DE102011090195A1

DE102011090195A1 - Vorrichtung zur Temperierung eines Fahrzeuginnenraumes

Info

Publication number: DE102011090195A1
Application number: DE102011090195A
Authority: DE
Inventors: Michael Kohl; Uwe Förster
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2013-07-04

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Temperierung eines Fahrzeuginnenraumes. Die Vorrichtung weist eine Temperiereinheit (310) auf, die einen Wärmeübertrager (312) mit einem Kältemitteleingang zur Aufnahme von Kältemittel von einem Kältemittelkreis und einem Kältemittelausgang zur Abgabe von Kältemittel an den Kältemittelkreis, einen elektrischen Heizer (314), einen Fluideingang zur Aufnahme von Temperierfluid von einem Temperierkreis, einen Fluidausgang zur Abgabe von Temperierfluid an den Temperierkreis und Führungsmittel (320) aufweist. Dabei sind die Führungsmittel (320) ausgebildet, um das Temperierfluid von dem Fluideingang zu dem Fluidausgang zu führen. Dabei sind die Führungsmittel (320) thermisch mit dem Wärmeübertrager (312) und dem elektrischen Heizer (314) koppelbar oder gekoppelt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Temperierung eines Fahrzeuginnenraumes.
Verbrauchsoptimierte Fahrzeuge erzeugen immer weniger Abwärme, die für die Aufwärmung des Innenraumes zur Verfügung steht. Vor allem in der Startphase, und insbesondere bei geringen Außentemperaturen, ist es notwendig zuzuheizen. In Fahrzeugen, bei denen nicht genügend warmes Wasser aus dem Verbrennungsmotor zur Erwärmung der Fahrzeugkabine Zur Verfügung steht, ist ein an die Anforderungen angepasstes Heizungskonzept vonnöten.
Die DE 10 2004 003 788 A1 betrifft eine Klimaanlage, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens einem als Verdampfer dienenden Wärmetauscher und einem als Kondensator dienenden Wärmetauscher, wobei mindestens zwei Wärmetauscher als ein einziger kombinierter Wärmetauscher ausgebildet sind.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zur Temperierung eines Fahrzeuginnenraumes zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Verrichtung zur Temperierung eines Fahrzeuginnenraumes gemäß dem Hauptanspruch.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung insbesondere für ein Kraftfahrzeug, zur Temperierung eines Fahrzeuginnenraumes, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist:
eine Temperiereinheit, die einen Wärmeübertrager mit einem Kältemitteleingang zur Aufnahme von Kältemittel von einem Kältemittelkreis und einem Kältemittelausgang zur Abgabe von Kältemittel an den Kältemittelkreis, einen elektrischen Heizer, einen Fluideingang zur Aufnahme von Temperierfluid von einem Temperierkreis, einen Fluidausgang zur Abgabe von Temperierfluid an den Temperierkreis und Führungsmittel aufweist, wobei die Führungsmittel ausgebildet sind, um das Temperierfluid von dem Fluideingang zu dem Fluidausgang zu führen, wobei die Führungsmittel thermisch mit dem Wärmeübertrager und dem elektrischen Heizer koppelbar oder gekoppelt sind.
Bei dem Fahrzeug kann es sich um ein Kraftfahrzeug handeln, beispielsweise ein straßengebundenes Kraftfahrzeug, insbesondere einen Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, ein Fahrzeug zum Personentransport oder ein sonstiges Nutzfahrzeug. Bei dem Fahrzeuginnenraum kann es sich um eine Fahrzeugkabine, einen Passagierraum oder dergleichen handeln. Bei der Temperiereinheit kann es sich um einen Kombiheizer, ein kombiniertes Heizgerät oder dergleichen handeln. Die Temperiereinheit kann ein Gehäuse aufweisen, innerhalb dessen Komponenten der Temperiereinheit geschützt und beispielsweise abgedichtet anordenbar oder angeordnet sind. Der Wärmeübertrager kann eine Wärmepumpe repräsentieren. Bei dem Kältemittelkreis kann es sich somit um einen Wärmepumpenkreislauf handeln. Der Kältemittelkreis kann zumindest einen Teil eines Kältekreislaufs eines Systems zur Fahrzeugklimatisierung repräsentieren oder mit demselben gekoppelt sein. Der elektrische Heizer kann zumindest ein PTC-Heizelement, zumindest einen Glühstift, zumindest ein Dickschichtheizelement, Induktionselement oder dergleichen aufweisen. Bei dem Temperierfluid kann es sich um ein geeignetes Kühlmittel handeln, beispielsweise Wasser. Der Temperierkreis kann somit einen Kühlmittelkreislauf bzw. Wasserkreislauf repräsentieren. Die Führungsmittel können zumindest ein Rohr oder eine sonstige Fluidleitung aufweisen. Die Führungsmittel können sich von dem von dem Fluideingang zu dem Fluidausgang erstrecken. Die Führungsmittel können sich zwischen dem Wärmeübertrager und dem elektrische Heizer erstrecken.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung weist eine Vorrichtung zur Temperierung eines Fahrzeuginnenraumes eine Kombination bzw. Integration einer Wärmepumpe mit einem elektrischen Heizer als Temperiereinheit auf. Hierbei sind der elektrische Heizer und die Wärmepumpe in einem Heizgerät kombiniert, sodass beispielsweise, je nach Randbedingungen, eine Heizeinrichtung oder die wirkungsgradgünstigste Heizeinrichtung oder beide Heizeinrichtungen eingesetzt werden kann. In der Temperiereinheit bzw. dem kombinierten Heizgerät oder Kombiheizer ist ein elektrischer Heizer mit einem Wärmepumpenheizer kombiniert oder kombinierbar. Insbesondere kann die von den beiden Heizeinrichtungen erzeugte Wärme an einen Temperierkreis abgegeben. Der Kombiheizer kann demnach beispielsweise mindestens jeweils drei verschiedene Energieeintrittsstellen aufweisen, je eine Temperierfluid führende bzw. Kühlmittel führende, eine elektrische und eine Kältemittel führende. Zur Temperierung können beispielsweise entweder der Wärmeübertrager oder der elektrische Heizer oder beide anteilig und z. B. zeitgleich oder zeitlich überlappend eingesetzt werden. Ferner kann beispielsweise ein separater Kühlmittelkreislauf bzw. Wasserkreislauf als der Temperierkreis für den Wärmetransport zur Erwärmung des Fahrzeuginnenraumes über einen im Klimagerät befindlichen wasserseitigen Heizkörper ausgebildet sein.
Vorteilhafterweise ermöglicht die Integration einer kältemittelbetriebenen Wärmepumpe und eines elektrischen Heizers ein einem Heizgerät bzw. einer Temperiereinheit eine energieeffiziente Nutzung der Antriebsbatterie zum Heizen des Innenraumes, wobei die Heizung in einem sehr breiten Bereich von Außentemperaturen funktioniert und sicher regelbar ist. Zudem ist eine einfache Kapselung des Kombiheizgerätes möglich, da der separate Heizkreislauf bzw. Temperierkreis eine mögliche Hochspannung vom Fahrzeuginnenraum trennt und sich der Wärmepumpenheizer sich außerhalb des Klimagerätes befindet, also eine Entkopplung zum Kältekreislauf gegeben ist. Dies führt auch zu einer vorteilhaften Reduktion des Kältemittelvolumens und somit zu einer Erhöhung der Fahrzeugsicherheit, insbesondere im Fahrgastinnenraum, durch Vermeidung hochdruckführender Teile im Klimagerät sowie eine vereinfachte Einhaltbarkeit von zulässigen Konzentrationen brennbarer, gesundheitsgefährdender oder gesundheitsschädlicher Kältemittel im Fahrgastinnenraum. Auch können wahrnehmbare Akustikprobleme aufgrund der Heizung im Fahrzeuginnenraum vermieden werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Wärmeübertrager und zusätzlich oder alternativ der elektrische Heizer der Temperiereinheit ausgebildet sein, um bei Betrieb der Verrichtung thermische Energie auf in den Führungsmitteln führbares Temperierfluid zu übertragen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass, je nach Randbedingungen, die wirkungsgradgünstigste der beiden Heizeinrichtungen eingesetzt werden kann, wobei zur Wärmeerzeugung beispielsweise entweder der Wärmepumpenheizer oder der elektrische Heizer oder beide anteilig und z. B. zeitgleich oder zeitlich überlappend eingesetzt werden können. Somit kann der Fahrzeuginnenraum wirksam temperiert werden.
Dabei können der Fluidausgang und der Fluideingang mittels des Temperierkreises miteinander fluidisch verbindbar oder verbunden sein. Der Temperierkreis kann einen Kühlmittelkreislauf bzw. Wasserkreislauf repräsentieren. Der Temperierkreis kann ausgebildet sein, um eine Umwälzung des Temperierfluids zu ermöglichen. Dazu kann der Temperierkreis weitere Führungsmittel, z. B. Rohrleitungen, zum Führen des Temperierfluids aufweisen. Bei dem Temperierfluid kann es sich dabei um ein geeignetes Kühlmittel handeln, beispielsweise Wasser. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass in dem Temperierkreis die thermische Energie des Wärmeübertragers und/oder des elektrischen Heizers wirksam zur Temperierung des Fahrzeuginnenraumes geführt werden kann.
Auch kann ein Heizkörper oder Kühlkörper zur Temperierung des Fahrzeuginnenraumes vorgesehen sein, wobei der Heizkörper oder Kühlkörper in dem Temperierkreis zwischen dem Fluidausgang und dem Fluideingang anordenbar oder angeordnet sein kann. Dabei kann der Heizkörper oder Kühlkörper auch in einem Klimagerät des Fahrzeugs angeordnet sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass der Fahrzeuginnenraum effektiv temperiert werden kann.
Ferner kann eine Pumpe zur Umwälzung des Temperierfluids in dem Temperierkreis vorgesehen sein, wobei die Pumpe in dem Temperierkreis zwischen dem Fluidausgang und dem Fluideingang anordenbar oder angeordnet sein kann. Bei der Pumpe kann es sich auch um einen Verdichter oder dergleichen handeln. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Umwälzung des Temperierfluids in dem Temperierkreis ermöglicht und/oder verbessert wird.
Zudem können der Kältemittelausgang und der Kältemittelausgang des Wärmeübertragers mittels des Kältemittelkreises miteinander fluidisch verbindbar oder verbunden sein. Auf diese Weise kann der Wärmeübertrager vorteilhaft betrieben werden, um eine Temperierung des Fahrzeuginnenraumes zu bewirken.
Gemäß einer Ausführungsform können in dem Kältemittelkreis von dem Kältemittelausgang zu dem Kältemittelausgang des Wärmeübertragers ein Expansionselement, ein äußerer Wärmeübertrager, ein Akkumulator und elf Verdichter angeordnet sein. Mittels Anbindung an einen solchen Kältemittelkreis kann der Wärmeübertrager vorteilhaft betrieben werden, um eine Temperierung des Fahrzeuginnenraumes zu bewirken.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann in dem Kältemittelkreis zumindest ein umschaltbares Mehrwegeventil angeordnet sein, das ausgebildet ist, um einen weiteren Kältemittelkreis zu öffnen oder zu schließen. Dabei kann der weitere Kältemittelkreis den äußeren Wärmeübertrager, ein weiteres Expansionselement, einen weiteren Wärmeübertrager, den Akkumulator und den Verdichter aufweisen. Ferner kann der weitere Kältemittelkreis ein weiteres umschaltbares Mehrwegeventil, zumindest ein Verzweigungselement zu dem Kältemittelkreis sowie Druck-, Massenstrom- und/oder Temperatursensorik aufweisen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass der Wärmeübertrager beispielsweise an einen Kältemittelkreislauf eines Klimagerätes angebunden werden kann. Somit sind eine Bauraumeinsparung und/oder eine Effizienzsteigerung möglich.
Auch kann der weitere Wärmeübertrager in der Temperiereinheit angeordnet sein. Dabei kann der weitere Wärmeübertrager thermisch mit dem weiteren Kältemittelkreis koppelbar oder gekoppelt sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass Bauraum eingespart werden kann und eine thermische Kopplung der Wärmepumpe mit dem Verdampfer eine Temperierleistung der Temperiereinheit verbessern kann.
Alternativ kann der weitere Wärmeübertrager mit dem Wärmeübertrager der Temperiereinheit als ein kombinierter Wärmeübertrager ausgeformt sein. Dabei kann der weitere Wärmeübertrager thermisch mit dem weiteren Kältemittelkreis koppelbar oder gekoppelt sein. Der kombinierte Wärmeübertrager kann dabei zwei funktional getrennte, einzelne Wärmeübertrager aufweisen, z. B. die Wärmepumpe und einen Verdampfer eines Klimagerätes. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass weiterer Bauraum eingespart werden kann und eine thermische Kopplung der Wärmepumpe mit dem Verdampfer eine Temperierleistung der Temperiereinheit verbessern kann.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Diagramm einer erforderlichen Temperierleistung über der Temperatur;
2 ein Diagramm einer Häufigkeit über der Lufttemperatur; und
3 bis 5 Darstellungen von Vorrichtungen zur Temperierung eines Fahrzeuginnenraumes, gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Zeichnungen dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird.
Die 1 bis 5 zeigen einige prinzipielle Beispiele, ohne andere Ausführungsbeispiele auszuschließen.
1 zeigt ein Diagramm einer erforderlichen Temperierleistung bzw. Heizleistung oder Kühlleistung in Watt über der Außentemperatur in Grad Celsius. Die Temperierleistung kann sich auf eine in einer der 3 bis 5 beschriebene Vorrichtung zur Temperierung eines Fahrzeuginnenraumes gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beziehen. Ein Fahrzeug benötigt zur Klimatisierung, d. h. zum Heizen und/oder Kühlen, einen Energieaufwand. Dieser ist beispielhaft in 1 dargestellt. Haupteinflussfaktor ist die Außentemperatur. Weitere wichtige Rollen spielen beispielsweise Sonneneinstrahlung, Feuchten, Fahrzeuggröße, Betriebsstrategie und das gewählte Komfortlevel. In 1 ist die Außentemperatur in einem Bereich von –30°C bis 40°C an der Abszissenachse aufgetragen und ist die Temperierleistung in einem Bereich von –7000 W bis 4000 W an der Ordinatenachse aufgetragen. Eine bei einer Temperierleistung von 0 parallel zur Abszissenachse eingezeichnete Grenzlinie repräsentiert eine Unterscheidung zwischen Heizleistung im negativen Wertebereich und einer Kühlleistung im positiven Wertebereich. Diese Unterscheidung ist auch durch zwei sich entgegengesetzt von der Grenzlinie erstreckende Richtungspfeile dargestellt rechts in 1 dargestellt. Gezeigt sind eine Leistungskurve 101, welche die Temperierleistung in Abhängigkeit von der Außentemperatur darstellt, und ein erster Bereich 111, ein zweiter Bereich 112 sowie ein dritter Bereich 113. Die Bereiche 111 bis 113 sind durch die Grenzlinie und die Leistungskurve 101 im negativen Leistungsbereich begrenzt.
Dabei erstreckt sich der erste Bereich 111 von einer Temperatur von –30°C bis zu einer Temperatur von etwa –12,5°C. In dem ersten Bereich 111 ist eine Temperierung eines Fahrzeuginnenraumes lediglich mittels eines elektrischen Heizers, z. B. eines PTC-Elements, möglich. Der zweite Bereich 112 erstreckt sich von einer Temperatur von etwa –12,5°C bis zu einer Temperatur von etwa 7,5°C. In dem zweiten Bereich 112 ist eine Temperierung eines Fahrzeuginnenraumes mittels eines Wärmeübertragers, z. B. einer Wärmepumpe, möglich. Der dritte Bereich 113 erstreckt sich von einer Temperatur von etwa 7,5°C bis zu einer Temperatur von etwa 15°C. In dem dritten Bereich 113 ist eine Temperierung eines Fahrzeuginnenraumes mittels eines getaktet betriebenen Wärmeübertragers, z. B. einer Wärmepumpe, und/oder eines elektrischen Heizers, z. B. eines PTC-Elements, möglich.
2 zeigt ein Diagramm einer Häufigkeit in Prozent über der Lufttemperatur in Grad Celsius. Die Häufigkeit kann sich auf eine in einer der 3 bis 5 beschriebene Vorrichtung zur Temperierung eines Fahrzeuginnenraumes gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beziehen. In 2 ist die Lufttemperatur in einem Bereich von –15°C bis 35°C an der Abszissenachse aufgetragen und ist die Häufigkeit in einem Bereich von 0 bis 25% an der Ordinatenachse aufgetragen. Gezeigt sind eine Häufigkeitskurve 201 für Europa, ein erster Bereich A, ein zweiter Bereich B, ein dritter Bereich C, ein vierter Bereich D, ein fünfter Bereich E, ein sechster Bereich F und ein siebter Bereich G. Die Bereiche A bis G sind entlang der Abszissenachse voneinander abgegrenzt und erstrecken sich jeweils zumindest entlang eines Teilabschnittes der Ordinatenachse.
Der erste Bereich A erstreckt sich von einer Temperatur von –15°C bis zu einer Temperatur von etwa –11,5°C sowie von 0% Häufigkeit bis 22,5% Häufigkeit. In dem ersten Bereich A ist ein Betrieb lediglich mittels eines elektrischen Heizers, z. B. eines PTC-Elements, möglich. Der zweite Bereich B erstreckt sich von einer Temperatur von –11.5°C bis zu einer Temperatur von etwa –6,5°C sowie von 0% Häufigkeit bis 22,5% Häufigkeit. In dem zweiten Bereich B ist eine Zuheizung mittels eines elektrischen Heizers, z. B. eines PTC-Elements, erforderlich. Der dritte Bereich C erstreckt sich von einer Temperatur von –11.5°C bis zu einer Temperatur von etwa 1°C sowie von etwa 7% Häufigkeit bis 22,5% Häufigkeit. Somit ergibt sich ein Überlappungsbereich von zweitem Bereich B und drittem Bereich C. In dem dritten Bereich C erfolgt ein Auftaubetrieb. Der vierte Bereich D erstreckt sich von einer Temperatur von –11.5°C bis zu einer Temperatur von etwa 8°C in einem Bereich von 0% Häufigkeit bis 22,5% Häufigkeit. Somit ergeben sich Überlappungsbereiche des vierten Bereichs D mit dem zweiten Bereich B, dem dritten Bereich C und dem fünften Bereich E. In dem vierten Bereich D erfolgt ein Betrieb mittels eines Wärmeübertragers, z. B. einer Wärmepumpe. Der fünfte Bereich E erstreckt sich von einer Temperatur von etwa 5°C bis zu einer Temperatur von etwa 8°C in einem Bereich von etwa 7% Häufigkeit bis 22,5% Häufigkeit. In dem fünften Bereich E erfolgt ein Reheat-Betrieb. Der sechste Bereich F erstreckt sich von einer Temperatur von etwa 8°C bis zu einer Temperatur von etwa 15°C in einem Bereich von 0% Häufigkeit bis 22,5% Häufigkeit. In dem sechsten Bereich F erfolgt ein Betrieb mittels eines getaktet betriebenen Wärmeübertragers, z. B. einer Wärmepumpe, oder eines elektrischen Heizers, z. B. eines PTC-Elements. Der siebte Bereich G erstreckt sich von einer Temperatur von etwa 15°C bis zu einer Temperatur von 35°C in einem Bereich von 0% Häufigkeit bis 22,5% Häufigkeit. In dem siebten Bereich G erfolgt ein Betrieb mittels Klimagerät bzw. ein AC-Betrieb.
3 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Temperierung eines Fahrzeuginnenraumes, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung ist in einem Fahrzeug angeordnet. Gezeigt sind eine Temperiereinheit 310 bzw. ein Kombiheizer, ein Wärmeübertrager 312 bzw. Wärmepumpenheizer, ein elektrischer Heizer 314 mit symbolisch dargestelltem, positivem sowie negativem elektrischem Anschluss, Führungsmittel 320 bzw. ein Rohr, eine Pumpe 325 bzw. ein Verdichter, ein Heizkörper 330 oder Kühlkörper 330, ein Expansionselement 352, ein äußerer Wärmeübertrager 354 bzw. Verdampfer, ein Akkumulator 356, ein Verdichter 358 und ein Klimagerät AC, das durch eine gestrichelte Linie stark schematisch dargestellt ist.
Die Temperiereinheit 310 bzw. der Kombiheizer weist den Wärmeübertrager 312 bzw. Wärmepumpenheizer, den elektrischen Heizer 314 und die Führungsmittel 320 bzw. das Rohr auf. Der Wärmeübertrager 312 weist einen Kältemitteleingang zur Aufnahme von Kältemittel von einem Kältemittelkreis und einen Kältemittelausgang zur Abgabe von Kältemittel an den Kältemittelkreis auf. Die Führungsmittel 320 sind zwischen dem Wärmeübertrager 312 und dem elektrischen Heizer 314 angeordnet und mit denselben thermisch gekoppelt. Die Führungsmittel 320 sind zum Führen von Temperierfluid ausgebildet. An einem ersten Ende weisen die Führungsmittel 320 einen Fluideingang zur Aufnahme von Temperierfluid von einem Temperierkreis auf. An einem zweiten Ende weisen die Führungsmittel 320 einen Fluidausgang zur Abgabe von Temperierfluid an den Temperierkreis auf.
Der Temperierkreis weist die Pumpe 325, den Heizkörper 330 oder Kühlkörper 330 und weitere Führungsmittel bzw. Rohre auf. Der Temperierkreis ist ausgebildet, um eine Fluidverbindung für Temperierfluid zwischen dem Fluidausgang und dem Fluideingang der Temperiereinheit 310 herzustellen. Der Heizkörper 330 oder Kühlkörper 330 ist in dem Klimagerät AC angeordnet. Der Temperierkreis weist in Richtung von dem Fluidausgang zu dem Fluideingang der Temperiereinheit 310 die Pumpe 325 bzw. den Verdichter und den Heizkörper 330 auf.
Der Kältemittelkreis weist das Expansionselement 352, den äußeren Wärmeübertrager 354 bzw. Verdampfer, den Akkumulator 356, den Verdichter 358 und weitere Führungsmittel bzw. Rohre auf. Der Temperierkreis ist ausgebildet, um eine Fluidverbindung für Kältemittel zwischen dem Kältemittelausgang und dem Kältemitteleingang des Wärmeübertragers 312 herzustellen. Der Kältemittelkreis weist in Richtung von dem Kältemittelausgang zu dem Kältemitteleingang des Wärmeübertragers 312 das Expansionselement 352, den äußeren Wärmeübertrager 354 bzw. Verdampfer, den Akkumulator 356 und den Verdichter 358 auf.
Zusammenfassend gesagt und anders ausgedrückt ist der in den Kombiheizer 310 integrierte Wärmepumpenheizer 312 ist in einen Kältemittel- bzw. Wärmepumpenkreislauf eingebunden. Als Wärmequelle an dem äußeren Wärmeübertrager 354 bzw. Verdampfer können eine Umgebungsluft oder andere Wärmequellen im Fahrzeug dienen. Auch eine Kombination einiger oder aller Wärmequellen ist denkbar. Der ebenfalls in den Kombiheizer 310 integrierte elektrische Heizer 314 besitzt als Verbindung nach außen eine elektrische Schnittstelle zu einem Fahrzeugbordnetz. Der Kombiheizer 310 selbst ist in dem Temperierkreis bzw. einem Kühlmittelkreislauf insbesondere einem Wasserkreislauf integriert, welcher aus mindestens einer Pumpe 325 und mindestens einem Heizkörper 330 besteht, welcher in dem Klimagerät AC angeordnet ist.
4A zeigt eine Vorrichtung zur Temperierung eines Fahrzeuginnenraumes, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, für einen Heizfall. Die Darstellung in 4A entspricht der Darstellung aus 3 mit der Ausnahme, dass zusätzlich in dem Kältemittelkreis ein weiteres Expansionselement 462, einen weiteren Wärmeübertrager 464 bzw. Verdampfer im Klimagerät AC, ein erstes umschaltbares Mehrwegeventil 466, ein zweites umschaltbares Mehrwegeventil 468, zwei Drucksensoren P, einen Temperatursensor T sowie zwei als runde Punkte dargestellte Verzweigungselemente angeordnet sind und dass der Kältemittelkreis anders verschaltet ist als in 3.
Das erste umschaltbare Mehrwegeventil 466 und das zweite umschaltbare Mehrwegeventil 468 sind dabei in 4A so geschaltet, dass sich folgender Kältemittelstrom ergibt. Das Kältemittel strömt von dem Kältemittelausgang des Wärmeübertragers 312 durch das Expansionselement 352, passiert ein erstes der Verzweigungselemente, strömt durch den äußeren Wärmeübertrager 354, passiert ein zweites der Verzweigungselemente sowie das zweite umschaltbare Mehrwegeventil 468, strömt durch den Akkumulator 356 und zu dem Verdichter 358, wobei mittels des Drucksensors P ein Druck des Kältemittels erfasst wird, strömt durch den Verdichter 358, und zu dem ersten umschaltbaren Mehrwegeventil 466, wobei mittels des Drucksensors P ein Druck des Kältemittels sowie mittels des Temperatursensors T eine Temperatur des Kältemittels erfasst wird, und strömt von dem ersten umschaltbaren Mehrwegeventil 466 zu dem Kältemitteleingang des Wärmeübertragers 312.
Zusammenfassend gesagt und anders ausgedrückt ist in 4A der Kältemittelkreis als reiner Wärmepumpenkreislauf durch einem umschaltbaren Klimageräte-(AC-) und Wärmepumpenkreislauf ersetzt. D. h. kältemittelseitig wird der weitere Wärmeübertrager 464 bzw. AC-Verdampfer zum Kühlen oder der Wärmepumpenheizer 312 zum Heizen verwendet, wobei der weitere Wärmeübertrager 464 mit im Klimagerät AC sitzt, aber nicht zwangsläufig Bestandteil des Kombiheizers 310 sein muss, aber kann. In 4A ist der weitere Wärmeübertrager 464 beispielhaft benachbart zu dem Kombiheizer 310 angeordnet gezeigt. In der vorliegenden Ausführung ist der Heizfall mit aktiver Wärmepumpenschaltung dargestellt.
4B zeigt die Vorrichtung aus 4A für einen Kühlfall. Die Darstellung in 4B entspricht der Darstellung aus 4A mit der Ausnahme, dass das erste umschaltbare Mehrwegeventil 466 und das zweite umschaltbare Mehrwegeventil 468 anders als in 4A geschaltet sind. Somit ergibt sich folgender Kältemittelstrom, wobei der Wärmeübertrager 312 keine Kältemitteldurchströmung erfährt. Das Kältemittel strömt aus dem weiteren Wärmeübertrager 464, passiert das zweite umschaltbare Mehrwegeventil 468, strömt durch den Akkumulator 356 und zu dem Verdichter 358, wobei mittels des Drucksensors P ein Druck des Kältemittels erfasst wird, strömt durch den Verdichter 358, und zu dem ersten umschaltbaren Mehrwegeventil 466, wobei mittels des Drucksensors P ein Druck des Kältemittels sowie mittels des Temperatursensors T eine Temperatur des Kältemittels erfasst wird, strömt von dem ersten umschaltbaren Mehrwegeventil 466 zu dem zweiten der Verzweigungselemente, passiert das zweite der Verzweigungselemente und strömt durch den äußeren Wärmeübertrager 354 und das weitere Expansionselement 462 zurück zu dem weiteren Wärmeübertrager 464.
Zusammenfassend gesagt und anders ausgedrückt ist in 4B analog zu 4A der Kühlungsfall mit aktivem Klimagerätekreislauf dargestellt. In diesem Fall wird der weitere Wärmeübertrager 464 bzw. AC-Verdampfer zum Kühlen verwendet. Analog findet diese Schaltung Anwendung im Reheatbetrieb zur Entfeuchtung.
5 zeigt eine Vorrichtung zur Temperierung eines Fahrzeuginnenraumes, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, für einen Kühlfall. Die Darstellung in 5 entspricht der Darstellung aus 4B mit der Ausnahme, dass der Wärmeübertrager und der weitere Wärmeübertrager aus 4B einen kombinierten Wärmeübertrager 512 bilden, der in der Temperiereinheit 310 angeordnet ist und getrennte Eingänge und Ausgänge für Temperierfluid sowie für Kältemittel aufweist.
Zusammenfassend gesagt und anders ausgedrückt ist in 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt, bei dem der AC-Verdampfer und der Wärmepumpenheizer ein Bauteil 512 bilden, welches in den Kombiheizer 310 integriert ist. D. h. es handelt sich um einen kombinierten Wärmeübertrager 512. Alternativ kann es sich um zwei einzelne Wärmeübertrager handeln, welche in den Kombiheizer 310 integriert sind. In diesem letzten Fall kann man auch von einem Kombi-Kühlheizer sprechen.
Im Folgenden werden zunächst allgemeine Grundlagen und Betrachtungen zur Fahrzeuginnenraumtemperierung erläutert.
Hinsichtlich der Temperierung bzw. insbesondere der Erwärmung eines Fahrzeuginnenraumes gibt es in der Regel elektrische Zuheizer. Alternativ kann auch eine Wärmepumpe zum Einsatz kommen. Diese hat einen höheren Wirkungsgrad, jedoch nur einen eingeschränkten Einsatzbereich, z. B. hinsichtlich Außentemperaturen bzw. Leistung. Alternativ gibt es weitere verschiedene Möglichkeiten, wie Brennstoffzuheizer, elektrische Zuheizer, Abgas-Wärmeübertrager und dergleichen. Die elektrische Zuheizung erweist sich hierbei bisher als grundsätzlich sinnvoll, da sie kostengünstig, spontan spürbar, d. h. elektrische Leistung wird sofort in spürbare Wärme umgesetzt, und platzsparend, d. h. auch leicht integrierbar in Klimagerät und Luftkanäle einbaubar ist.
Für hybridisierte Fahrzeuge oder rein elektrisch betriebene Fahrzeuge ist der Stellenwert der Zuheizung noch größer. Hier werden Zuheizleistungen von beispielsweise mehr als 3 kW benötigt, da ein konventioneller Kühlmittelheizkörper nur noch bedingt oder gar nicht mehr vorhanden ist. Bei solchen Fahrzeugen ist die Bordnetzspannung größer 60 V, teilweise sogar größer 300 V. Aufgrund der hohen geforderten Heizleistungen am Zuheizer wird auch dieser, falls es ein elektrischer Heizer ist, mit der hohen Spannung betrieben, um angesichts eines möglichen Spannungsabfalls die Stromstärke möglichst gering zu halten. Ein solcher elektrischer (Zu)Heizer muss einen sicheren Berührungsschutz aufweisen, sodass eine Gefährdung der Insassen im Betrieb ausgeschlossen wird. Vorgabe ist hier, dass alle elektrisch leitenden und von außen berührbaren Teile des elektrischen Zuheizers potentialfrei sein sollen, d. h. absoluter Berührungsschutz mit Schutzklasse I oder Schutzklasse II gegeben sein soll. Zusätzlich sollte die Hochspannungseinheit staub- und wasserdicht gekapselt sein.
Dies gibt die IP-Schutzklasse an. Ziel für einen elektrischen Hochvolt-Heizer ist die IP-Schutzklasse 67, d. h. staubdicht und wasserdicht bis in 1 Meter Tiefe. Bei den elektrischen Zuheizern z. B. bei 13 V-Bordnetz gibt es zwei Möglichkeiten: die elektrische Leistung wird direkt ins Kühlmittel geleitet (kühlmittelseitiger Zuheizer) oder die elektrische Leistung wird an die Luft abgegeben (luftseitiger Zuheizer).
In einem Fahrzeug, bei dem eine Batterie zum Fahren genutzt wird, d. h. in einem Full-Hybrid- oder Elektrofahrzeug, kann jede Kilowattstunde, die aus der Batterie zum Heizen genutzt wird, die Reichweite des Fahrzeuges reduzieren. Deswegen ist insbesondere bei einem elektrisch betriebenen Fahrzeug der Einsatz einer Wärmepumpe sinnvoll, da so durch den höheren COP die Reichweite verlängert werden kann. Die Wärmepumpe kann als Wasser/Luft-, Luft/Wasser-, Wasser/Wasser- oder Luft/Luft-Wärmepumpe ausgeführt sein. Als Wärmequelle kann eventuell vorhandenes Kühlwasser oder die Außenluft verwendet werden. Der sinnvolle Wärmepumpenbetrieb (COP und Leistung) ist von den Randbedingungen, speziell der Außentemperatur, abhängig. Eine Wärmepumpe benötigt üblicherweise einen Wärmeübertrager im Klimagerät zur Wärmeabgabe. Dieser kann unter Umständen mit dem Verdampfer kombiniert sein. Dies ist bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zum Teil realisiert.
Ein elektrischer Heizer weist einen COP von 1 auf, d. h. jede zum Heizen genutzte Kilowattstunde der Antriebsbatterie reduziert die Reichweite des Fahrzeuges. Bei rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen bedarf es eines elektrischen Heizers mit mehr als 3 kW. Diese Leistung wird bei Spannungen größer 60 V (Hochspannungen) erzielt. Da der elektrische Heizer herkömmlicherweise im Klimagerät sitzt und direkt die Luft erwärmt, muss der Heizer aufwändig konstruiert werden. Alle elektrisch leitenden, von außen berührbaren Teile müssen elektrisch galvanisch von der inneren hochspannungsführenden Heizeinheit gekapselt werden. Auch die in das Klimagerät führenden Hochspannungskabel müssen wasserdicht und aufwendig an den Heizer geführt werden. Hohe Oberflächentemperaturen des Hochvolt-Heizers im Innenraum müssen abgesichert werden.
Der COP einer Wärmepumpe ist abhängig von den Betriebsbedingungen. In der Regel liegt er zwischen 2 und 3. D. h. für die Klimatisierung des Fahrzeugs wird im Vergleich zum elektrischen Heizer nur zwischen 1/3 und 1/2 der elektrischen Energie benötigt. Nachteilig kann es sein, dass für die Wärmepumpe herkömmlicherweise ein Wärmeübertrager im Klimagerät integriert werden muss. Zudem ist die Wärmepumpe nicht im gesamten Außentemperaturbereich einsatzfähig, was zur Notwendigkeit eines weiteren unabhängigen Zuheizers führt. Bedingt durch das verwendete Kältemittel und Kälteöl ergibt sich eine untere Betriebsgrenze, welche bei etwa –12°C liegt. Mit abnehmender Außentemperatur ist auch eine Abnahme des COP und der Heizleistung der Wärmepumpe zu beobachten. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass bei höheren Temperaturen die Heizleistung der Wärmepumpe zu hoch ist, wobei gerade bei diesen Temperaturen eine geringe Zuheizung der Fahrzeugkabine ausreicht. Hier ist ebenfalls eine Heizung mit elektrischem Zuheizer oder getakteter Wärmepumpe erforderlich, um den Regelbetrieb mit niedrigen Leistungen zu gewährleisten. Insbesondere bei getakteter Wärmepumpe (an, aus, an) kann es zu einem ungleichen Temperaturprofil oder Verlauf über der Zeit kommen, was zu Komforteinschränkungen führt. Weiteren Einfluss auf die Betriebszeit bzw. die Effizienz der Wärmepumpe haben ggf. im tiefen Außentemperaturbereich unzureichende Leistung, ein Auftaubetrieb bzw. eine Umschaltung auf Klima-Betrieb für den äußeren Wärmeübertrager und ein Reheat-Betrieb zur Verhinderung eines Scheibenbeschlages.
Unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 werden im Folgenden verschiedene Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sowie verschiedene Vorteile der Erfindung angesichts der obigen Überlegungen und Nachteile nochmals zusammenfassend mit anderen Worten erläutert.
Mittels einer Vorrichtung zur Temperierung eines Fahrzeuginnenraumes gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist eine energieeffiziente Nutzung einer Antriebsbatterie eines Fahrzeuges zum Heizen des Innenraumes möglich. So kann die Energie der Bordnetzbatterie optimal genutzt werden. Je nach äußeren Randbedingungen, vor allem der Außentemperatur, können die zwei Heizkomponenten, d. h. der Wärmeübertrager 312 und der elektrische Heizer 314 unterschiedlich zugeschaltet werden. Die Temperierung ist in einem breiten Bereich von Außentemperaturen funktionsfähig. Der Temperierkreis in Gestalt eines relativ kleinen separaten Kühlmittelkreislaufs bzw. Wasserkreislaufs sorgt für die Erwärmung des Fahrzeuginnenraumes über einen im Klimagerät AC sich befindenden wasserseitigen Heizkörper 330. So kann eine Hochspannungseinheit des elektrischen Heizers 314 auch besser gekapselt werden, falls Nachspannung zum Heizen zum Einsatz kommt. Der Kombi-Heizer bzw. die Temperiereinheit 310 mit Wärmepumpe 312 und elektrischem Heizer 314 kann sich außerhalb des Klimagerätes AC befinden. Somit sind selbst hohe elektrische Schutzklassen leicht einzuhalten. Der elektrische Heizer 314 im Kombi-Heizer 310 kann durch PTC-Heizelemente, Glühstifte oder Dickschichtheizelemente ausgeführt sein. Auch kann bei Bedarf der Wärmepumpenprozess gedreht werden und das Kühlmittel im separaten Heizkreislauf bzw. Temperierkreis auch gekühlt werden
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

101: Leistungskurve
111: erster Bereich
112: zweiter Bereich
113: dritter Bereich
201: Häufigkeitskurve
A: erster Bereich
B: zweiter Bereich
C: dritter Bereich
D: vierter Bereich
E: fünfter Bereich
F: sechster Bereich
G: siebter Bereich
310: Temperiereinheit bzw. Kombiheizer
312: Wärmeübertrager bzw. Wärmepumpenheizer
314: elektrischer Heizer
320: Führungsmittel
325: Pumpe bzw. Verdichter
330: Heizkörper oder Kühlkörper
352: Expansionselement
354: äußerer Wärmeübertrager bzw. Verdampfer
356: Akkumulator
358: Verdichter
AC: Klimagerät
462: weiteres Expansionselement
464: weiterer Wärmeübertrager bzw. Verdampfer im Klimagerät
466: erstes Mehrwegeventil
468: zweites Mehrwegeventil
M: Massenstromsensor
P: Drucksensor
P, T: Drucksensor und Temperatursensor
512: kombinierter Wärmeübertrager

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004003788 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, zur Temperierung eines Fahrzeuginnenraumes, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist: eine Temperiereinheit (310), die zumindest einen Wärmeübertrager (312) mit einem Kältemitteleingang zur Aufnahme von Kältemittel von einem Kältemittelkreis und einem Kältemittelausgang zur Abgabe von Kältemittel an den Kältemittelkreis, einen elektrischen Heizer (314), einen Fluideingang zur Aufnahme von Temperierfluid von einem Temperierkreis, einen Fluidausgang zur Abgabe von Temperierfluid an den Temperierkreis und Führungsmittel (320) aufweist, wobei die Führungsmittel (320) ausgebildet sind, um das Temperierfluid von dem Fluideingang zu dem Fluidausgang zu führen, wobei die Führungsmittel (320) thermisch mit dem Wärmeübertrager (312) und dem elektrischen Heizer (314) koppelbar oder gekoppelt sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (312) und/oder der elektrische Heizer (314) der Temperiereinheit (310) ausgebildet ist, um bei Betrieb der Vorrichtung thermische Energie auf in den Führungsmitteln (320) führbares Temperierfluid zu übertragen.
Vorrichtung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidausgang und der Fluideingang mittels des Temperierkreises miteinander fluidisch verbindbar oder verbunden sind.
Vorrichtung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Heizkörper (330) oder Kühlkörper (330) zur Temperierung des Fahrzeuginnenraumes, wobei der Heizkörper (330) oder Kühlkörper (330) in dem Temperierkreis zwischen dem Fluidausgang und dem Fluideingang anordenbar oder angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Pumpe (325) zur Umwälzung des Temperierfluids in dem Temperierkreis, wobei die Pumpe (325) in dem Temperierkreis zwischen dem Fluidausgang und dem Fluideingang anordenbar oder angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelausgang und der Kältemittelausgang des Wärmeübertragers (312) mittels des Kältemittelkreises miteinander fluidisch verbindbar oder verbunden sind.
Vorrichtung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kältemittelkreis von dem Kältemittelausgang zu dem Kältemittelausgang des Wärmeübertragers (312) ein Expansionselement (352), ein äußerer Wärmeübertrager (354), ein Akkumulator (356) und ein Verdichter (358) angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kältemittelkreis zumindest ein umschaltbares Mehrwegeventil (466, 468) angeordnet ist, das ausgebildet ist, um einen weiteren Kältemittelkreis zu öffnen oder zu schließen, wobei der weitere Kältemittelkreis den äußeren Wärmeübertrager (354), ein weiteres Expansionselement (462), einen weiteren Wärmeübertrager (464), den Akkumulator (356) und den Verdichter (358) aufweist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Wärmeübertrager (464) in der Temperiereinheit (310) angeordnet ist und thermisch mit dem weiteren Kältemittelkreis koppelbar oder gekoppelt ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Wärmeübertrager (464) mit dem Wärmeübertrager (312) der Temperiereinheit (310) als ein kombinierter Wärmeübertrager (512) ausgeformt ist und thermisch mit dem weiteren Kältemittelkreis koppelbar oder gekoppelt ist
Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energieeintrag in das Temperierfluid über zumindest einen Wärmeübertrager (312) und/oder einen elektrischen Heizer (314) erfolgt.