DE102010033518A1

DE102010033518A1 - Klimaanlage und Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage

Info

Publication number: DE102010033518A1
Application number: DE201010033518
Authority: DE
Inventors: Lothar SEYBOLD; Ioannis LAZARIDIS
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-08-05
Filing date: 2010-08-05
Publication date: 2012-02-09
Also published as: US20120031121A1; RU2011129846A; CN102425871A

Abstract

Bei einer Klimaanlage (1) mit einem in einem Kühlkreislauf (2) geführten Kältemittel umfasst der Kühlkreislauf (2) mindestens einen auf einer Niederdruckseite angeordneten Verdampfer (4), einen auf einer Hochdruckseite angeordneten Kondensator (6), einen zwischen Niederdruckseite und Hochdruckseite geschalteten Kompressor (5) sowie ein zwischen Hochdruckseite und Niederdruckseite geschaltetes thermostatisches Expansionsventil (9), wobei ferner ein innerer Wärmeübertrager (10) zur Übertragung von Wärme aus dem Kältemittel auf der Hochdruckseite auf Kältemittel auf der Niederdruckseite vorgesehen ist und wobei das thermostatische Expansionsventil (9) einen Kopf mit einer Steuerfüllung aufweist, wobei die Kennlinie der Steuerfüllung eine Steigung s mit 0,75 bar/10°C ≤ s ≤ 1,05 bar/10°C aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage, insbesondere für ein Fahrzeug. Sie betrifft weiter ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Klimaanlage.
Aus der DE 603 03 056 T2 ist eine Fahrzeugklimaanlage bekannt mit einem Kühlkreislauf, der einen Verdampfer zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums, einen Kompressor sowie einen Kondensator umfasst. Es sind ferner Expansionsventile zur Entspannung des Kältemittels vorgesehen.
Die in früheren Jahren in derartigen Klimaanlagen als Kältemittel eingesetzten FCKW sind wegen ihres Ozonabbaupotentials mittlerweile durch chlorfreie Kältemittel ersetzt worden. Allerdings sind diese alternativ eingesetzten Kältemittel teilweise im Hinblick auf ihre starke Wirkung als Treibhausgase problematisch, beispielsweise das verbreitet eingesetzte Kältemittel R134a.
Es wird daher weiterhin nach Alternativen mit geringem Treibhauspotential gesucht, wobei unter anderem das Kältemittel R1234yf wegen seiner dem R134a sehr ähnlichen thermodynamischen Eigenschaften und seines sehr niedrigen Treibhauspotentials als vielversprechend gilt.
Die heute bereits teilweise verwendeten und in Zukunft zu verwendenden umweltfreundlicheren Kältemittel sind jedoch häufig nicht so leistungsfähig wie die früher eingesetzten FCKW. Als eine Art Leistungsverstärker wird daher bereits teilweise ein innerer Wärmeübertrager (Wärmetauscher) eingesetzt, der Wärme von der Hochdruckseite auf die Niederdruckseite überträgt und dadurch die Temperatur des Kältemittels vor Eintritt in das Expansionsventil senkt.
Problematisch kann dabei sein, dass gleichzeitig eine Temperaturerhöhung auf der Niederdruckseite vor dem Kompressor in Kauf genommen werden muss. Im Hochlastbetrieb des Systems kann dieser zusätzliche Wärmeeintrag zu kritischen Betriebstemperaturen des Kompressors führen. Dies reduziert die Lebensdauer des Kompressors und gegebenenfalls weiterer betroffener Bauteile.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Klimaanlage bereitzustellen, die trotz des Einsatzes umweltfreundlicher Kältemittel leistungsstark ist und gleichzeitig eine hohe Lebensdauer aufweist.
Darüber hinaus ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Klimaanlage anzugeben.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Klimaanlage mit einem in einem Kühlkreislauf geführten Kältemittel bereitgestellt, wobei der Kühlkreislauf mindestens einen auf einer Niederdruckseite angeordneten Verdampfer, einen auf einer Hochdruckseite angeordneten Kondensator, einen zwischen Niederdruckseite und Hochdruckseite geschalteten Kompressor sowie ein zwischen Hochdruckseite und Niederdruckseite geschaltetes thermostatisches Expansionsventil umfasst. Ferner ist ein innerer Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärme aus dem Kältemittel auf der Hochdruckseite auf Kältemittel auf der Niederdruckseite vorgesehen. Das thermostatische Expansionsventil weist einen Kopf mit einer Steuerfüllung auf, wobei die Kennlinie der Steuerfüllung eine Steigung s mit 0,75 bar/10°C ≤ s ≤ 1,05 bar/10°C aufweist.
Dabei bezieht sich die angegebene Steigung der Kennlinie auf eine Näherungsgerade im typischen Arbeitsbereich des thermostatischen Expansionsventils im Bereich der statischen Überhitzung.
Thermostatische Expansionsventile werden in Klimaanlagen eingesetzt, um in an sich bekannter Weise die in den Verdampfer eintretende Menge an Kältemittel abhängig von der Kältemitteltemperatur im Kühlkreislauf nach dem Verdampfer zu regeln. Ein thermostatisches Expansionsventil weist einen Kopf mit einer Kammer auf, die mit einem als Steuerfüllung dienenden Fluid gefüllt ist. Die Kammer ist durch eine Membran begrenzt, die die Temperatur des hochdruckseitigen Kältemittels aufnimmt. An der Wirkfläche des Expansionsventils liegen einerseits der temperaturabhängige Druck der Steuerfüllung und andererseits der Hochdruck an.
Aus der daraus resultierenden Druckdifferenz ergibt sich eine Verstellkraft, die das Ventilelement bewegt und abhängig von den Drosseleigenschaften des Ventilsitzes einen Strömungsquerschnitt für zum Verdampfer strömendes Kältemittel freigibt.
Dabei wird die Ventilcharakteristik unter anderem von dem Ausdehnungsverhalten, d. h. der Dampfdruckkurve, der Steuerfüllung bestimmt. Herkömmlicherweise werden Steuerfüllungen verwendet, deren Kennlinie eine Steigung von 0,7 bar/10°C hat.
Die erfindungsgemäß bereitgestellte Klimaanlage arbeitet dagegen mit einer größeren Steigung der Kennlinie, so dass das thermostatische Expansionsventil empfindlicher auf Temperatursteigerungen auf der Niederdruckseite reagiert. Steigt die Temperatur auf der Niederdruckseite, wird damit ein größerer Strömungsquerschnitt im thermostatischen Expansionsventil geöffnet, so dass eine größere Menge Kältemittel zum Verdampfer strömt. Hierdurch wiederum wird bei gleichbleibender Last die Temperatur auf der Niederdruckseite abgesenkt.
Die Klimaanlage hat den Vorteil, dass das Kältemittel mit einer niedrigeren Temperatur in den Kompressor eintritt, was die Betriebstemperatur des Kompressors reduziert. Hierdurch wird die Belastung des Kompressors auch im Hochlastbetrieb gering gehalten und damit seine Lebensdauer erhöht.
Wie sich herausgestellt hat, eignet sich eine auf eine Steigung von 0,85 bar/10°C eingestellte Kennlinie sehr gut zur Entlastung des Kompressors, ohne dass dadurch Nachteile in Kauf genommen werden müssen. In einer Ausführungsform weist die Kennlinie der Steuerfüllung eine Steigung s mit 0,8 bar/10°C K ≤ s ≤ 1,0 bar/10°C, bevorzugt 0,8 bar/10°C ≤ s 0,9 bar/10°C auf.
In einer Ausführungsform weist der Kühlkreislauf zusätzlich einen zweiten auf der Niederdruckseite angeordneten Verdampfer auf, wobei der zweite Verdampfer zur Kühlung einer Batterie vorgesehen sein kann. Diese Ausführungsform kann beispielsweise bei Hybridfahrzeugen zum Einsatz kommen, bei denen ein starker Kühlbedarf der Batterie vorliegt. Der zweite Verdampfer kann auch zur zusätzlichen Kühlung der Fahrzeugkabine genutzt werden.
Dabei kann auch vor dem zweiten Verdampfer ein thermostatisches Expansionsventil angeordnet sein, wobei das thermostatische Expansionsventil einen Kopf mit einer Steuerfüllung aufweist, wobei die Kennlinie der Steuerfüllung eine Steigung s mit 0,75 bar/10°C ≤ s ≤ 1,05 bar/10°C, bevorzugt 0,8 bar/10°C ≤ s ≤ 1,0 bar/10°C, weiter bevorzugt 0,8 bar/10°C ≤ s ≤ 0,9 bar/10°C aufweist.
Dabei kann die Steigung der Kennlinie des zweiten thermostatischen Expansionsventils größer als die des ersten gewählt werden, um den Kühlkreislauf zu stabilisieren. Der Kühlkreislauf umfasst damit eins oder mehrere thermostatische Expansionsventile, wobei für die Steigung s jedes einzelnen thermostatischen Expansionsventils im Kühlkreislauf 0,75 bar/10°C ≤ s ≤ 1,05 bar/10°C gilt.
Als im Kühlkreislauf geführtes Kältemittel sind beispielsweise R134a oder R1234yf vorgesehen, wobei die Benennung der Kältemittel in üblicher Weise nach DIN 8960 erfolgt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug mit der beschriebenen Klimaanlage bereitgestellt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage bereitgestellt, wobei in einem Kühlkreislauf ein Kältemittel in einem Verdampfer unter Aufnahme von Umgebungswärme verdampft, anschließend mittels eines Kompressors komprimiert und in einem Kondensator kondensiert wird. Dabei wird dem kondensierten Kältemittel vor dem Verdampfen

– Wärme entzogen, wobei die entzogene Wärme zwischen dem Verdampfer und dem Kompressor in den Kühlkreislauf eingetragen wird, und
– anschließend wird das Kältemittel über ein thermostatisches Expansionsventil entspannt, wobei für den Kopf des thermostatischen Expansionsventils eine Steuerfüllung mit einer Kennlinie verwendet wird, die eine Steigung s mit 0,75 bar/10°C ≤ s ≤ 1,05 bar/10°C aufweist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt schematisch den Kühlkreislauf einer Klimaanlage gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 zeigt schematisch den Kühlkreislauf einer Klimaanlage gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung und
3 zeigt schematisch eine Kennlinie einer Steuerfüllung eines thermostatischen Expansionsventils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die Klimaanlage 1 gemäß der ersten Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, weist einen Kühlkreislauf 2 auf, der von einem Kältemittel in der durch den Pfeil 3 angedeuteten Strömungsrichtung durchströmt wird. Im Verdampfer 4 wird unter Aufnahme von Umgebungswärme aus einer Fahrzeugkabine Kältemittel verdampft und nachfolgend durch den Kompressor 5 komprimiert und im Kondensator 6 kondensiert.
Ein thermostatisches Expansionsventil 9 regelt die in den Verdampfer 4 einströmende Kältemittelmenge in Abhängigkeit von der im Kühlkreislauf 2 nach dem Verdampfer 4 vorliegenden Kältemitteltemperatur. Hierzu ist eine nicht im Detail gezeigte Steuerleitung 15 vorgesehen. Alternativ kann auch der Kühlkreislauf 2 selbst nach dem Verdampfer 4 durch das Expansionsventil 9 geführt sein.
Der Kühlkreislauf 2 weist weiter einen inneren Wärmeübertrager 10 auf, der beispielsweise als Rohr-in-Rohr-System ausgeführt sein kann und der Wärme von der Hochdruckseite 8 auf die Niederdruckseite 7 überträgt und dadurch die Temperatur des Kältemittels vor Eintritt in das Expansionsventil 9 senkt. Dadurch kann im Verdampfer 4 eine größere Wärmemenge aufgenommen werden, so dass die Leistung der Klimaanlage 1 verstärkt wird.
2 zeigt eine Klimaanlage 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die Klimaanlage 1 gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1 gezeigten dadurch, dass sie einen Abzweigkreislauf 11 mit einem weiteren Verdampfer 12 aufweist, der ebenfalls zur Kühlung der Fahrzeugkabine oder auch zur Kühlung einer Batterie oder anderer kühlbedürftiger Komponenten eingesetzt werden kann.
Auch der Eintritt von Kältemittel in den weiteren Verdampfer 12 ist mittels eines thermostatischen Expansionsventils geregelt, das als weiteres thermostatisches Expansionsventil 13 mit der Steuerleitung 16 in 2 gezeigt ist.
Gemäß der zweiten Ausführungsform wird die Steigung der Kennlinie des thermostatischen Expansionsventils 9 etwa 0,85 bar/10°C gewählt und die Steigung des weiteren thermostatischen Expansionsventils 13 etwa 1,05 bar/10°C. Auf diese Weise lässt sich sowohl eine Überhitzung des Kompressors 5 vermeiden als auch eine große Stabilität im Kühlkreislauf 2 erzielen.
Sowohl in der Klimaanlage 1 gemäß 1 als auch in der gemäß 2 wird eine Steuerfüllung im Ventilkopf der thermostatischen Expansionsventile 9, 13 eingesetzt, deren Kennlinie 14 derart gewählt ist, dass eine thermische Überlastung des Kompressors 5 auch im Hochlastbetrieb vermieden wird.
Dazu wird die Zusammensetzung der Steuerfüllung derart gewählt, dass, wie in 3 gezeigt, die Steigung der Kennlinie 14 beispielsweise 0,85 bar/10°C beträgt. Dabei kann sich die Steigung in einem Toleranzbereich von mindestens +/–0,05 bar/10°C bis zu beispielsweise +/–0,1 bar/10°C bewegen, ohne dass die Funktionsfähigkeit wesentlich beeinträchtigt wird.
Bezugszeichenliste

1: Klimaanlage
2: Kühlkreislauf
3: Pfeil
4: Verdampfer
5: Kompressor
6: Kondensator
7: Niederdruckseite
8: Hochdruckseite
9: thermostatisches Expansionsventil
10: innerer Wärmeübertrager
11: Abzweigkreislauf
12: weiterer Verdampfer
13: weiteres thermostatisches Expansionsventil
14: Kennlinie
15: Steuerleitung
16: Steuerleitung

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 60303056 T2 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 8960 [0021]

Claims

Klimaanlage (1) mit einem in einem Kühlkreislauf (2) geführten Kältemittel, wobei der Kühlkreislauf (2) mindestens einen auf einer Niederdruckseite angeordneten Verdampfer (4), einen auf einer Hochdruckseite angeordneten Kondensator (6), einen zwischen Niederdruckseite und Hochdruckseite geschalteten Kompressor (5) sowie ein zwischen Hochdruckseite und Niederdruckseite geschaltetes thermostatisches Expansionsventil (9) umfasst, wobei ferner ein innerer Wärmeübertrager (10) zur Übertragung von Wärme aus dem Kältemittel auf der Hochdruckseite auf Kältemittel auf der Niederdruckseite vorgesehen ist und wobei das thermostatische Expansionsventil (9) einen Kopf mit einer Steuerfüllung aufweist, wobei die Kennlinie der Steuerfüllung eine Steigung s mit 0,75 bar/10°C ≤ s ≤ 1,05 bar/10°C aufweist.
Klimaanlage (1) nach Anspruch 1, wobei die Kennlinie der Steuerfüllung eine Steigung s mit 0,8 bar/10°C ≤ s ≤ 1,0 bar/10°C aufweist.
Klimaanlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kennlinie der Steuerfüllung eine Steigung s mit 0,8 bar/10°C ≤ s ≤ 0,9 bar/10°C K aufweist.
Klimaanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Kühlkreislauf (2) zusätzlich einen zweiten auf der Niederdruckseite angeordneten Verdampfer (12) aufweist.
Klimaanlage (1) nach Anspruch 4, wobei auch vor dem zweiten Verdampfer (12) ein thermostatisches Expansionsventil (13) angeordnet ist, wobei das thermostatische Expansionsventil (13) einen Kopf mit einer Steuerfüllung aufweist, wobei die Kennlinie der Steuerfüllung eine Steigung s mit 0,75 bar/10°C ≤ s ≤ 1,05 bar/10°C, bevorzugt 0,9 bar/10°C ≤ s ≤ 1,05 bar/10°C, weiter bevorzugt 1,0 bar/10°C ≤ s ≤ 1,05 bar/10°C aufweist.
Klimaanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei als im Kühlkreislauf (2) geführtes Kältemittel R134a vorgesehen ist.
Klimaanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei als im Kühlkreislauf (2) geführtes Kältemittel R1234yf vorgesehen ist.
Fahrzeug mit einer Klimaanlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage (1), wobei in einem Kühlkreislauf (2) ein Kältemittel in einem Verdampfer (4) unter Aufnahme von Umgebungswärme verdampft, anschließend mittels eines Kompressors (5) komprimiert und in einem Kondensator (6) kondensiert wird, wobei dem kondensierten Kältemittel vor dem Verdampfen – Wärme entzogen wird, wobei die entzogene Wärme zwischen dem Verdampfer (4) und dem Kompressor (5) in den Kühlkreislauf (2) eingetragen wird und – anschließend das Kältemittel über ein thermostatisches Expansionsventil (9) entspannt wird, wobei für den Kopf des thermostatischen Expansionsventils (9) eine Steuerfüllung mit einer Kennlinie verwendet wird, die eine Steigung s mit 0,75 bar/10°C ≤ s ≤ 1,05 bar/10°C aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Kennlinie der Steuerfüllung eine Steigung s mit 0,8 bar/10°C ≤ s ≤ 1,0 bar/10°C aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Kennlinie der Steuerfüllung eine Steigung s mit 0,8 bar/10°C ≤ s ≤ 0,9 bar/10°C aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei der Kühlkreislauf (2) zusätzlich einen zweiten auf der Niederdruckseite angeordneten Verdampfer (12) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei auch vor dem zweiten Verdampfer (12) ein thermostatisches Expansionsventil (13) angeordnet ist, wobei das thermostatische Expansionsventil (13) einen Kopf mit einer Steuerfüllung aufweist, wobei die Kennlinie der Steuerfüllung eine Steigung s mit 0,75 bar/10°C ≤ s ≤ 1,05 bar/10°C, bevorzugt 0,9 bar/10°C ≤ s ≤ 1,05 bar/10°C, weiter bevorzugt 1,0 bar/10°C ≤ s ≤ 1,05 bar/10°C aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei als im Kühlkreislauf (2) geführtes Kältemittel R134a verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei als im Kühlkreislauf (2) geführtes Kältemittel R1234yf verwendet wird.