenstrom in Abhängigkeit von der Temperatur und dem Druck des Kältemittels am Ausgang des Verdampfers.
  • Aufgrund der Verwendung des internen Wärmetauschers weist eine solche Klimaanlage grundsätzlich einen vergleichsweise guten Wirkungsgrad auf, allerdings nicht bei allen Betriebszuständen. Lediglich bei Zuständen mit hoher erforderlicher Kühlleistung und niedriger Verdampfungstemperatur bzw. bei niedriger erforderlicher Kühlleistung und hoher Verdampfungstemperatur läßt sich mit einem thermostatischen Expansionsventil eine annähernd konstante Überhitzung des Kältemittels in der Größenordnung von 3 K am Ausgang des Verdampfers aufrechterhalten. Wenn allerdings eine geringe Kühlleistung bei geringen Verdampfungstemperaturen oder eine hohe Kühlleistung bei hohen Verdampfungstemperaturen erforderlich ist, stellt sich bei den eingesetzten thermostatischen Expansionsventilen eine Überhitzung des Kältemittels in der Größenordnung von 8 K bis 15 K am Ausgang des Verdampfers ein. Dies ist unerwünscht, da dann der Wirkungsgrad des Verdampfers absinkt und die Temperaturen des Kältemittels am Ausgang des Kompressors stark ansteigen. Außerdem muß die Leistungsfähigkeit des internen Wärmetauschers begrenzt werden, da ansonsten, aufgrund der bei einigen Betriebszuständen starken Überhitzung des Kältemittels, die Lebensdauer des Kompressors aufgrund der dabei auftretenden hohen Kältemitteltemperaturen am Ausgang des Kompressors beeinträchtigt werden könnte.
  • Die DE 100 23 717 A1 zeigt eine Klimaanlage, bei der anstelle eines thermostatischen Expansionsventils ein elektronisches Expansionsventil verwendet wird. Dieses wird in Abhängigkeit von der Temperatur des Kältemittels am Ausgang des Verdampfers gesteuert. Allerdings muß die Überhitzung des Kältemittels auf einen Bereich von 10 K bis 15 K gesteuert werden, um die Temperatur des Kältemittels am Ausgang des Verdampfers zu erhöhen. Die Konsequenzen einer derart starken Überhitzung liegen in einer schlechteren Temperatur-Homogenität, in einem Verlust an Wirksamkeit des Verdampfers und in einer zu hohen Temperatur des Kältemittels am Ausgang des Kompressors, was zu einer Verringerung der Lebensdauer führt.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Gesamtwirkungsgrad einer Klimaanlage zu erhöhen, die nach dem Carnot-Prinzip arbeitet und als Kältemittel R134a oder ein geeignetes Ersatzmedium verwendet.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß eine Klimaanlage vorgesehen, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem extern gesteuerten Kompressor, einem Kondensator, einer Drossel, einem Verdampfer und einem internen Wärmetauscher, wobei die Drossel ein elektronisches Expansionsventil ist. Zur Lösung dieser Aufgabe ist auch ein Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage vorgesehen, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem extern gesteuerten Kompressor, einem Kondensator, einer Drossel, einem Verdampfer und einem internen Wärmetauscher, wobei die Drossel elektronisch gesteuert wird. Die erfindungsgemäße Klimaanlage und das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichen es, die Kältemitteltemperatur am Eingang des internen Wärmetauschers etwa konstant zu halten. Zu diesem Zweck kann ein Sensor zum Erfassen der Temperatur des Kältemittels am Ausgang des Verdampfers vorgesehen sein. Durch die Begrenzung der Überhitzung des Kältemittels am Eingang des internen Wärmetauschers kann dieser besser für die auftretenden Betriebsbedingungen ausgelegt werden und insbesondere größer ausgeführt werden, ohne daß das Risiko besteht, daß das Kältemittel am Ausgang des internen Wärmetauschers bei einigen kritischen Betriebszuständen eine unzulässig hohe Temperatur aufweist.
  • Erfindungsgemäß ist insbesondere vorgesehen, daß die Überhitzung des Kältemittels am Eingang des internen Wärmetauschers auf maximal 5 K begrenzt wird. Dadurch, daß sich die Eintrittsüberhitzung in den internen Wärmetauscher nur noch in einem Bereich von 0 bis 5 K bewegt und keine sehr hohen Eintrittsüberhitzungen von 5 bis 20 K mehr auftreten können, kann der interne Wärmetauscher größer ausgelegt werden. Durch diese höhere Leistung des internen Wärmetauschers gibt es auch in Phasen mit höheren Flüssigkeitsaustritten aus dem Verdampfer keinen Betriebszustand der Klimaanlage, bei welchem flüssiges Kältemittel in den Kompressor eintritt. Dadurch erhöht sich der Gesamtwirkungsgrad des Kältemittelkreislaufs, da keine Wärmeverluste von der Hochdruck- zur Niederdruckseite im Kompressor auftreten. Außerdem werden Verluste der Wirksamkeit des Verdampfers verhindert. Die Begrenzung der Überhitzung des Kältemittels auf maximal 5 K gewährleistet außerdem, daß sich in der Saugleitung vom Verdampfer zum internen Wärmetauscher immer ein Schaum aus Kältemittel und Öl befindet, so daß im Verdichter entstehende Druckpulsationsgeräusche nicht über die Saugleitung zum Verdampfer übertragen werden, da der Öl-/Kältemittelschaum die Schallausbreitung dämpft.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Sensor zum Erfassen der Temperatur des Kältemittels am Ausgang des Kompressors vorgesehen. Dies ermöglicht, daß unterschiedliche Wirkungsgrade des internen Wärmetauschers, die bei sich ändernden Kältemittelmassenströmen auftreten, auch noch kompensiert werden können, so daß eine konstante Temperatur am Verdichterausgang (Endverdichtungstemperatur) ausgeregelt werden kann. Damit kann der interne Wärmetauscher noch leistungsstärker dimensioniert werden, da die Endverdichtungstemperatur direkt über die Drosselwirkung des elektronischen Einspritzventils beeinflußbar ist. Vorteilhafterweise wird diese Temperatur im Bereich der für den Verdichter und die Leitungen maximal möglichen Temperatur von 110°C bis 130°C geregelt. Dies ermöglicht in Verbindung mit dem leistungsstarken internen Wärmetauscher, die Überhitzung des Kältemittels am Ausgang des Verdampfers auf einen Bereich von 0 K bis 7 K zu begrenzen, vorzugsweise auf einen Bereich von 2 K bis 4 K. Zu diesem Zweck kann vorgesehen sein, daß die Drossel in Abhängigkeit von der Kältemitteltemperatur am Ausgang des Kompressors gesteuert wird. Auf diese Weise kann die maximale Temperatur des Kältemittels am Ausgang des Kompressors immer in einem sowohl für den Wirkungsgrad als auch die Lebensdauer des Kompressors vorteilhaften Bereich gehalten werden, wenn ein groß ausgelegter interner Wärmetauscher verwendet wird, der in der Lage ist, unter allen Betriebszuständen das den Verdampfer in flüssigem Zustand verlassende Kältemittel zu verdampfen. Diese hohe, im Vergleich mit herkömmlichen Klimaanlage als nahezu konstant anzusehende Temperatur am Ausgang des Kompressors gewährleistet, daß keine Betriebszustände auftreten, bei denen flüssiges Kältemittel in den Kompressor eintritt. Dadurch ist der Gesamtwirkungsgrad des Kältekreises erhöht, da keine Wärmeverluste von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite im Kompressor auftreten. Zusätzlich werden Verluste der Wirksamkeit des Verdampfers vermieden, da die Überhitzung im Verdampfer ebenfalls in einem Bereich von 0 K bis 7 K gehalten wird, so daß die gesamte Innenfläche des Verdampfers noch mit verdampfendem flüssigem Kältemittel benetzt ist.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die Drossel den Kältemittelmassenstrom so steuert, daß die Kältemitteltemperatur am Ausgang des Kompressors im Bereich von 90°C bis 160°C gehalten wird, vorzugsweise im Bereich von 120°C bis 130°C. Insbesondere eine annähernd als konstant anzusehende Kältemitteltemperatur im Bereich von 120°C bis 130°C gewährleistet einen hohen Gesamtwirkungsgrad des Kältemittelkreislaufs bei sehr hoher Lebensdauer des Kompressors.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Kältemitteleingang am Kondensator in dessen unteren Bereich angeordnet ist. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn vor dem Kondensator ein Ölkühler oder ein Ladeluftkühler angeordnet ist; wenn dies der Fall ist, ist dieser nämlich vor dem unteren Bereich des Kondensators angeordnet. Ein Ladeluftkühler oder ein Ölkühler führt dazu, daß dem Kondensator in diesem Bereich Kühlluft mit einer deutlich erhöhten Temperatur zugeführt wird, beispielsweise 70°C. Bei herkömmlichen Systemen, bei denen das Kältemittel dem Kondensator mit einer Temperatur im Bereich von 80 bis 90°C zugeführt wird, ist der vom Ladeluftkühler oder Ölkühler abgedeckte Bereich des Kondensators nahezu wirkungslos, da die Temperaturdifferenz zwischen Kühlluft und Kältemittel nicht ausreichend ist. Aufgrund der erfindungsgemäßen, vorteilhaften Steuerung ist dagegen gewährleistet, daß das Kältemittel in den Kondensator mit einer Temperatur von rund 120°C eintritt. Somit steht bei allen Betriebszuständen eine ausreichende Temperaturdifferenz zwischen Kühlluft und Kältemittel zur Verfügung, so daß der Kondensator über seine gesamte Fläche wirksam ist.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen:
  • 1 schematisch eine Klimaanlage gemäß einer ersten Ausführungsform;
  • 2 schematisch eine Klimaanlage gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
  • 3 einen Kondensator gemäß einer Ausführungsvariante.
  • In 1 ist schematisch eine Klimaanlage gezeigt, die einen extern gesteuerten Kompressor 10, einen Kondensator 12, einen Sammler 14, einen internen Wärmetauscher 16, eine Drossel 18 und einen Verdampfer 20 aufweist. Der Sammler 14 kann optional mit Trockner und Filter versehen sein. Als Kältemittel wird R134a oder ein Ersatzmedium hierfür verwendet.
  • Die Drossel 18 ist gebildet durch ein elektronisch gesteuertes Expansionsventil, welches in Abhängigkeit von der Temperatur des Kältemittels am Ausgang des Verdampfers 20 gesteuert wird. Zu diesem Zweck ist dort ein Temperatursensor 22 vorgesehen. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, daß das Kältemittel den Verdampfer 20 immer mit einer Überhitzung im Bereich von 0 K bis 5 K verläßt. Das Steuergerät, das die Signale des Sensors 22 verarbeitet und die Drossel 18 steuert, ist in 1 zum Zwecke der besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
  • In 2 ist eine Klimaanlage gemäß einer zweiten Ausführungsform gezeigt. Für die von der ersten Ausführungsform bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Ausführungsformen verwiesen.
  • Auch bei der zweiten Ausführungsform wird als Drossel 18 ein elektronisch gesteuertes Expansionsventil verwendet. Der Unterschied zur ersten Ausführungsform besteht darin, daß das Expansionsventil 18 in Abhängigkeit von der Temperatur des Kältemittels am Ausgang des Kompressors gesteuert wird. Zu diesem Zweck ist dort ein Sensor 24 vorgesehen. Die Drossel 18 und damit der Kältemittelmassenstrom werden so gesteuert, daß die Kältemitteltemperatur am Ausgang des Kompressors vergleichsweise konstant im Bereich von 120°C bis 130°C gehalten wird.
  • In 3 ist im Detail ein Verdampfer 12 dargestellt, bei dem sich abweichend von der sonst üblichen Ausgestaltung der Eingang für das Kältemittel im unteren Bereich und der Ausgang im oberen Bereich Ende befindet. Demzufolge ist im unteren Bereich eine Enthitzungszone 12a gebildet, während im mittleren Bereich eine Verflüssigungszone 12b und im oberen Bereich eine Unterkühlungszone 12c gebildet sind. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn im Strömungsweg der Kühlluft vor dem Kondensator 12 ein Öl- oder Ladeluftkühler 26 vorgesehen ist. Die Kühlluft, die durch den Öl- oder Ladeluftkühler 26 strömt, erreicht den Kondensator 12 mit deutlich erhöhter Temperatur, beispielsweise 70°C. Aufgrund der hohen Eintrittstemperatur des Kältemittels in dem Kondensator 12, nämlich rund 120°C, liegt auch in der Enthitzungszone 12a des Kondensators 12 ein ausreichendes Temperaturgefälle zwischen Kühlluft und Kältemittel vor.
  • 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 10023717 A1 [0005]

Claims (10)

  1. Klimaanlage, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem extern gesteuerten Kompressor (10), einem Kondensator (12), einer Drossel (18), einem Verdampfer (20) und einem internen Wärmetauscher (16), wobei die Drossel (18) ein elektronisches Expansionsventil ist.
  2. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (22) zum Erfassen der Temperatur des Kältemittels am Ausgang des Verdampfers (20) vorgesehen ist.
  3. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (24) zum Erfassen der Temperatur des Kältemittels am Ausgang des Kompressors (10) vorgesehen ist.
  4. Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kältemitteleingang am Kondensator (12) in dessen unteren Bereich angeordnet ist.
  5. Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem extern gesteuerten Kompressor (10), einem Kondensator (12), einer Drossel (18), einem Verdampfer (20) und einem internen Wärmetauscher (16), wobei die Drossel (18) elektronisch gesteuert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel so gesteuert wird, daß die Kältemitteltemperatur am Eingang des internen Wärmetauschers (16) etwa konstant gehalten wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Überhitzung des Kältemittels am Eingang des internen Wärmetauschers (16) auf maximal 5 K begrenzt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Überhitzung des Kältemittels am Ausgang des Verdampfers (20) auf einen Bereich von 0 K bis 7 K begrenzt wird, vorzugsweise auf einen Bereich von 2 K bis 4 K.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (18) in Abhängigkeit von der Kältemitteltemperatur am Ausgang des Kompressors (10) gesteuert wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (18) den Kältemittelmassenstrom so steuert, daß die Kältemitteltemperatur am Ausgang des Kompressors (10) im Bereich von 90°C bis 160°C gehalten wird, vorzugsweise im Bereich von 120°C bis 130°C.
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