DE102011053256A1

DE102011053256A1 - Kältekreislauf zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102011053256A1
Application number: DE102011053256A
Authority: DE
Inventors: Robert Fleischhacker; Bastian Freese; Thomas Tscheppe
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2011-09-05
Filing date: 2011-09-05
Publication date: 2013-03-07
Also published as: FR2979695A1; FR2979695B1; US20130055752A1; KR20130026391A; JP5667132B2; CN106322858A; CN102980334A; US20160195319A1; JP2013052862A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kältekreislauf zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug mit einem Kältemittelverdichter (8), der ausgangsseitig mit einer Druckleitung (4) und eingangsseitig mit einer Saugleitung (6) verbunden ist, mit mindestens einem Kondensator (10), mit mindestens einem geregelten Expansionsventil (14), mit mindestens einem Verdampfer (16) und mit mindestens einem inneren Wärmetauscher (12), wobei das geregelte Expansionsventil (14) als Regelgröße eine Temperatur tE in einem Erfassungsbereich (20) des Saugleitung (6) aufweist, wobei der Erfassungsbereich (20) für das geregelte Expansionsventil (14) am Ausgang des inneren Wärmeaustausches (12) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kältekreislauf zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug mit einem Kältemittelverdichter, der ausgangsseitig mit einer Druckleitung und eingangsseitig mit einer Saugleitung verbunden ist, mit mindestens einem Kondensator, mit mindestens einem geregelten Expansionsventil, mit mindestens einem Verdampfer und mit mindestens einem inneren Wärmetauscher, wobei das geregelte Expansionsventil als Regelgröße eine Temperatur t_E in einem Erfassungsbereich der Saugleitung aufweist.
Derartige Kältekreisläufe sind hinlänglich bekannt. Im einfachsten Aufbau eines derartigen Kältekreislaufes verläuft die Druckleitung vom Ausgang des Verdichters durch den Kondensator bis zum Eingang des Expansionsventils. Im Expansionsventil wird der Druck herabgesenkt, so dass am Ausgang des Expansionsventils sich die Saugleitung anschließt, die durch den Verdampfer führt und am Eingang des Verdichters endet. Der Verdichter ändert den Zustand des Kältemittels hinsichtlich Druck und Temperatur. Hierbei ist die Temperatur am Verdichteraustritt höher als die Verflüssigungstemperatur im Kondensator, da das dampfförmige Kältemittel stark überhitzt ist. Am Kondensatoreintritt befindet sich das Kältemittel immer noch im Zustand einer starken Überhitzung. Vom Kondensator wird Wärme an die Umgebung abgegeben, so dass sich am Austritt des Kondensators ein flüssiger Zustand des Kältemittels einstellt, Das Kältemittel hat eine bestimmte Verflüssigungstemperatur und einen bestimmten Verflüssigungsdruck, die als gesättigte Temperatur und gesättigter Druck bezeichnet werden. Am Kondensatoraustritt ist die Flüssigkeit unterkühlt, das heißt, dass sie auf eine niedrigere Temperatur abgekühlt ist als die Sättigungstemperatur. Im Expansionsventil findet eine weitere Änderung des Zustandes des Kältemittels statt. Aufgrund der hier vorgenommenen Drucksenkung fängt das Kältemittel an zu sieden. Am Verdampfereintritt liegt nun ein Mischzustand von flüssigem und dampfförmigem Kältemittel vor. Im Verdampfer nimmt nun das Kältemittel Wärme auf, so dass es am Verdampferaustritt im dampfförmigen Zustand vorliegt und auf diese Weise in der Saugleitung vom Verdichter angesaugt wird. Um eine Beschädigung des Verdichters zu vermeiden, muss das Kältemittel am Verdampferausgang in einem überhitzten, gasförmigen Zustand vorliegen. Eine Maßnahme, um sicherzustellen, dass das Kältemittel in überhitztem Zustand am Ausgang des Verdampfers vorliegt, betrifft die Ausführung des Expansionsventils als geregeltes Expansionsventil. Hierbei weist das Expansionsventil als Regelgröße die Temperatur t_E am Ausgang des Verdampfers auf. Befindet sich das Kältemittel dann in einem weit überhitzten Zustand, also mit einer hohen Temperatur t_E wird zu wenig Kältemittel in den Verdampfer eingespritzt und der Massedurchfluss des Kältemittels kann erhöht werden. Im umgekehrten Fall verkleinert sich die Ventilöffnung bei fallender Fühlertemperatur im Bezug auf die Temperatur im überhitzten Zustand am Verdampferausgang. Eine Maßnahme zur Wirkungsgradverbesserung bei einem derartigen Kältekreislauf betrifft das Vorsehen eines inneren Wärmetauschers in der Druck- und Saugleitung. Durch diesen inneren Wärmetauscher wird das unter Hochdruck stehende gekühlte Kältemittel zum Expansionsventil und das überhitzte entspannte Kältemittel zum Verdichter geleitet. Hierdurch wird das zu verflüssigende Kältemittel weiter unterkühlt, mit der Folge, dass der Flüssigkeitsanteil des Kältemittels nach der Expansion steigt und somit mehr flüssiges Kältemittel zur Verdampfung zur Verfügung steht. Der innere Wärmetauscher erhöht dadurch die Kälteleistung und auch den Wirkungsgrad des Kältekreislaufs.
Eine Verbesserung des Wirkungsgrades kann dazu führen, dass die Leistungsaufnahme des Verdichters verringert wird. Dies hat wiederum zur Folge, dass eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionswerte erreicht werden können. Evtl. kann durch die verminderte Leistungsanforderung ein kleinerer Verdichter eingesetzt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Kältekreislauf zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug zu schaffen, der eine weitere Wirkungsgradverbesserung vorsieht.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Erfassungsbereich für das geregelte Expansionsventil am saugseitigen Ausgang des inneren Wärmetauschers angeordnet ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass am Verdichtereingang lediglich gasförmiges Kältemittel vorliegt. Darüber hinaus kann am Verdampferausgang das Kältemittel dagegen noch im mischförmigen / dampfförmigen Zustand vorliegen. Erst nach Durchlauf des inneren Wärmetauschers liegt das Kältemittel im gasförmigen Zustand vor. Auf diese Weise kann das Kältemittel weiter unterkühlt werden, wodurch die Wärmeabgabe im Verdampfer verbessert werden kann, was sich wiederum positiv auf den Wirkungsgrad auswirkt. Darüber hinaus wird durch den erfindungsgemäßen Kältekreislauf gewährleistet, dass die Kühlleistung des Kältemittels homogen über den gesamten Verdampfer verteilt ist, da das Kältemittel im gesamten Verdampferbereich in der Nassdampfphase vorliegt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das geregelte Expansionsventil als thermostatisches Expansionsventil ausgeführt, das über eine Steuerleitung, die Teil der Saugleitung ist, mit dem Ausgang des inneren Wärmetauschers verbunden ist.
In einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform ist das geregelte Expansionsventil als thermostatisches Expansionsventil ausgeführt, das eine Fühleranordnung aufweist, dessen Fühler im Erfassungsbereich angeordnet ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, hierin zeigen:
1 einen schematischen erfindungsgemäßen Kältemittelkreislauf, und
2 ein vereinfachtes Druck-Enthalpie-Diagramm eines Kältekreislaufes gemäß 1.
1 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Kältekreislauf und wird nun näher unter Bezugnahme auf das Druck-Enthalpie-Diagramm in 2 näher erläutert. Der Kältekreislauf weist eine Druckleitung 4 und eine Saugleitung 6 auf. Die Druckleitung 4 beginnt am Ausgang eines Verdichters 8. Der Verdichter 8 verdichtet das Kältemittel auf einen Verflüssigungsdruck P_V, was durch eine Zustandsänderung A in 2 dargestellt ist. Das Kältemittel wird mit dem Verflüssigungsdruck P_V zu einem Kondensator 10 geführt, in dem das Kältemittel Wärme abgibt, so dass das Kältemittel am Ausgang des Kondensators 10 verflüssigt ist und eine Verflüssigungstemperatur t_V aufweist. Diese Zustandsänderung ist in 2 mit B gekennzeichnet.
Vom Kondensator 10 wird das Kältemittel zu einem inneren Wärmetauscher 12 geführt, in dem das Kältemittel in der Druckleitung 4 Wärme an das Kältemittel in der Saugleitung 6 abgibt, was durch die Zustandsänderung C im Druck-Enthalpie-Diagramm gekennzeichnet ist. Vom inneren Wärmetauscher 12 wird das Kältemittel mit dem Druck P_V zum geregelten Expansionsventil 14 geführt. Die Regelung des Expansionsventils 14 wird weiter unten nach Beschreibung des vollständigen Kältekreislaufes näher verdeutlicht.
Im Expansionsventil 14 ändert sich der Zustand des Kältemittels dahingehend, dass der Druck auf P₀ herabgesenkt wird, wobei die Temperatur sich auf eine Temperatur t₀ verringert. Das Kältemittel fängt nun an zu sieden und befindet sich nun im so genannten Nassdampfgebiet, was durch die Zustandsänderung D in 2 dargestellt ist.
Am Ausgang des Expansionsventils 14 beginnt nun die Saugleitung 6, in der Kältemittel zum Verdampfer 16 geführt wird, in dem das Kältemittel weiter verdampft und Wärme aufnimmt. Dies geschieht im Gegensatz zum Stand der Technik bei einer konstanten Temperatur t₀ und einem konstanten Druck P₀. Am Ausgang 17 des Verdampfers 16 befindet sich das Kältemittel immer noch im Nassdampfgebiet und nicht, wie beim Stand der Technik üblich, im überhitzten Zustand, in dem die Temperatur bereits erhöht wäre. Der Zustand der Wärmeaufnahme im Verdampfer ist durch E in 2 dargestellt. Das Kältemittel durchläuft nun den inneren Wärmetauscher 12, wobei es Wärme des Kältemittels in der Druckleitung 4 aufnimmt und damit überhitzt wird, was durch die Zustandsänderung F in 2 dargestellt ist. Das Kältemittel wird nun über die Saugleitung 6 durch das Expansionsventil 14 zum Eingang des Verdichters 8 geführt, womit der Kältekreislauf 2 abgeschlossen ist.
Der Teil der Saugleitung 6, der vom Ausgang des inneren Wärmetauschers 12 zum Expansionsventil 14 führt, kann im vorliegenden Fall auch als Steuerleitung 18 für das geregelte Expansionsventil 14 bezeichnet werden. Das an sich bekannte Expansionsventil 14 ist dabei so aufgebaut, dass es bei einer Temperatur t_E = t₀ + t_X geöffnet ist, wobei die Öffnung und damit der Massendurchsatz des Kältemittels mit größer werdendem t_X ebenfalls steigt.
Natürlich ist es auch möglich, die Saugleitung 6 direkt vom inneren Wärmetauscher 12 zum Verdichter 8 zu führen, wobei eine geeignete Fühleranordnung am Ausgang des inneren Wärmetauschers 12 vorgesehen ist, die insbesondere die Temperatur t_E am Ausgang des Wärmetauschers auf geeignete Weise zum geregelten Expansionsventil 14 überträgt.

Claims

Kältekreislauf zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug mit einem Kältemittelverdichter (8), der ausgangsseitig mit einer Druckleitung (4) und eingangsseitig mit einer Saugleitung (6) verbunden ist, mit mindestens einem Kondensator (10), mit mindestens einem geregelten Expansionsventil (14), mit mindestens einem Verdampfer (16) und mit mindestens einem inneren Wärmetauscher (12), wobei das geregelte Expansionsventil (14) als Regelgröße eine Temperatur t_E in einem Erfassungsbereich (20) des Saugleitung (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Erfassungsbereich (20) für das geregelte Expansionsventil (14) am Ausgang des inneren Wärmeaustausches (12) angeordnet ist.
Kältekreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das geregelte Expansionsventil (12) als thermostatisches Expansionsventil ausgeführt ist, das über eine Steuerleitung (18), die Teil der Saugleitung (6) ist, mit dem Ausgang des inneren Wärmetauschers (12) verbunden ist.
Kältekreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das geregelte Expansionsventil (12) als thermostatisches Expansionsventil ausgeführt ist, das eine Fühleranordnung aufweist, dessen Fühler im Erfassungsbereich (20) angeordnet ist.