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Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage für ein Fahrzeug, mit einem Kältemittelkreislauf, welcher eine Fahrzeugklimaanlage mit einem Kondensatorelement zur Heizung eines Fahrzeuginnenraums und vorzugsweise einem Verdampferelement zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums und einen in einem Nutzluftkanal des Fahrzeugs angeordneten Wärmetauscher umfasst. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Steuerung einer Kälteanlage für ein Fahrzeug.
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Gattungsgemäße Kälteanlagen für Fahrzeuge sind aus dem Stand der Technik bekannt. Eine derartige Kälteanlage ermöglicht einen Betrieb als Wärmepumpe, wobei der im Nutzluftkanal angeordnete Wärmetauscher der Luft Wärme entzieht und dem Fahrzeuginnenraum über das Kondensatorelement Wärme zugeführt wird. Insbesondere bei kühlen Temperaturen der Luft zwischen 0°C und 10°C kann die Temperatur des im Nutzluftkanal angeordneten Wärmetauschers bei entsprechender Heizleistung der Fahrzeugklimaanlage unter 0°C fallen. Luftfeuchtigkeit in der Umgebungsluft kondensiert und gefriert am Wärmetauscher und bildet eine Eisschicht, welche die Effizienz des Wärmetauschers vermindert.
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Um ein Abtauen der Eisschicht zu erreichen, muss der Wärmetauscher erwärmt werden, wobei die Heizleistung der Kälteanlage im Fahrzeuginnenraum stark vermindert oder vollständig ausgesetzt wird. Erfordert das Abtauen des Wärmetauschers einen Betrieb als Kondensator, so wird die Wärmepumpe invertiert und der Fahrzeuginnenraum wird ungewünschterweise zwangsläufig gekühlt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kälteanlage für ein Fahrzeug mit verminderter Eisbildung am Wärmetauscher zu schaffen, welche vorzugsweise einen ununterbrochenen Heizbetrieb des Fahrzeuginnenraums ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kälteanlage mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Aufteilung des Wärmetauschers in eine erste und eine zweite Stufe ermöglicht beispielsweise den Betrieb bei verschiedenen Temperaturen.
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Der Wärmetauscher weist eine erste Stufe und zumindest eine zweite Stufe mit vorzugsweise jeweils separaten Wärmeübertragungslamellen auf. Durch die jeweils separaten Wärmeübertragungslamellen wird eine Wärmeleitung aufgrund der voneinander räumlich getrennten Wärmeübertragungslamellen zwischen den beiden Stufen verhindert.
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Die Wärmeübertragungslamellen der ersten Stufe sind vorteilhafterweise stromaufwärts der Wärmeübertragungslamellen der zweiten Stufe im Nutzluftkanal angeordnet, d. h. stromaufwärts bezogen auf die den Nutzluftkanal durchströmende Luft.
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Vorzugsweise kann die erste Stufe des Wärmetauschers als Verdampfer betrieben werden, wobei die Kühlleistung, insbesondere die Verdampfertemperatur, der ersten Stufe so steuerbar ist, dass flüssiges Wasser auf den Lamellen nicht gefriert. Auf diese Weise wird eine Trocknung der durch den Nutzluftkanal strömenden Luft durch Kondensation der Luftfeuchtigkeit an den Wärmeübertragungslamellen der ersten Stufe ermöglicht. Das kondensierte Wasser kann von den Wärmeübertragungslamellen des Wärmetauschers abfließen. Den stromabwärts gelegenen zweiten Stufen des Wärmetauschers wird nur getrocknete Luft zugeführt, sodass eine Vereisung der zweiten Stufen. verhindert oder zumindest stark reduziert werden kann. Dies ermöglicht eine hohe Effizienz für den Betrieb des Wärmetauschers, da die Wärmeübertragungslamellen der zweiten Stufen mit sehr kalten Temperaturen betrieben werden können.
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Eine zusätzliche physische Separation von Wassertropfen in der in den Nutzluftkanal des Fahrzeugs einströmenden Luft kann durch einen im Nutzluftkanal stromaufwärts des Wärmetauschers vorgesehenen Tropfenfänger erreicht werden.
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Ein flexibler Einsatz der Kälteanlage wird ermöglicht, wenn zumindest die erste Stufe des Wärmetauschers und vorzugsweise alle Stufen des Wärmetauschers wahlweise als Verdampfer oder Kondensator betrieben werden können.
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Es ist möglich, dass zumindest zwei Stufen des Wärmetauschers, vorzugsweise die erste und zumindest eine zweite Stufe, in einem Kältemittelkreislauf parallel geschaltet sind. Auf diese Weise können die Leistungen der beiden Stufen unabhängig voneinander gesteuert werden.
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Außerdem ist es möglich, dass eine oder mehrere luftseitige Stufen des Wärmetauschers kältemittelseitig in zwei oder mehrere Segmente unterteilt werden, die unabhängig voneinander betrieben werden können. Dabei können diese Stufen gemeinsame oder getrennte Lamellen haben. Durch diese Trennung können die Leistungen der beiden Stufen unabhängig voneinander gesteuert werden. Außerdem ist es möglich, ein Segment als Verdampfer und ein anderes bei Bedarf als Kondensator zu betreiben. Dieser Bedarf besteht beispielsweise wenn das Segment stark vereist ist: Es kann dann im Kondensatorbetrieb enteist werden, während das andere Segment beziehungsweise die anderen Segmente weiterhin als Verdampfer arbeiten. Dadurch wird vermieden, dass die gesamte Stufe in den Kondensatormodus geschaltet wird, wodurch trotz des Enteisungsbetriebs der Teilstufe weiterhin Wärme für die Beiheizung beispielsweise des Fahrzeuginnenraums gewonnen werden kann.
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Insbesondere können zwei getrennte parallele Kältemittelkreisläufe mit unterschiedlichen Kältemitteln vorgesehen sein, wobei zumindest zwei Stufen des Wärmetauschers, vorzugsweise die erste und zumindest eine zweite Stufe, in verschiedenen Kältemittelkreisläufen angeordnet sind. Durch die Verwendung unterschiedlicher Kältemittel kann der Temperaturbereich, in dem die Kälteanlage effizient betrieben werden kann, vergrößert werden.
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Vorzugsweise können die parallel geschalteten Stufen des Wärmetauschers unabhängig voneinander als Verdampfer oder Kondensator betrieben werden. Dies ermöglicht den Betrieb in einem Enteisungsmodus, wobei eine zu enteisende Stufe als Kondensator, während die andere Stufe gleichzeitig als Verdampfer betrieben werden kann. Die Funktion der Fahrzeugklimaanlage ist dadurch unabhängig vom Enteisungsbetrieb, sodass insbesondere während des Enteisens ein Heizen des Fahrzeuginnenraums möglich ist.
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Es ist auch angedacht, dass zumindest zwei Stufen des Wärmetauschers, vorzugsweise die erste Stufe und zumindest eine zweite Stufe, in einem Kältemittelkreislauf in Serie geschaltet sind, wobei die in Serie geschalteten Stufen vorzugsweise im Gleichstrom mit der Luft im Nutzluftkanal angeordnet sind.
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Vorzugsweise ist eine schaltbare Drosselstelle zwischen den in Serie geschalteten Stufen des Wärmetauschers vorgesehen, welche eine Steuerung des Druckabfalls in den beiden Stufen ermöglicht. Auf diese Weise können die in Serie geschalteten Stufen des Wärmetauschers als Verdampfer mit unterschiedlichen und variablen Kühlleistungen betrieben werden.
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Die schaltbare Drosselstelle kann beispielsweise eine feste Drossel mit einem absperrbaren Bypasskanal, ein Drosselventil, welches vorzugsweise vollständig geöffnet werden kann, oder ein pulsbreitenmoduliertes Magnetventil sein.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner durch ein Verfahren zur Steuerung einer Kälteanlage für ein Fahrzeug gelöst, mit einem Kältemittelkreislauf, welcher eine Fahrzeugklimaanlage mit einem Kondensatorelement zur Heizung eines Fahrzeuginnenraums und einem Verdampferelement zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums und einen in einem Nutzluftkanal des Fahrzeugs angeordneten mehrstufigen Wärmetauscher umfasst. Ein Kühlungsmodus, in dem der Wärmetauscher als Kondensator betrieben wird, und ein Heizungsmodus sind vorgesehen. Im Heizungsmodus wird der Wärmetauscher als Verdampfer betrieben, wobei die Kühlleistung einer ersten Stufe des Wärmetauschers so gesteuert oder sogar geregelt wird, dass flüssiges Wasser auf den Lamellen nicht gefriert. Auf diese Weise wird die Nutzluft, welche durch den Nutzluftkanal des Fahrzeugs strömt, an der ersten Stufe des Wärmetauschers getrocknet, sodass die weiteren Stufen des Wärmetauschers lediglich von trockener Luft umströmt werden, wodurch ein Vereisen der weiteren Stufen des Wärmetauschers verhindert wird.
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Vorzugsweise ist ein Enteisungsmodus vorgesehen, wobei zumindest eine Stufe des Wärmetauschers als Kondensator betrieben wird, wobei die Heizleistung so geregelt wird, dass flüssiges Wasser auf den Lamellen nicht gefriert, und zumindest eine andere Stufe des Wärmetauschers als Verdampfer betrieben wird. Auf diese Weise bildet der Wärmetauscher einen eigenen Teilkreislauf des Kältemittelkreislaufs, dessen Funktion unabhängig von der Funktion des übrigen Kältemittelkreislaufs, insbesondere der Klimaanlage, ist.
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Vorzugsweise kann die Fahrzeugklimaanlage im Enteisungsmodus zur Heizung oder Kühlung des Fahrzeuginnenraums betrieben werden.
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Der Wärmetauscher kann zumindest zwei in Serie geschaltete Stufen aufweisen, zwischen denen eine schaltbare Drosselstelle vorgesehen ist, wobei die Drosselstelle so angesteuert wird, dass die Temperatur der Wärmeübertragungslamellen der ersten Stufe des Wärmetauschers so geregelt wird, dass flüssiges Wasser auf den Lamellen nicht gefriert, beispielsweise indem die Temperatur über 0°C liegt, und der Kompressor des Kältemittelkreislaufs mit voller Leistung betrieben wird. Auf diese Weise kann die Kälteanlage mit hoher Effizienz betrieben werden, ohne dass eine übermäßige Gefahr der Vereisung des Wärmetauschers besteht.
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Der Wärmetauscher kann zumindest zwei in Serie geschaltete Stufen aufweisen, wobei vor der ersten Stufe ein Expansionsventil vorgesehen ist, welches mittels dem Druck und/oder der Temperatur nach der letzten Stufe gesteuert wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine Kälteanlage gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit parallel geschalteten Stufen eines Wärmetauschers;
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2 eine Kälteanlage gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit zwei getrennten Kältemittelkreisläufen;
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3 eine Kälteanlage gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung mit in Serie geschalteten Stufen eines Wärmetauschers;
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4 eine Kälteanlage gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung in einem Heizungsmodus eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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5 die Kälteanlage nach 4 in einem Kühlungsmodus eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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6 die Kälteanlage aus 4 in einem Enteisungsmodus eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
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7 eine Detailansicht einer alternativen Ausführung des Wärmetauschers einer erfindungsgemäßen Kälteanlage.
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Eine erste Ausführungsform einer Kälteanlage 10 für ein Fahrzeug ist in 1 gezeigt. Die Kälteanlage 10 weist einen Kältemittelkreislauf 12 auf, welcher eine Fahrzeugklimaanlage 14 mit einem Kondensatorelement 16 und einem Verdampferelement 18 zur Heizung bzw. Kühlung eines Fahrzeuginnenraums umfasst. Zum Heizen und Kühlen des Fahrzeuginnenraums wird Frischluft und/oder Umluft durch ein Gebläse der Fahrzeugklimaanlage 14 angesaugt und strömt am Kondensatorelement 16 bzw. am Verdampferelement 18 vorbei, um Wärme aufzunehmen oder abzugeben.
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Der Kältemittelkreislauf 12 umfasst ferner einen z. B. dreistufigen Wärmetauscher 20, der in der ersten Ausführungsform eine erste Stufe 22 und zwei zweite Stufen 24 aufweist. Erfindungsgemäß umfasst der Wärmetauscher zumindest zwei Stufen 22, 24. Im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst der Wärmetauscher sogar drei Stufen 22, 24, 24. Der Wärmetauscher 20 ist in einem Nutzluftkanal 26 des Fahrzeugs angeordnet. Der Nutzluftkanal 26 kann beispielsweise im Bereich der Motorkühlung am vorderen Ende des Fahrzeugs vorgesehen sein. Umgebungsluft tritt in den Nutzluftkanal 26 ein und durchströmt diesen in der durch die Pfeile angedeuteten Strömungsrichtung.
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Die verschiedenen Stufen 22, 24 des Wärmetauschers 20 weisen jeweils separate Wärmeübertragungslamellen auf, die eine gute Wärmeübertragung zwischen dem durch den Kältemittelkreislauf 12 strömenden Kältemittel und der durch den Nutzluftkanal 26 strömenden Luft ermöglichen. Die erste Stufe 22 bzw. die Wärmeübertragungslamellen der ersten Stufe 22 des Wärmetauschers 20 sind stromaufwärts der zweiten Stufen 24 bzw. der Wärmeübertragungslamellen der zweiten Stufen 24 im Nutzluftkanal 26 angeordnet, wobei die zweiten Stufen 24 bezüglich der Strömung im Nutzluftkanal 26 in Reihe geschaltet sind. Alternativ kann die erste Stufe 22 aber auch stromabwärts der zweiten Stufen 24 des Wärmetauschers 20 angeordnet sein.
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In der gezeigten Ausführungsform wird der Wärmetauscher 20 als Verdampfer betrieben.
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Die verschiedenen Stufen des Wärmetauschers 20 sind jeweils bezogen auf den Kältemittelkreislauf parallel geschaltet, wobei jede Stufe 22, 24 ein eigenes Expansionsventil 30 aufweist. Über die Regelung durch das Expansionsventil 30 kann die Verdampfertemperatur der jeweiligen Stufe 22, 24 gesteuert werden.
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Stromaufwärts des Wärmetauschers 20 ist ein Tropfenfänger 28 im Nutzluftkanal 26 angeordnet.
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Im Folgenden wird die Funktionsweise der Kälteanlage erläutert.
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Ein Kompressor 32 im Kältemittelkreislauf 12 verdichtet gasförmiges Kältemittel, welches im Kältemittelkreislauf 12 zum Kondensatorelement 16 der Fahrzeugklimaanlage 14 geleitet wird. Im Kondensatorelement 16 kondensiert das heiße gasförmige Kältemittel unter Abgabe von Wärme an den Fahrzeuginnenraum. Das flüssige Kältemittel wird weiter über den Kältemittelkreislauf 12 zum Wärmetauscher 20 im Nutzluftkanal 26 geleitet.
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Die den jeweiligen Stufen 22, 24 des Wärmetauschers 20 zugeordneten Expansionsventile 30 steuern den Zustrom von Kältemittel in die jeweilige Stufe 22, 24 des Wärmetauschers 20. Auf diese Weise wird die Kühlleistung der jeweiligen Stufe 22, 24 gesteuert. Die Kühlleistung der ersten Stufe 22 wird so gesteuert, dass flüssiges Wasser auf den Lamellen nicht gefriert.
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Die Umgebungsluft des Fahrzeugs kann eine relativ hohe Luftfeuchtigkeit sowie Aerosoltröpfchen aufweisen. Nachdem die Umgebungsluft in den Nutzluftkanal 26 eingetreten ist, strömt diese zuerst durch den Tropfenfänger 28, an dem sich Aerosoltröpfchen niederschlagen.
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Als Nächstes durchströmt die Luft die erste Stufe 22 des Wärmetauschers 20. Die Temperatur der Wärmeübertragungslamellen liegt vorteilhafterweise bei knapp über 0°C, kann aber auch unter 0°C liegen, sofern dadurch gegebenenfalls auf den Lamellen vorhandenes Wasser nicht gefriert.
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Wenn die Temperatur der Lamellen des Wärmetauschers maximal knapp über 0°C liegt, kondensiert an den kalten Wärmeübertragungslamellen die Luftfeuchtigkeit der durch den Nutzluftkanal 26 strömenden Luft, wodurch diese getrocknet wird. Das an der ersten Stufe 22 des Wärmetauschers 20 kondensierte Wasser kann von den Wärmeübertragungslamellen einfach abfließen, da es sich bei der Temperatur über 0°C in flüssiger Phase befindet.
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Die stromabwärts der ersten Stufe 22 angeordneten zweiten Stufen 24 werden ausschließlich von getrockneter und/oder entfeuchteter Luft angeströmt, sodass eine Kondensation von Luftfeuchtigkeit an den Wärmeübertragungslamellen der zweiten Stufen 24 stark vermindert oder vollständig vermieden wird. Es ist somit unproblematisch, die zweiten Stufen 24 des Wärmetauschers 20 bei Temperaturen der Wärmeübertragungslamellen unter 0°C zu betreiben, da entsprechend eine Vereisung der Wärmeübertragungslamellen nicht oder nur sehr geringfügig stattfindet. Je tiefer die Temperaturen der zweiten Stufen 24 des Wärmetauschers 20 sind, desto mehr Wärme kann der als Wärmepumpe betriebene Kältemittelkreislaufs 12 dem Luftmassenstrom entziehen.
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Die Kühlleistung der beiden zweiten Stufen 24 kann beliebig an die benötigte Leistung angepasst werden, wobei die Temperatur der Wärmeübertragungslamellen der jeweiligen Stufen 24 auch unter 0°C sein kann.
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Vorzugsweise sind die Kühlleistungen der zweiten Stufen 24 so aufeinander abgestimmt, dass die Temperatur der Wärmeübertragungslamellen der jeweiligen Stufen 24 in Richtung der Strömungsrichtung der Luft durch den Nutzluftkanal 26 abnimmt.
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In einer alternativen, hier nicht gezeigten Ausführungsform kann im Nutzluftkanal 26 stromabwärts des Wärmetauschers 20 eine Heizeinrichtung angeordnet sein. Diese Heizeinrichtung kann verwendet werden, um den Wärmetauscher 20, insbesondere die erste Stufe 22 zu enteisen. Abhängig von bestimmten äußeren Einflüssen kann die erste Stufe 24 nach einer gewissen Zeit einfrieren. Um die Leistung der Kälteanlage 10 zu verbessern, kann die Heizeinrichtung den Wärmetauscher 20 erwärmen und dadurch enteisen.
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Eine zweite Ausführungsform einer Kälteanlage 10 ist in 2 gezeigt. Die Kälteanlage 10 umfasst zwei getrennte parallele Kältemittelkreisläufe 12 mit unterschiedlichen Kältemitteln. Der Wärmetauscher 20 im Nutzluftkanal 26 ist analog zur vorhergehenden Ausführungsform mit einer ersten Stufe 22 und zwei zweiten Stufen 24 ausgebildet, die jeweils parallel betrieben werden können. Auch in dieser Ausführungsform weist der Wärmetauscher 20 also zwei zweite Stufen 24 auf. Die Kälteanlage 10 kann aber zusätzlich zur ersten Stufe 22 auch nur eine oder mehrere zweite Stufen 24 aufweisen.
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Im Gegensatz zur vorhergehenden Ausführungsform ist die erste Stufe 22 des Wärmetauschers 20 in einen ersten Kältemittelkreislauf 34 integriert. Der erste Kältemittelkreislauf 34 umfasst ferner einen Kompressor 32 und ein Kondensatorelement 36. Das Kondensatorelement 36 kann in die Fahrzeugklimaanlage 14 integriert sein oder an anderer Stelle im Fahrzeug vorgesehen sein.
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Die beiden zweiten Stufen 24 des Wärmetauschers 20 sind in einen zweiten Kältemittelkreislauf 38 integriert, der im Übrigen analog zum Kältemittelkreislauf der ersten Ausführungsform ausgebildet ist. Die Fahrzeugklimaanlage 14 mit dem Kondensatorelement 16 und dem Verdampferelement 18 ist in vereinfachter Weise dargestellt.
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Durch die Verwendung von unterschiedlichen Kältemitteln kann der Temperaturbereich, in dem die Kälteanlage 10 effizient betrieben werden kann, erhöht werden. Hierzu kann beispielsweise im Kältemittelkreislauf 34 der ersten Stufe 22 des Wärmetauschers 20 das Kältemittel 1234YF verwendet werden, welches Temperaturen bis zu –20°C ermöglicht. Im zweiten Kältemittelkreislauf 38 der zweiten Stufen 24 des Wärmetauschers 20 wird beispielsweise das Kältemittel R744 verwendet, wodurch der Gesamttemperaturbereich der Kälteanlage 10 von ca. –50°C bis 80°C ausgedehnt werden kann.
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Einer der beiden Kältemittelkreisläufe 34, 38, insbesondere der R744-Kreislauf, kann für eine Batterietemperierung genutzt werden, insbesondere in Verbindung mit einem Kühlwasserkreislauf beziehungsweise – je nach Funktion – Heizkreislauf, basierend auf einer indirekten Batterietemperatursteuerung. Alternativ ist beispielsweise ein direktes Kühlen oder Heizen der Batterie durch das Kältemittel möglich, basierend auf einer direkten Batterietemperatursteuerung.
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Ein Kühlwasserkreislauf kann zudem als Wärmepumpe zwischen den beiden Kältemittelkreisläufen 34, 38 eingesetzt werden.
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Eine dritte Ausführungsform der Kälteanlage 10 ist in 3 gezeigt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass der Wärmetauscher 20 eine erste Stufe 22 und eine zweite Stufe 24 aufweist, welche im Kältemittelkreislauf 12 in Serie geschaltet sind.
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Zwischen der ersten Stufe 22 und der zweiten Stufe 24 ist eine feste oder schaltbare Drosselstelle 40 vorgesehen, welche eine Steuerung oder Regelung des Druckabfalls zwischen den beiden Stufen ermöglicht. Ein gemeinsames Expansionsventil 30 der beiden Stufen 22, 24 des Wärmetauschers 20 wird mittels dem Druck und/oder der Temperatur nach der letzten Stufe 24 des Wärmetauschers 20 gesteuert.
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Die schaltbare Drosselstelle 40 kann in einer einfachen Bauweise als feste Drossel mit einer vorbestimmten Öffnung und einem absperrbaren Bypasskanal ausgebildet sein. Alternativ kann ein verstellbares Drosselventil vorgesehen sein, welches vorzugsweise vollständig zu öffnen ist.
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Ferner kann ein pulsbreitenmoduliertes Magnetventil die Funktion der schaltbaren Drosselstelle 40 erfüllen. Dies ermöglicht eine optimale Steuerung oder Regelung des Druckabfalls der ersten und zweiten Stufe 22, 24 des Wärmetauschers 20.
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Um die Kälteanlage 10 mit hoher Effizienz betreiben zu können, wird vorteilhafterweise die schaltbare Drosselstelle 40 so angesteuert, dass die Temperatur der Wärmeübertragungslamellen der ersten Stufe 22 des Wärmetauschers 20 über 0°C gehalten wird, während der Kompressor 32 des Kältemittelkreislaufs 12 mit voller Leistung betrieben wird. So wird einerseits eine hohe Effizienz der Kälteanlage 10 und andererseits eine geringe Vereisung des Wärmetauschers 20 gewährleistet.
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In den 4 bis 6 wird eine vierte Ausführungsform einer Kälteanlage 10 gezeigt, welche einen Betrieb in drei Betriebsmodi ermöglicht. In 4 ist der erste Betriebsmodus durch die durchgezogenen Linien des Kältemittelkreislaufs 12 veranschaulicht, wobei ein Heizen des Fahrzeuginnenraums ermöglicht wird. Die punktiert gezeigten Leitungen werden in den jeweiligen Betriebsmodi nicht benötigt.
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5 zeigt die vierte Ausführungsform der Kälteanlage 10 in einem Kühlungsmodus zum Kühlen des Fahrzeuginnenraums und 6 in einem Enteisungsmodus, der ein Enteisen des Wärmetauschers 20 im Nutzluftkanal 26 unabhängig vom Betrieb der Fahrzeugklimaanlage 14 ermöglicht.
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Der Wärmetauscher 20 der vierten Ausführungsform der Kälteanlage 10 umfasst eine erste Stufe 22 und eine zweite Stufe 24, die jeweils wahlweise als Verdampfer oder Kondensator betrieben werden können. Der Wärmetauscher 20 kann aber auch in dieser Ausführungsform zusätzlich zur ersten Stufe 22 mehrere zweite Stufen 24, insbesondere zwei zweite Stufen 24 aufweisen.
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Die zweiten Stufen 24 können analog zu den in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen parallel, oder, wie in 3 dargestellt, in Reihe angeordnet sein.
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Des Weiteren kann ein zweiter Kältemittelkreislauf, wie beispielsweise in 2 dargestellt, vorgesehen sein.
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In 4 ist die Kälteanlage 10 im Heizungsmodus gezeigt, wobei beide Stufen 22, 24 des Wärmetauschers 20 als Verdampfer betrieben werden. Ausgehend vom Kompressor 32 durchströmt das verdichtete Kältemittel im Kältemittelkreislauf 12 das Kondensatorelement 16 der Fahrzeugklimaanlage 14 und ermöglicht somit ein Heizen des Fahrzeuginnenraums.
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Nach dem Kondensatorelement 16 liegt ein Phasengemisch aus kondensiertem flüssigen Kältemittel und gasförmigem Kältemittel vor, welches einem Kältemittelreservoir 42 zugeführt wird. Im Kältemittelreservoir 42 sammelt sich die flüssige Phase des Kältemittels. Das Reservoir 42 ist über einen Entnahmeanschluss mit den beiden Expansionsventilen 30 der beiden Stufen 22, 24 des Wärmetauschers 20 verbunden.
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Die Expansionsventile 30 regeln die Menge an flüssigem Kältemittel, welches in den jeweiligen Stufen 22, 24 des Wärmetauschers 20 expandieren kann, und steuert somit die Kühlleistung der jeweiligen zugeordneten Stufe 22, 24. Die erste Stufe 22 und die zweite Stufe 24 können dabei analog zu den vorhergehenden Ausführungsformen betrieben werden, sodass die Temperatur der Wärmeübertragungslamellen so eingestellt wird, dass flüssiges Wasser auf den Lamellen nicht gefriert und vorteilhafterweise die Temperatur der ersten Stufe 22 permanent über 0°C liegt.
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Auf den Expansionsventilen 30 gegenüberliegenden Anschlüssen der beiden Stufen 22, 24 des Wärmetauschers 20 ist jeweils ein Drei-Wege-Ventil 44 vorgesehen, welches den zugeordneten Anschluss der Wärmetauscherstufen 22, 24 wahlweise mit der Niederdruckseite oder der Hochdruckseite des Kompressors 32 verbinden kann.
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Im Heizungsmodus, in dem beide Stufen 22, 24 des Wärmetauschers 20 als Verdampfer betrieben werden, verbinden die Drei-Wege-Ventile 44 die Wärmetauscherstufen 22, 24 jeweils mit der Niederdruckseite des Kompressors 32.
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Durch Umschalten der beiden Drei-Wege-Ventile 44 wird der Betriebsmodus in den Kühlungsmodus gewechselt. Die beiden Stufen 22, 24 des Wärmetauschers 20 werden dabei mit der Hochdruckseite des Kompressors 32 verbunden, sodass heißes komprimiertes gasförmiges Kältemittel durch die beiden Wärmetauscherstufen 22, 24 strömt. Die Strömung erfolgt dabei in Umkehrrichtung zur Strömung im Verdampferbetrieb. Da die Wärmeübertragungslamellen der beiden Stufen 22, 24 des Wärmetauschers 20 im Kondensatorbetrieb heiß sind, ist eine Kondensation von Luftfeuchtigkeit kein Problem und eine Temperatursteuerung oder -regelung diesbezüglich nicht nötig.
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Nach Durchströmen der beiden Wärmetauscherstufen 22, 24 liegt wiederum ein Gemisch von flüssigem und gasförmigem Kältemittel vor. Die Expansionsventile 30 sind in diesem Betriebsmodus vollständig geschlossen, und das aus den beiden Wärmetauscherstufen 22, 24 ausströmende Kältemittel wird über eine jeweils mit Absperrventilen 46 versehenen Leitungen des Kältemittelkreislaufs 12 zum Kältemittelreservoir 42 geführt.
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Das Kältemittelreservoir 42 ist über seinen Entnahmeanschluss mit dem Verdampferelement 18 der Fahrzeugklimaanlage 14 über ein Expansionsventil 48 verbunden.
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Das Kältemittelreservoir 42 verhindert einerseits abrupte Druckschwankungen im Kältemittelkreislauf 12 bei Wechsel des Betriebsmodus und ermöglicht andererseits ein Flüssigkeitsmanagement im Hochdruckzweig des Kältemittelkreislaufs 12, sodass gewährleistet werden kann, dass ausschließlich Kältemittel in flüssiger Phase zum Verdampferelement 18 der Fahrzeugklimaanlage 14 oder den als Verdampfer betriebenen Stufen 22, 24 des Wärmetauschers 20 gelangt.
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Die Absperrventile 46 sind vorzugsweise aktiv schaltbar. Es ist jedoch auch möglich, dass die Absperrventile 46 als Rückschlagventile ausgebildet sind.
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Da die beiden Stufen 22, 24 des Wärmetauschers 20 in der vierten Ausführungsform der Kälteanlage 10 parallel zueinander in den Kältemittelkreislauf 12 integriert sind, ist es möglich, die eine Stufe 22 bzw. 24 als Kondensator zu betreiben, während die andere Stufe 24 bzw. 22 gleichzeitig als Verdampfer betrieben werden kann. Auf diese Weise bilden die beiden Stufen 22, 24 des Wärmetauschers 20 einen eigenen Teilkreislauf des Kältemittelkreislaufs 12, der unabhängig von der Funktion der Fahrzeugklimaanlage 14 betrieben werden kann.
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Diese Betriebsweise ist in 6 dargestellt, wobei die erste Stufe 22 des Wärmetauschers 20 als Kondensator betrieben wird, während gleichzeitig die zweite Stufe 24 des Wärmetauschers 20 als Verdampfer betrieben wird. Diese Betriebsweise wird als Enteisungsmodus bezeichnet, da bei einer eventuellen Vereisung einer der Stufen 22, 24 des Wärmetauschers 20 diese vorübergehend als Kondensator betrieben werden kann, wobei sich die Wärmeübertragungslamellen der jeweiligen Stufe erwärmen und somit die Eisschicht abgetaut wird.
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Die Expansionsventile können auch zwischen dem Drei-Wege-Ventil 44 und dem Wärmetauscher 20 angeordnet sein. Diese Expansionsventile können in Abhängigkeit von dem gewünschten Betriebszustand (Heizen, Kühlen, ...) überbrückt werden. In gleicher Weise kann die erste Stufe 22 als Verdampfer und die zweite Stufe 24 als Kondensator betrieben werden, um die zweite Stufe 24 zu enteisen.
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Des Weiteren können am Auslass des Kompressors 32 Umschaltventile angeordnet werden, um wahlweise den Kühlmitteldurchfluss durch den Kondensator 26 und/oder den Wärmetauscher 20 zu regulieren.
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Zudem können am Einlass und/oder am Auslass des Kältemittelreservoirs 42 Umschaltventile vorgesehen sein, um den Kühlmitteldurchfluss durch das Kältemittelreservoir 42 zu steuern.
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Die Merkmale und Vorteile der verschiedenen gezeigten Ausführungsformen können auch miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Wärmetauscher 20 der vorhergehenden Ausführungsformen durch ein entsprechendes Verschalten der jeweiligen Stufen 22, 24 der Wärmetauscher 20 mittels zusätzlichem Drei-Wege-Ventil 44 und Absperrventil 46 wahlweise als Verdampfer oder Kondensator betrieben werden.
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Es ist auch möglich, dass der Wärmetauscher 20 sowohl parallel als auch in Serie geschaltete Stufen 22, 24 umfasst. Beispielsweise könnten in der ersten und zweiten Ausführungsform die beiden zweiten Stufen 24 jeweils in Serie miteinander verbunden sein.
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Eine alternative Ausführung eines Wärmetauschers 20 ist in 7 gezeigt. Die Stufen 24 sind hier in mehrere Segmente 24a, 24b unterteilt, die jeweils unabhängig voneinander betrieben werden können. Dabei können diese Stufen 24 gemeinsame oder getrennte Lamellen haben. Durch diese Trennung können die Leistungen der beiden Stufen 24 unabhängig voneinander gesteuert werden, sodass beispielsweise ein Segment 24a, 24b als Verdampfer und ein anderes Segment 24a, 24b bei Bedarf als Kondensator betrieben werden kann. Dieser Bedarf besteht beispielsweise wenn ein Segment 24a, 24b stark vereist ist: Dieses Segment 24a, 24b kann dann im Kondensatorbetrieb enteist werden, während das andere Segment 24a, 24b beziehungsweise die anderen Segmente 24a, 24b weiterhin als Verdampfer arbeiten. Dadurch wird vermieden, dass die gesamte Stufe 24 in den Kondensatormodus geschaltet wird, wodurch trotz des Enteisungsbetriebs der Teilstufe weiterhin Wärme für die Beiheizung beispielsweise des Fahrzeuginnenraums gewonnen werden kann.
