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Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage zur Innenraumklimatisierung eines Kraftfahrzeuges und zur Kühlung oder Vorwärmung eines Antriebssystems und von Nebenaggregaten mittels eines Kühl- und eines Kältemittels, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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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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Die
DE 10 2009 048 674 A1 beschreibt eine Klimatisierungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Kältemittelkreis, welcher einen Verdampfer sowie wenigstens einen Wärmetauscher umfasst. Mittels des wenigstens einen Wärmetauschers ist in den Kältemittelkreis eingebrachte Wärmeenergie in die Zuluft für einen Fahrgastraum des Kraftfahrzeuges einbringbar. Des Weiteren umfasst die Klimatisierungseinrichtung eine Abluftleitung, über welche Fahrgastraumluft aus dem Fahrgastraum abführbar ist. Hierbei ist der Verdampfer des Kältemittelkreises zumindest bereichsweise in der Abluftleitung angeordnet. Dadurch ist Wärmeenergie der Abluft in einem Wärmepumpenbetrieb der Klimatisierungseinrichtung in die Zuluft einbringbar.
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In der
DE 10 2004 023 997 A1 wird eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug beschrieben, die einen Heizungswärmetauscher, einen Verdampfer und einen Abgaswärmetauscher in einem Kältemittelkreislauf umfasst. Im Heizbetrieb wird das im Abgaswärmetauscher aufgeheizte Kältemittel über den Heizungswärmetauscher und im Kühlbetrieb, nachdem es in einem Umgebungswärmetauscher abgekühlt wurde, über eine Expansionseinrichtung und einen Verdampfer geleitet.
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Die
DE 196 29 114 B4 beschreibt eine Vorrichtung zum Heizen und/oder Kühlen eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs, mit einem in einem Kühlmittelkreislauf angeordneten Wärmeübertrager zur Temperierung des dem Fahrgastraum zugeführten Luftstroms und mit einem einen Kältemittelkreislauf umfassenden Kältemodul mit einem Verdampfer und einem Kondensator, wobei das Kältemodul über den Verdampfer mit einem Kühlmittelkreislauf in Verbindung steht. Das Klimagerät weist zwei Wärmeübertrager auf, die jeweils mit dem Kühlmodul und dem Kältemodul in Verbindung bringbar sind.
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Nachteilig bei dem bekannten Stand der Technik ist, dass durch die Anordnung eines Wärmeübertragers zum Heizen des Fahrgastraumes und eines Kältemoduls zur Kühlung des Fahrgastraumes der Bauteilaufwand und der dafür benötigte Bauraum verhältnismäßig groß ausfallen. Ein weiterer Nachteil des Standes der Technik besteht darin, dass mit den Anlagen keine energieeffiziente Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums und keine effektive Kühlung oder Vorwärmung der Nebenaggregate durchgeführt werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Klimaanlage zur Innenraumklimatisierung eines Kraftfahrzeuges und zur Kühlung oder Vorwärmung eines Antriebssystems und von Nebenaggregaten mittels eines Kühl- und eines Kältemittels zu schaffen, mit der eine energieeffiziente Fahrzeug-Innenraumklimatisierung bei gleichzeitiger Kühlung oder Vorwärmung des Antriebssystems und der Nebenaggregate bei einer Reduzierung des benötigen Bauraumes und der benötigten Bauteile erfolgt.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß sind in einem Kältemittelkreislauf ein erster und ein zweiter als Wärmeaustauscher ausgebildeter Chiller angeordnet, die durch Schaltung von Ventilen wechselseitig jeweils als Kondensator und als Verdampfer betrieben werden. In dem ersten Chiller erfolgt ein Wärmeaustausch zwischen dem im Kältemittelkreislauf geförderten Kältemittel und einem in Kühlkomponentenkreislauf geförderten Kühlmittel. In dem Kühlkomponentenkreislauf ist ein Kühler des Antriebssystems und der Nebenaggregate angeordnet. In dem zweiten Chiller erfolgt ein Wärmeaustausch zwischen dem im Kältemittelkreislauf geförderten Kältemittel und einem im Kühlmittelkreislauf geförderten Kühlmittel. In dem Kühlmittelkreislauf ist ein Wärmetauscher zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraumes angeordnet.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass durch den wechselseitigen Betrieb der beiden als Wärmetauscher ausgebildeten Chiller zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraumes und zur Kühlung oder Vorwärmung eines Antriebssystems und der Nebenaggregate nur jeweils ein Wärmetauscher (Chiller) benötigt wird. Je nach Bedarf wird ein Chiller als Verdampfer zur Vorwärmung des in dem Kreislauf geförderten Kühlmittels und der andere Chiller als Kondensator zur Kühlung des im Kreislauf geförderten Kühlmittels oder umgekehrt betrieben. Durch eine jeweilige entsprechende Schaltung und Betrieb der beiden Chiller kann eine Fahrzeugkabinenerwärmung, eine Fahrzeugkabinenkühlung, eine Aggregatvorwärmung oder Kühlung und eine Wärmeabfuhr an die Umgebungsluft bei einer energieeffizienten Temperaturübertragung zwischen den Medien durchgeführt werden.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch den Betrieb des jeweiligen Chillers als Kondensator oder Verdampfer eine Bauteilreduzierung sowie eine Verringerung des benötigten Bauraums erzielt werden kann. Durch die Nutzung des Prinzips der Kältemittel-/Wasser-Wärmetauscher (Chiller) wird ein Flash-Fogging (plötzlicher Feuchtigkeits-Frontscheibenbeschlag) und das Vereisen des als Verdampfer genutzten Kondensators im Front-End beim Winter- bzw. Heizbetrieb vermieden.
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Weiterhin vorteilhaft ist, dass die erfindungsgemäße Klimaanlage in Fahrzeugen eingesetzt werden kann, die durch Verbrennungskraftmaschinen oder durch einen Hybridantrieb oder durch einen Elektroantrieb angetrieben werden. Im Falle der Verwendung in Elektrofahrzeugen, bietet dies sogar die Möglichkeit, die Elektrokomponenten dauerhaft auf sehr kühlem Niveau zu halten, was vorteilhaft in Hinblick auf Lebensdauer und Wirkungsgrad ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben, sie werden in der Beschreibung zusammen mit ihren Wirkungen erläutert.
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Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:
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1: eine schematische Darstellung eines Kreislaufschemas der erfindungsgemäßen Klimaanlage im Kältebetrieb bei Kühlung des Fahrzeuginnenraumes und
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2: eine schematische Darstellung eines Kreislaufschemas der erfindungsgemäßen Klimaanlage im Wärmepumpenbetrieb bei Heizung des Fahrzeuginnenraumes.
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In der 1 ist eine Schaltung der im Kühlbetrieb des Fahrzeuginnenraums betrieben Klimaanlage dargestellt. Die Klimaanlage besteht aus einem Kältemittelkreislauf 22, der durch ein an sich bekanntes Kältemittel durchströmt wird. Die Strömungsrichtung des Kältemittels in dem Kältemittelkreislauf 22 ist dabei durch die entsprechende Pfeilrichtung gekennzeichnet. Der Kältemittelkreislauf 22 verbindet einen ersten als Wärmetauscher ausgebildeten Chiller 1 mit einem zweiten ebenfalls als Wärmeaustauscher ausgebildeten Chiller 2. Als Chiller wird dabei ein Wärmetauscher bezeichnet, der von zwei Fluid durchströmten Kreisläufen durchströmt wird und in dem eine Temperaturübertragung von einem Kreislauf auf den anderen erfolgt.
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Der erste Chiller 1 ist neben dem Kältemittelkreislauf 22 mit einem von Kühlmittel durchströmten Kühlkomponentenkreislauf 14 verbunden. Die Flussrichtung des Kühlmittels, das vorzugsweise handelsübliches Kühlwasser ist, ist in dem Kühlkomponentenkreislauf 14 ebenfalls durch Pfeile gekennzeichnet. Der von einer Kühlwasserpumpe 20 (P2) betriebene Kühlkomponentenkreislauf 14 ist mit dem Chiller 1, einem Fahrzeugkühler 15 und mit den Nebenaggregaten 21 verbunden. Die Nebenaggregate 21 umfassen dabei beispielsweise ein Antriebssystem, eine Leistungselektronik LE, ein Ladegerät LG und ein DC/DC-Wandler D/C. Das Antriebsaggregat ist in dem Ausführungsbeispiel ein Elektromotor E-M. Als Antriebsaggregat kann aber ebenso eine Verbrennungskraftmaschine oder ein Hybridantrieb eingesetzt werden. In dem Kühlkomponentenkreislauf 14 sind zur Überwachung der Temperatur mehrere Temperatursensoren 19 angeordnet, die mit T1, T2 und T5 gekennzeichnet sind. Der in dem Kühlkomponentenkreislauf 14 angeordnete Fahrzeugkühler 15 ist mit einer Umgehungsleitung 26 versehen. Durch ein in dem Kühlkomponentenkreislauf 14 angeordnetes einstellbares Wegeventil 25 kann regelbar das Kühlmittel durch den Fahrzeugkühler 15 oder ganz oder teilweise über die Umgehungsleitung 26 geleitet werden.
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Der zweite Chiller 2 ist neben dem Kältemittelkreislauf 22 mit einem von Kühlmittel durchströmten Kühlmittelkreislauf 16 verbunden. Die Flussrichtung des Kühlmittels, das vorzugsweise ebenfalls handelsübliches Kühlwasser ist, ist in dem Kühlmittelkreislauf 16 ebenfalls durch Pfeile gekennzeichnet. Der von einer Kühlwasserpumpe 20 (P1) betriebene Kühlmittelkreislauf 16 ist mit dem Chiller 2 und mit einem Wärmetauscher 13 zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums verbunden. Durch den Wärmetauscher 13 wird der dem Fahrzeuginnenraum zugeführte Luftstrom erwärmt oder gekühlt. Zur Temperaturüberwachung sind in dem Kühlmittelkreislauf 16 ebenfalls Temperatursensoren 19 angeordnet, die mit T3 und T4 bezeichnet wurden.
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Die in den Chiller 1 mündende Zuführungsleitung und die aus dem Chiller 1 kommende Austrittsleitung des Kältemittelkreislaufes 22 ist mit einem gemeinsamen Expansionsventil 3 versehen, während die in den Chiller 2 mündende Zuführungsleitung und die aus dem Chiller 2 kommende Austrittsleitung des Kältemittelkreislaufes 22 mit einem gemeinsamen Expansionsventil 4 versehen ist.
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In einer dritten Teilleitung 27 des Kältemittelkreislaufes 22, die den Chiller 1 und den Chiller 2 verbindet, ist ein Kältemittelsammler 12 angeordnet. Die dritte Teilleitung 27 ist zur Überbrückung des Expansionsventils 3 mit einer Bypassleitung 17 und zur Überbrückung des Expansionsventils 4 mit einer Bypassleitung 18 versehen. In der Bypassleitung 17 ist ein Absperrventil 9 und in der Bypassleitung 18 ein Absperrventil 10 angeordnet, mit denen eine Steuerung des Kühlmittelflusses über die jeweiligen Bypassleitungen 17 und 18 vorgenommen wird.
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Weiterhin ist in dem Kältemittelkreislauf 22 ein Kompressor 11 zur Verdichtung und Förderung des in dem Kältemittelkreislauf 22 geführten Kältemittels angeordnet. Zur Richtungsänderung der Flussrichtung des Kältemittels in dem Kältemittelkreislauf 22 sind in dem Kältemittelkreislauf 22 ein Absperrventil 6 und ein Absperrventil 8 sowie eine erste Teilleitung 23 mit einem Absperrventil 7 und eine zweite Teilleitung 24 mit einem Absperrventil 5 angeordnet. Durch die Richtungsänderung der Flussrichtung des Kältemittels im Kältemittelkreislauf 22 wird erfindungsgemäß der Chiller 1 und der Chiller 2 wechselseitig als Kondensator und als Verdampfer betrieben. Über deren Anordnung und Funktion wird später genauer eingegangen werden.
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Im Weiteren wird die erfindungsgemäße Klimaanlage im Kältebetrieb zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums anhand der 1 beschrieben.
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Durch den Kompressor 11 wird das verdichtete und als Heißgas vorliegende Kältemittel über das geöffnete Absperrventil 8 des Kältemittelkreislaufes 22 und über das rückwärtig durchströmte Expansionsventil 3 dem als Wärmetauscher ausgebildeten ersten Chiller 1 zugeführt. In dem Chiller 1, der bei dem Kältebetrieb als Kondensator betrieben wird, erfolgt eine Wärmeübertragung von dem Heißgas des Kältemittelkreislaufes 22 an das den Kühlkomponentenkreislauf 14 durchströmende Kühlmittel. Dabei wird das Kühlmittel in dem Kühlkomponentenkreislauf 14 erhitzt und das Heißgas des Kältemittelkreislaufes 22 gekühlt, so dass ein verflüssigtes Kältemittel entsteht. Das erhitzte Kühlmittel des Kühlkomponentenkreislaufes 14 wird zur Kühlung über den Fahrzeugkühler 15 zugeleitet, über den die im Kühlmittel enthaltene Wärmeenergie an die Umgebung abgeführt wird. Danach wird das gekühlte Kühlmittel über Nebenaggregate 21 zu deren Kühlung zugeführt. Wenn die Nebenaggregate 21 durch das Kühlmittel des Kühlkomponentenkreislaufes 14 erwärmt werden sollen, wird der Kühlmittelstrom, oder ein Teil davon, unter Umgehung des Fahrzeugkühlers 15 über die Umgehungsleitung 26 geleitet. Die Steuerung des über den Fahrzeugkühler 15 und über die Umgehungsleitung 26 geführten Kühlmittelstromes erfolgt durch das Wegeventil 25. Nach Durchlaufen des Kühlmittels durch die Nebenaggregate 21 wird das Kühlmittel über den Kühlkomponentenkreislauf 14 wieder dem Chiller 1 zum Wärmeaustausch zugeführt.
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Nach dem als Kondensator betriebenen Chiller 1 wird das verflüssigte Kältemittel infolge des geöffneten Absperrventils 9 über die Bypassleitung 17 und den Kältemittelsammler 12 dem Expansionsventil 4 zugeführt und anschließend nach der Expansion des Kältemittels in dem als Verdampfer arbeitenden Chiller 2 verdampft. Durch den Expansionsvorgang wird im Chiller 2 dem Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufes 16 Wärme entzogen, wobei es gekühlt wird. Gleichzeitig wird durch den Wärmeentzug das den Chiller 2 verlassende Kältemittel des Kältemittelkreislaufes 22 erwärmt. Das abgekühlte Kühlmittel wird dem Wärmetauscher 13 zum Wärmeaustausch mit dem dem Fahrzeuginnenraum zugeführten Luftstrom zugeführt, wobei der Luftstrom zur Kabinenkühlung gekühlt wird. Nach Durchlaufen des Kühlmittels durch den Wärmetauscher 13 wird das Kühlmittel über den Kühlmittelkreislauf 16 wieder dem Chiller 2 zugeführt.
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Das im Chiller 2 verdampfte Kältemittel durchströmt danach rückwärtig das Expansionsventil 4 und gelangt über das geöffnete Absperrventil 6 zur Verdichtung wieder in den Kompressor 11. Die Absperrventile 7 und 5 sind geschlossen, so dass über die erste Teilleitung 23 und über die zweite Teilleitung 24 kein Kältemittel transportiert wird.
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In der 2 ist die Klimaanlage im Wärmebetrieb zur Erwärmung der dem Fahrzeuginnenraum zugeführten Luft dargestellt. Nach dem Verdichtungsprozess im Kompressor 11 wird das Heißgas über das in der ersten Teilleitung 23 geöffnete Absperrventil 7 und das rückwärtig durchströmte Expansionsventil 4 dem als Kondensator geschalteten Chiller 2 zugeführt. Dort erfolgt ein Wärmeaustausch zwischen dem Heißgas und dem im Kühlmittelkreislauf 16 befindlichen Kühlmittel. Die im Kondensationsprozess an das Wasser abgegebene Energie führt zu einer Vorlauftemperaturerwärmung des Wärmetauschers 13 im Kühlmittelkreislauf 16. Durch den Wärmetauscher 13 wird dabei die dem Fahrzeuginnenraum zugeführte Luft erwärmt. Nach dem als Kondensator arbeitenden Chiller 2 wird das verflüssigte Kältemittel über die Bypassleitung 18 mit dem geöffneten Absperrventil 10 und dem Kältemittelsammler 12 dem Expansionsventil 3 zugeführt und anschließend nach der Expansion des Kältemittels im Chiller 1 verdampft, so dass der Chiller 1 als Verdampfer betrieben wird. Durch den Expansionsvorgang wird dem Kühlkomponentenkreislauf 14, Wärme entzogen; er kühlt ab. Das verdampfte Kältemittel wird danach über das geöffnete Absperrventil 5 dem Kompressor 11 wieder saugseitig zugeführt und verdichtet, so dass dem Chiller 2 wieder ein Heißgas zugeführt wird.
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Das wechselseitige Betreiben der beiden Chiller als Kondensator und als Verdampfer führt zu einer Bauteilreduzierung und Verringerung des benötigten Bauraums. Während des Kältebetriebs zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums wird der Chiller 1 als Kondensator und der Chiller 2 als Verdampfer und während des Wärmebetriebes zur Erwärmung des Fahrzeuginnenraums wird der Chiller 1 als Verdampfer und der Chiller 2 als Kondensator betrieben.
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Eine Variante der erfindungsgemäßen Lösung sieht vor, den Kühlmittelkreislauf 16 und den Kühlkomponentenkreislauf 14 über eine Leitung miteinander zu verbinden, so dass die Temperaturen zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums und zur Temperierung der Nebenaggregate 21 gezielt beeinflusst werden können. Durch Anordnung eines regelbaren Ventils in der nicht dargestellten Verbindungsleitung zwischen dem Kühlmittelkreislauf 16 und dem Kühlkomponentenkreislauf 14 sind die beiden Kühlkreisläufe miteinander verbindbar und trennbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erster Chiller
- 2
- zweiter Chiller
- 3
- Expansionsventil
- 4
- Expansionsventil
- 5
- Absperrventil
- 6
- Absperrventil
- 7
- Absperrventil
- 8
- Absperrventil
- 9
- Absperrventil
- 10
- Absperrventil
- 11
- Kompressor
- 12
- Kältemittelsammler
- 13
- Wärmetauscher
- 14
- Kühlkomponentenkreislauf
- 15
- Fahrzeugkühler
- 16
- Kühlmittelkreislauf
- 17
- Bypassleitung
- 18
- Bypassleitung
- 19
- Temperatursensor
- 20
- Kühlwasserpumpe
- 21
- Nebenaggregate
- 22
- Kältemittelkreislauf
- 23
- erste Teilleitung
- 24
- zweite Teilleitung
- 25
- Wegeventil
- 26
- Umgehungsleitung
- 27
- dritte Teilleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10163607 A1 [0002]
- DE 102009048674 A1 [0003]
- DE 102004023997 A1 [0004]
- DE 19629114 B4 [0005]
