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Die
Erfindung betrifft eine Klimatisierungseinrichtung für
einen Kraftwagen, insbesondere für ein Elektrofahrzeug
oder ein Hybridfahrzeug, mit einem Kältemittelkreis, welcher
einen Verdampfer, sowie wenigstens einen Wärmetauscher,
mittels welchem in den Kältemittelkreis eingebrachte Wärmeenergie
in die Zuluft für den Fahrgastraum des Kraftwagens einbringbar
ist, umfasst. Die Klimatisierungseinrichtung umfasst darüber
hinaus eine Abluftleitung, über welche Fahrgastraumluft
aus dem Fahrgastraum abführbar ist. Des Weiteren betrifft
die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Klimatisierungseinrichtung.
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Die
DE 101 63 607 A1 beschreibt
eine Klimatisierungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug,
welche sowohl zum Kühlen von in den Fahrgastraum eingebrachter
Zuluft ausgelegt ist und welche auch als Wärmepumpe betreibbar
ist. Im Wärmepumpenbetrieb durchströmt das mittels
eines Kompressors verdichtete und erhitzte Kältemittel
einen ersten Wärmetauscher, welcher in einem Klimakasten
des Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Dem ersten Wärmetauscher
ist ein erstes Expansionsventil nachgeschaltet, welches im Wärmepumpenbetrieb
das Kältemittel ungedrosselt passieren lässt.
Ein stromabwärts dieses ersten Expansionsventils ebenfalls
in dem Klimakasten angeordneter zweiter Wärmetauscher dient dann
ebenso wie der erste Wärmetauscher als Gaskühler. Über
die zwei Gaskühler ist Wärmeenergie auf den Klimakasten
durchströmende Luft übertragbar, welche dann als
erwärmte Zuluft in den Fahrgastraum des Kraftfahrzeugs
eintritt. Dem zweiten Wärmetauscher ist ein weiteres Expansionsventil
nachgeschaltet, welches im Wärmepumpenbetrieb für
die weitere starke Abkühlung des Kältemittels
sorgt. Das Einbringen von Wärme in das expandierte Kältemittel erfolgt
in einem Motorkühlmittel-Wärmetauscher. Anschließend
strömt das Kältemittel wieder dem Kompressor zu.
Beim Betreiben der Klimatisierungseinrichtung als Kälteanlage
dient ein weiterer, nicht im Klimakasten angeordneter Wärmetauscher
als Gaskühler und der im Klimakasten angeordnete zweite Wärmetauscher
als Verdampfer. Im Kälteanlagenbetrieb wird das Kältemittel
auch mittels des ersten Expansionsventils entspannt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Klimatisierungseinrichtung
der eingangs genannten Art zu schaffen, welche einen besonders effizienten
Heizbetrieb ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Klimatisierungseinrichtung mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung
sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen
angegeben.
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Die
erfindungsgemäße Klimatisierungseinrichtung für
einen Kraftwagen, insbesondere für ein Elektrofahrzeug
oder Hybridfahrzeug, weist einen Kältemittelkreis auf,
welcher einen Verdampfer, sowie wenigstens einen Wärmetauscher,
mittels welchem in den Kältemittelkreis eingebrachte Wärmeenergie
in die Zuluft für einen Fahrgastraum des Kraftwagens einbringbar
ist, umfasst. Über eine Abluftleitung ist Fahrgastraumluft
aus dem Fahrgastraum abführbar. Hierbei ist der Verdampfer
des Kältemittelkreises zumindest bereichsweise in der Abluftleitung angeordnet.
Dadurch kann in der Abluft enthaltene Wärmeenergie auf
ein den Kältemittelkreis durchströmendes Kältemittel übertragen
werden.
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Dadurch
dass die Fahrgastraumluft in der Abluftleitung im Heizbetrieb eine
vergleichsweise hohe, nämlich für Fahrzeuginsassen
angenehme Temperatur aufweist, kann im Wärmepumpenbetrieb
die vergleichsweise hohe Temperatur der Fahrgastraumluft zum Einbringen
der Wärmeenergie in das Kältemittel anstelle der
niedrigeren Temperatur der Umgebungsluft genutzt werden. Im Heizbetrieb
ist nämlich die Fahrgastraumluft wärmer als die
Umgebungsluft.
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Durch
Nutzen der Wärmeenergie der Fahrgastraum-Abluft, insbesondere
in Form von in das Kältemittel eingebrachter sensibler
Wärme und/oder latenter Wärme, kann in der Klimatisierungseinrichtung
ein herkömmliches, insbesondere organisches Kältemittel,
beispielsweise R134 oder R1234, verwendet werden. Eine derartige
Klimatisierungseinrichtung ist technisch weniger aufwändig
realisierbar als beim Einsatz von – prinzipiell auch möglichem – Kohlendioxid
als Kältemittel. Durch das Nutzen der Abwärme
der Abluft des Fahrgastraums ermöglicht die Klimatisierungseinrichtung
einen besonders effizienten Heizbetrieb.
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Insbesondere
bei einem Einsatz der Klimatisierungseinrichtung in einem Elektrofahrzeug
oder Hybridfahrzeug ist der effiziente Heizbetrieb vorteilhaft,
da so weniger elektrische Energie zum Beheizen der Fahrgastraumluft
zur Verfügung gestellt werden muss. Dies kommt bei dem
Elektrofahrzeug oder bei dem Hybridfahrzeug im rein elektrischen
Fahrbetrieb der Reichweite zu Gute.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein üblicher
elektrischer Zuheizer, etwa ein Kaltleiter oder PTC-Element (PTC,
Positive Temperature Coefficient, positiver Temperaturkoeffizient)
zum Bereitstellen von 1 kW Heizleistung eines Primärenergieeinsatzes
in Form von Brennstoff für einen Verbrennungsmotor von
1,5 kW bedarf. Demgegenüber kann mit einer derartigen Klimatisierungseinrichtung im
Wärmepumpenbetrieb 1 kW Heizleistung bei einem Einsatz
von 0,5 kW an elektrischer Energie zum Betreiben des Kältemittelkreises
generiert werden.
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Da
bei einem effizienten Verbrennungsmotor, insbesondere Dieselmotor,
eines Kraftwagens eine zunehmend bessere Ausnutzung des Kraftstoffs erfolgt,
steht zunehmend weniger Wärme zum Beheizen der Fahrgastraumluft
zur Verfügung. Wird hier nun zumindest ein Teil der Heizenergie
zum Beheizen der Fahrgastraumluft nicht durch einen elektrischen
Zuheizer, sondern durch die beschriebene Klimatisierungseinrichtung
im Wärmepumpenbetrieb zur Verfügung gestellt,
so dient dies einer Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs des den
Verbrennungsmotor aufweisenden Kraftwagens. Hierbei ist auch mit
der beschriebenen Klimatisierungseinrichtung ein sehr guter Heizkomfort
erzielbar, da die Klimatisierungseinrichtung im Wärmepumpenbetrieb für
ein sehr rasches Bereitstellen der Heizenergie für die
Fahrgastraumluft sorgt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Abluftleitung
einen Umluftzweig, über welchen aus dem Fahrgastraum abgeführte Fahrgastraumluft
in eine Zuluftleitung einbringbar ist. Dadurch kann der Verdampfer
des Kältemittelkreises im Kühlbetrieb dafür
sorgen, dass in den Fahrgastraum über die Zuluftleitung
gekühlte Umluft einbringbar ist. Insbesondere kann die
Zuluftleitung zumindest bereichsweise durch einen Klimakasten der
Klimatisierungseinrichtung bereitgestellt sein. Auch die Abluftleitung
und/oder der Umluftzweig können zumindest bereichsweise
im Klimakasten angeordnet sein. Dadurch lassen sich im Vergleich
zu einem Anordnen von Abluftleitung und/oder Umluftzweig außerhalb
des Klimakastens besonders kurze Leitungslängen realisieren.
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Insbesondere
im Heizbetrieb der Klimatisierungseinrichtung sorgt der Verdampfer
des Kältemittelkreises dafür, dass die durch den
Umluftzweig in den Fahrgastraum rückgeführte Fahrgastraumluft getrocknet
wird. Dies dient dem Vermeiden eines Beschlagens einer Verglasung
des Fahrgastraums. In einem Umluftbetrieb der Klimatisierungseinrichtung, in
welchem die Fahrgastraumluft beheizt wird, ist die für
das Trocknen der umgewälzten Fahrgastraumluft aufgewendete
Energie nicht verloren, sondern diese Energie wird in den Kältemittelkreis
eingebracht. Hier steht sie dann über den Wärmetauscher
zum Beheizen der Zuluft zur Verfügung.
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Dadurch,
dass im Kühlbetrieb die gekühlte Fahrgastraumluft über
den Umluftzweig wieder dem Fahrgastraum zugeführt wird,
ist zum Kühlen ein besonders geringer Energieeinsatz notwendig.
Die Klimatisierungseinrichtung ist also auch im Umluft-Kühlbetrieb
besonders effizient.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ermöglicht ein Verfahren
zum Betreiben einer Klimatisierungseinrichtung für einen
Kraftwagen, insbesondere für ein Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug,
einen besonders effizienten Heizbetrieb, bei welchem über
einen wenigstens einen Wärmetauscher sowie einen Verdampfer
umfassenden Kältemittelkreis in den Kältemittelkreis
eingebrachte Wärmeenergie in die Zuluft für einen
Fahrgastraum des Kraftwagens eingebracht wird. Über eine
Abluftleitung wird Fahrgastraumluft aus dem Fahrgastraum abgeführt.
Hierbei wird mittels des Verdampfers des Kältemittelkreises
der durch die Abluftleitung abgeführten Fahrgastraumluft
Wärmeenergie entzogen. Diese Wärmeenergie steht
dann in dem Kältemittelkreis für den effizienten
Heizbetrieb zur Verfügung.
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Die
für die erfindungsgemäße Klimatisierungseinrichtung
beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen
gelten auch für das erfindungsgemäße
Verfahren zum Betreiben einer solchen Klimatisierungseinrichtung.
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Die
vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen
sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder
in den Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen
sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch
in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne
den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.
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Diese
zeigt schematisch eine Klimatisierungseinrichtung für ein
Elektrofahrzeug.
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Eine
in der Figur gezeigte Klimatisierungseinrichtung 10 ist
beispielhaft in einem Elektrofahrzeug angeordnet. In alternativen
Ausführungsformen kann die Klimatisierungseinrichtung 10 in
einem Hybridfahrzeug Verwendung finden, in welchem zusätzlich
zu einem elektrischen Antriebsaggregat 12 ein Verbrennungsmotor
Energie zum Fortbewegen des Fahrzeugs bereitstellen kann. Ebenso
ist der Einsatz der Klimatisierungseinrichtung in einem Kraftwagen vorstellbar,
welcher lediglich über einen verbrennungsmotorischen Antrieb
verfügt.
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In
einem Kältemittelkreis 14 der Klimatisierungseinrichtung 10 dient
ein Verdichter 16 dem Umwälzen und Verdichten
eines Kältemittels. Der Verdichter 16 ist als
elektrisch angetriebener Kältemittelverdichter ausgebildet.
Bei Anordnung der Klimatisierungseinrichtung 10 in einem
Kraftwagen mit Verbrennungsmotor kann ergänzend oder alternativ
der Verbrennungsmotor durch mechanische Koppelung für das
Antreiben des Verdichters 16 sorgen. Stromabwärts
des Verdichters 16 ist in dem Kältemittelkreis 14 als
Wärmetauscher ein Gaskühler 18 angeordnet. Über
diesen Gaskühler 18 ist in den Kältemittelkreis 14 eingebrachte
Wärmeenergie in Zuluft 20 für einen Fahrgastraum 22 des
Kraftwagens einbringbar, wenn die Klimatisierungseinrichtung 10 als
Wärmepumpe betrieben wird. Der Kältemittelkreis 14 umfasst
des weiteren eine beispielsweise als Drosselventil 24 ausgebildete
Expansionseinrichtung, welche einem Verdampfer 26 des Kältemittelkreises 14 vorgeschaltet
ist.
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Der
Verdampfer 26 ist in einer Abluftleitung 28 angeordnet, über
welche Fahrgastraumluft aus dem Fahrgastraum 22 abführbar
ist. Im Wärmepumpenbetrieb der Klimatisierungseinrichtung 10 wird also
in der Abluft des Fahrgastraums 22 enthaltene Abwärme über
den Verdampfer 26 in das sich in dem Kältemittelkreis 14 befindende
Kältemittel eingebracht. Hierbei kann die aufgenommene
Wärmeenergie zu einer Erhöhung der Temperatur
des Kältemittels und/oder zu einem Phasenübergang
des Kältemittels führen. Wird das Kältemittel
verdampft, so wird die der Fahrgastraumluft entzogene Wärmeenergie
als latente Kondensationswärme in dem Kältemittel
gespeichert.
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Über
einen (optionalen) inneren Wärmetauscher 30 und über
den Verdichter 16 wird weitere Wärmeenergie in
das Kältemittel eingebracht. Diese Wärmeenergie
wird an dem Gaskühler 18 auf ein Kühlmittel übertragen,
welches in einem Kühlmittelkreis 32 strömt.
Der Kühlmittelkreis 32 dient zum Kühlen
des elektrischen Antriebsaggregats 12 und/oder einer Leistungselektronik 34 oder
dergleichen Energieumformers und/oder zum Kühlen einer Hochvoltbatterie 36.
Die Hochvoltbatterie 36 oder ein derartiger Energiespeicher
stellt für das elektrische Antriebsaggregat 12 unter
Zwischenschaltung der Leistungselektronik 34 elektrische
Energie bereit.
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Im
Wärmepumpenbetrieb der Klimatisierungseinrichtung 10 ist
ein im Kühlmittelkreis 32 stromabwärts
des elektrischen Antriebsaggregats 12 angeordnetes Ventil 38 so
geschaltet, dass das Kühlmittel nach der Aufnahme von Abwärme
der Elektroaggregate in den Gaskühler 18 eintritt
und von dort einem weiteren Wärmetauscher 40 zuströmt.
Dieser Wärmetauscher 40 sorgt für ein
Einbringen der Wärmeenergie in einen Heizungskreis 42 der
Klimatisierungseinrichtung 10, in welchen ein Heizungswärmetauscher 44 eingebunden
ist. Der Heizungswärmetauscher 44 des Heizkreises 42 ist
in einem Klimakasten 46 des Kraftwagens angeordnet. In
den Klimakasten 46 eintretende Frischluft 84 wird
im Heizbetrieb der Klimatisierungseinrichtung 10 also über diesen
Heizungswärmetauscher 44 erwärmt, um dann
als erwärmte Zuluft 20 in den Fahrgastraum 22 einzutreten.
Ergänzend kann, wie beispielhaft gezeigt, ein elektrischer
Zuheizer 48, etwa ein PTC-Element (PTC, Positive Temperature
Coefficient, positiver Temperaturkoeffizient) oder Kaltleiter, zum
Beheizen der Zuluft 20 in dem Klimakasten 46 angeordnet sein.
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Im
Heizbetrieb der Klimatisierungseinrichtung 10, in welchem
der Kältemittelkreis 14 als Wärmepumpe
arbeitet, kann der Verdampfer 26 zusätzlich die
Funktion erfüllen, die Zuluft 20 zu entfeuchten.
Die Abluftleitung 28 umfasst nämlich einen Umluftzweig 50, über
welchen mittels des Verdampfers 26 gekühlte Abluft
aus dem Fahrgastraum 22 wieder in den Klimakasten 46 einbringbar
ist. Der Verdampfer 26 entzieht also der Abluft des Fahrgastraums 22 Wärme
und trocknet die Umluft. Eine Dosiereinrichtung, etwa in Form einer
beispielhaft in der Figur gezeigten Klappe 52, ermöglicht
es hierbei, insbesondere stufenlos, einzustellen, welcher Anteil
der durch die Abluftleitung 28 strömenden Fahrgastraumluft über
den Umluftzweig 50 wieder in den Fahrgastraum 22 eintreten
soll.
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Soll
der Fahrgastraum 22 mit gekühlter Zuluft 20 beaufschlagt
werden, so kann die Klappe 52 sehr weitgehend, insbesondere
vollständig, geschlossen sein. So kann ein Umluftanteil
von bis zu 100% erreicht werden.
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In
diesem Kühlbetrieb der Klimatisierungseinrichtung 10 ist
das in dem Kühlmittelkreis 32 angeordnete Ventil 38 so
geschaltet, dass das Kühlmittel einen Kühler 54 durchströmt,
welcher, insbesondere unterstützt durch einen Lüfter 58,
mit Umgebungsluft 56 beaufschlagbar ist.
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Der
Kühler 54 kann auch dann zusätzlich zu den
Wärmetauschern 18, 40 in Betrieb genommen werden,
wenn im Heizbetrieb der Klimatisierungseinrichtung 10 nicht
viel Wärme auf die Zuluft 20 übertragen
werden kann oder zu übertragen werden braucht. In diesen
Fällen kann dann ein Ventil 60 geöffnet
und so der Kühler 54 in den von Kühlmittel durchströmten
Kühlmittelkreis 32 mit einbezogen werden. Es dienen
dann der von der Umgebungsluft 56 durchströmte
Kühler 54, der Gaskühler 18 und
der mit dem Heizungskreis 42 gekoppelte Wärmetauscher 40 dem
Abführen von Abwärme des elektrischen Antriebsaggregats 12 und
der Leistungselektronik 34.
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Im
Kühlbetrieb der Klimatisierungseinrichtung 10 kann
die Zuluft 20 mittels des Verdampfers 26 gekühlt
und/oder getrocknet und gegebenenfalls mittels des Heizungswärmetauschers 44 wieder
aufgeheizt werden. Wenn ein Wiederaufheizen der mittels des Verdampfers 26 gekühlten
Zuluft mittels des Heizungswärmetauschers 44 nicht
notwendig ist, ist das Ventil 38 des Kühlmittelkreises 32 geschlossen und
ein Ventil 62 in dem Kältemittelkreis 14 geöffnet. Dann
dient nicht mehr der Gaskühler 18 dem Kühlen des über
den Verdampfer 26, den inneren Wärmetauscher 30 und
den Verdichter 16 mit Wärmeenergie beaufschlagten
Kältemittels, sondern ein Kondensator 64, welcher
ebenso wie der Kühler 54 mit der Umgebungsluft 56 beaufschlagbar
ist. Auch hier kann der Lüfter 58 unterstützend
wirken. Je nach Schaltstellung des Ventils 62 kann also
der in einer Umgehungsleitung der Kältemittelkreises 14 angeordnete Kondensator 64 umgangen
werden.
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In
alternativen Ausführungsformen der Klimatisierungseinrichtung 10 kann
durch den Gaskühler 18 und/oder durch den weiteren
Wärmetauscher 40 direkt ein Heizungswärmetauscher
zum Beheizen der Zuluft 20 bereitgestellt sein. Dann kann
auf den Heizungskreis 42 mit dem in diesen eingebundenen Heizungswärmetauscher 44 verzichtet
werden.
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In
den Heizkreislauf 42, der eine Pumpe 66 aufweist,
ist ein (optionaler) Speicher 68 eingebunden. Überschüssige
Wärme des Kühlmittelkreises 32 kann so
in dem Speicher 68, welcher dann als Wärmespeicher
fungiert, zwischengespeichert werden. Dann braucht gegebenenfalls
der Kühler 54 nicht zum Abführen von
Abwärme des elektrischen Antriebsaggregats 12 und/oder
der Leistungselektronik 34 herangezogen zu werden.
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Der
Speicher 68 kann ergänzend oder alternativ auch
als Kältespeicher genutzt werden. Hierfür ist
in dem Kältemittelkreis 14 ein Ventil 70 vorgesehen,
mittels welchem zumindest ein Teilstrom des Kältemittels
dem dann als Kältespeicher fungierenden Speicher 68 zugeführt
werden kann. Zum Absenken der Temperatur ist hierfür dem
Speicher 68 eine Expansionseinrichtung, etwa ein Drosselventil 72, vorgeschaltet.
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Ergänzend
oder alternativ kann der Kältemittelstrom durch entsprechendes
Schalten eines weiteren Ventils 74 einem weiteren Wärmetauscher 76 zugeführt
werden, welchem ebenfalls eine Expansionseinrichtung 78 vorgeschaltet
ist. Dieser weitere Wärmetauscher 76 dient dem
Kühlen der Hochvoltbatterie 36 und er kann bei
Bedarf in Betrieb genommen werden. Ein solcher Wärmetauscher 76 wird auch
als Chiller (Kühler) bezeichnet.
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Ein
Luftmassenstrom der Zuluft 20 kann durch Einstellen der
Leistung eines in dem Klimakasten 46 angeordneten Lüfters 80 beeinflusst
werden. In analoger Weise sorgt eine in dem Kühlmittelkreis 32 angeordnete
Pumpe 82 für ein Einstellen eines Kühlmittelstroms
durch den Kühlmittelkreis 32.
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Wenn
im Heizbetrieb der Klimatisierungseinrichtung 10 eine Temperatur
der Abluft stromabwärts des Verdampfers 26 niedriger
ist, als eine Temperatur der Umgebungsluft 56, so kann
die Klappe 52 den Umluftzweig 50 vollständig
verschließen und so für ein Abblasen der Abluft
sorgen. In diesem Fall ist es nämlich energetisch günstiger,
Frischluft 84 zu beheizen anstelle von durch den Umluftzweig 50 rezirkulierter
Fahrgastraumluft.
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Es
kann jedoch auch im Heizbetrieb der Klimatisierungseinrichtung 10 ein
hoher Anteil an Umluft in den Fahrgastraum 22 eingebracht
und mittels des Verdampfers 26 getrocknet werden. Die am
Verdampfer 26 der Umluft und/oder Abluft entzogene Wärmeenergie
wird dann über den Heizungswärmetauscher 44 wieder
in die Zuluft 20 eingebracht, wobei der Heizungswärmetauscher 44 zumindest
einen Teil seiner Heizleistung über den Gaskühler 18 bezieht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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