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Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges mit einem Kältemittelkreislauf, aufweisend eine Ventilanordnung aus Ventilen mit unterschiedlichen Ventilcharakteristiken.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Klimaanlage mit einem Motorkühlkreislauf und einem für einen kombinierten Kälteanlagen- und Wärmepumpenmodus sowie einen Nachheizmodus zum Heizen, Kühlen und Entfeuchten der zu konditionierenden Luft des Fahrgastraumes ausgebildeten Kältemittelkreislauf mit einem inneren Wärmeübertrager und einem Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr vom Kühlmittel an das Kältemittel, wobei die Komponenten im Kältemittelkreislauf derart angeordnet sind, dass der innere Wärmeübertrager in verschiedenen Betriebsmodi aktiv oder inaktiv ist. Die Erfindung betrifft zudem die Ausbildung eines Wärmeübertragers des Kältemittelkreislaufes zur Wärmezufuhr vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufes einer Klimaanlage bei Detektierung eines Notfalls.
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Bei aus dem Stand der Technik bekannten Kraftfahrzeugen wird zur Erwärmung der Zuluft für den Fahrgastraum die Abwärme des Motors genutzt. Die Abwärme wird mittels des im Motorkühlkreislauf umgewälzten Kühlmittels zur Klimaanlage transportiert und dort über den Heizungswärmeübertrager an die in den Fahrgastraum einströmende Luft übertragen.
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Bekannte Anlagen mit Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager, die die Heizleistung aus dem Kühlkreislauf eines effizienten Verbrennungsmotors des Fahrzeugantriebs beziehen, erreichen bei niedrigen Umgebungstemperaturen nicht mehr das für eine komfortable Aufheizung des Fahrgastraumes erforderliche Niveau, um den Gesamtwärmebedarf des Fahrgastraumes zu decken. Ähnliches gilt für Anlagen in Fahrzeugen mit Hybridantrieb.
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Wenn der Gesamtwärmebedarf des Fahrgastraumes mittels der Wärme aus dem Motorkühlkreislauf nicht gedeckt werden kann, sind Zuheizmaßnahmen, wie elektrische Widerstandsheizungen (PTC) oder Kraftstoffheizer, erforderlich. Eine effizientere Möglichkeit zur Beheizung der Luft für den Fahrgastraum ist eine Wärmepumpe mit Luft als Wärmequelle, bei welcher der Kältemittelkreislauf sowohl als einzige Beheizung als auch als Zuheizmaßnahme dient.
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Zum Stand der Technik gehörende Luft-Luft-Wärmepumpen, die für den kombinierten Kälteanlagen- und Wärmepumpenmodus, demzufolge auch für den Heizmodus, ausgebildet sind, nehmen die Wärme aus der Umgebungsluft auf.
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Wärmepumpensysteme, bei denen die Leistungen zwischen dem Kältemittel und Luft übertragen werden, können häufig nicht die dem Fahrzeug zugeführte Luft gleichzeitig Entfeuchten und Aufheizen. Dies hat zur Folge, dass die Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges bei niedrigen Umgebungstemperaturen nicht mit Umluft betrieben werden kann. Beim Umluftbetrieb rezirkuliert die Luft aus dem Fahrgastraum. Aufgrund der mangelnden Entfeuchtungsfunktion würde die verbleibende Luftfeuchtigkeit sowie das von den Insassen in Form von Dampf abgegebene Wasser zum Scheibenbeschlag führen.
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Bei herkömmlichen Klimaanlagen wird bei Umgebungstemperaturen oberhalb von 20 °C nach dem Erreichen des thermischen Komforts die dem Fahrgastraum zugeführte Luft auf etwa 3 °C bis 10 °C abgekühlt, dabei entfeuchtet und anschließend mit geringer Heizleistung auf die gewünschte Zulufttemperatur aufgeheizt. Zum thermischen Komfort gehört beispielsweise eine Sollwerttemperatur für den Fahrgastraum von etwa 20 °C bis 25 °C.
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Glykol-Luft-Wärmepumpen nutzen das Kühlmittel des Verbrennungsmotors, welches zumeist einem Wasser-Glykol-Gemisch entspricht, als Wärmequelle. Dabei wird dem Kühlmittel Wärme entzogen. Infolge dessen wird der Verbrennungsmotor längere Zeit bei geringen Temperaturen betrieben, was sich negativ auf die Abgasemissionen und den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Aufgrund des intermittierenden Betriebes des Verbrennungsmotors bei Hybridfahrzeugen wird bei längeren Fahrten keine ausreichend hohe Kühlmitteltemperatur erreicht. Aus diesem Grund wird der Start-Stop-Betrieb des Verbrennungsmotors bei geringen Umgebungstemperaturen ausgesetzt. Der Verbrennungsmotor wird nicht abgeschaltet.
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In der
DE 10 2010 024 775 A1 wird eine Vorrichtung zur Klimatisierung von Fahrzeugen beschrieben, welche sowohl im Heiz- als auch im Kühlmodus betreibbar ist. Die Vorrichtung weist einen Kältemittelkreislauf auf, welcher ein thermisches Umgebungsmodul mit einem Kondensator zur Wärmeübertragung mit der Umgebungsluft, ein thermisches Innenraumodul mit einem Verdampfer und einem Heizregister zur Behandlung von Zuluft für den Fahrgastraum, ein Expansionsmodul mit einem Expansionsventil und einen Verdichter zur Verdichtung des Kältemittels umfasst. Zudem ist die Vorrichtung mit einem Fluid-Wärmeübertrager ausgebildet, welcher mit einem vom Kältemittelkreislauf unabhängigen Fluidkreislauf zuschaltbar verbunden ist. Die Komponenten sind mit Hilfe von Ventilen derart verschaltbar, dass das Kältemittel im Heizmodus über den zuschaltbaren Fluid-Wärmeübertrager oder den Kondensator des Umgebungsmoduls oder über beide Wärme aufnehmen kann, welche in Summe mit der eingebrachten Verdichtungsenergie über das Innenraummodul an die Innenraumzuluft übertragbar ist.
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In der
US 6 105 375 A wird ein Fahrzeug-Klimatisierungssystem, insbesondere eine Kühlzyklusvorrichtung, offenbart, bei welcher ein Verdampfer als ein Kühler in einem Heißgas-Zyklus verwendet wird, wobei erhitztes gasförmiges Kältemittel vom Austritt des Verdichters in den Verdampfer geleitet wird.
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Aus der
DE 10 2010 042 127 A1 gehen ein Kältemittelkreislauf und ein Verfahren zum Betreiben des Kältemittelkreislaufes einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges hervor. Der Kältemittelkreislauf weist einen Primärkreislauf mit einem Verdichter, einem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung, einem Sammler, einem Expansionsorgan sowie einem zweiten Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr von der zu konditionierenden Zuluft des Fahrzeuginnenraumes an das Kältemittel als Komponenten eines herkömmlichen Kältemittelkreislaufes und einen Sekundärstrang auf.
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Aus der
DE 10 2008 035 089 A1 geht ein Sammler für eine Kältemittel-Kreislaufeinrichtung sowie dessen Anordnung innerhalb des Motorraumes eines Kraftfahrzeuges hervor. Der Sammler ist nahe eines Wäschertanks derart angeordnet, dass der Wäschertank zwischen dem Sammler und einem Wärme erzeugenden Element, wie dem Motor des Kraftfahrzeuges, zwischengeschaltet ist, sodass direktes Einstrahlen der Wärme vom Wärme erzeugenden Element auf den Sammler verhindert wird, um beispielsweise ein Ansteigen des Druckes des Kältemittels im Sammler zu verhindern.
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In der
DE 10 2010 043 000 A1 wird eine Kraftfahrzeugklimaanlage mit einem Gehäuse, einem Luftkanal, einem Gebläse sowie einem als Kondensator betreibbaren Wärmeübertrager als Teil eines Kältemittelkreislaufes im Wärmepumpenbetrieb zur Erwärmung der dem Fahrzeuginnenraum zuzuleitenden Luft gezeigt.
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In der
DE 42 07 859 A1 wird ein Kältemittelkreislauf einer Fahrzeug-Klimaanlage mit einer durch ein Steuersignal aktivierbaren Absaugvorrichtung für das Kältemittel beschrieben. Das Steuersignal dient ebenso dem Abschalten des Kältemittelverdichters.
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In der
JP H06 - 229 639 A ist ein Wärmepumpenkreislauf mit einer Kältemittelpfad-Umschalteinrichtung offenbart, welche beim Betrieb des Kältemittelkreislaufes im Kälteanlagenmodus das Kältemittel zu einem außerhalb des Fahrzeuges angeordneten Wärmeübertrager leitet und beim Betrieb im Heizmodus das Kältemittel durch einen Bypass zum Umgehen des außerhalb des Fahrzeuges angeordneten Wärmeübertragers sowie zu einem innerhalb des Fahrzeuges vorgesehenen Wärmeübertrager führt.
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Aus der US 2002 / 0 153 131 A geht ein Flachrohr-Wärmeübertrager mit Mehrkanalströmung und Umlenkelementen hervor, welche dazu dienen, das im Flachrohr strömende Fluid in eine Zickzackströmung zu versetzen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Klimaanlage mit einem Kältemittelkreislauf für verschiedene Betriebsmodi weiterzubilden und ein Verfahren zum Betreiben des Kältemittelkreislaufes zur Verfügung zu stellen, welches durch Umverlagerung des Kältemittels im Kältemittelkreislauf zum Schutz der Fahrzeuginsassen bei einem Notfall dient.
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Dabei soll eine hohe Betriebssicherheit bei minimalem Aufwand und maximaler Komfort für die Fahrgäste bei geringem Bauraum gewährleistet sein sowie die Klimaanlage in den verschiedenen Betriebsmodi mit maximaler Effizienz betreibbar sein.
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Eine erste Klimaanlage zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges ist mit einem Kältemittelkreislauf ausgebildet.
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Der Kältemittelkreislauf weist einen Verdichter, einen Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung und innerhalb eines ersten sekundären Strömungspfades einen Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum auf. Der Kältemittelkreislauf umfasst zudem eine in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Verdichter ausgebildete Ventilanordnung mit einem Abzweig, einem zwischen dem Abzweig und dem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung angeordneten Ventil sowie einem zwischen dem Abzweig und dem Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum angeordneten Ventil.
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Das zwischen dem Abzweig und dem Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum angeordnete Ventil weist eine NO-Ventilcharakteristik und das zwischen dem Abzweig und dem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung angeordnete Ventil eine NC-Ventilcharakteristik auf.
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Der Kältemittelkreislauf ist bevorzugt für einen kombinierten Kälteanlagen- und Wärmepumpenmodus sowie für einen Nachheizmodus ausgebildet.
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Alternativ ist das zwischen dem Abzweig und dem Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum angeordnete Ventil mit einer NC-Ventilcharakteristik und das zwischen dem Abzweig und dem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung angeordnete Ventil mit einer NO-Ventilcharakteristik ausgebildet.
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Die in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Verdichter vorgesehene Ventilanordnung kann neben der Anordnung von zwei separaten 2-2-Wegeventilen auch als Kombination in einem 3-2-Wegeventil ausgebildet sein.
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Der Kältemittelkreislauf weist einen weiteren sekundären Strömungspfad mit einem Ventil auf, wobei sich der Strömungspfad ausgehend von der Verbindung zwischen dem in Richtung des Wärmeübertragers zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung angeordneten Ventil der Ventilanordnung und dem Wärmeübertrager selbst bis zum Eintritt in den Verdichter erstreckt. Die Ventile der Ventilanordnung und das Ventil des sekundären Strömungspfades sind in einer Kombination bevorzugt als ein 4-2-Wegeventil ausgebildet.
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Ein für einen kombinierten Kälteanlagen- und Wärmepumpenmodus sowie für einen Nachheizmodus ausgebildeter Kältemittelkreislauf einer weiteren Klimaanlage zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges weist einen Verdichter, einen Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung sowie ein zwischen dem Verdichter und dem Wärmeübertrager angeordnetes Ventil auf. Des Weiteren umfasst der Kältemittelkreislauf einen zweiten sekundären Strömungspfad, welcher sich von einem Abzweig bis zu einer Mündungsstelle erstreckt und mit einem Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr von einem Kühlmittel eines Motorkühlkreislaufes an das Kältemittel des Kältemittelkreislaufes sowie mit einem vorgeschalteten Expansionsorgan ausgebildet ist. Der Kältemittelkreislauf weist zudem einen inneren Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme von der Hochdruckseite auf die Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes auf.
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Der Abzweig und die Mündungsstelle des zweiten sekundären Strömungspfades sowie ein dritter sekundärer Strömungspfad sind mit einem zusätzlichen Ventil derart angeordnet, dass der innere Wärmeübertrager im Kälteanlagenmodus aktiv und im Wärmepumpenmodus inaktiv oder aktiv ist.
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Nach einer ersten Alternative ist der Kältemittelkreislauf dabei derart ausgebildet, dass der innere Wärmeübertrager im Wärmepumpenmodus inaktiv ist, das heißt im inneren Wärmeübertrager wird keine Wärme übertragen.
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Der Abzweig des zweiten sekundären Strömungspfades auf der Hochdruckseite und die Mündungsstelle auf der Niederdruckseite sind in Strömungsrichtung des Kältemittels im Wärmepumpenmodus jeweils entweder nach dem inneren Wärmeübertrager oder vor dem inneren Wärmeübertrager angeordnet. Zudem erstreckt sich der dritte sekundäre Strömungspfad mit dem Ventil ausgehend von der Verbindung zwischen dem in Richtung des Wärmeübertragers zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung angeordneten Ventil der Ventilanordnung und dem Wärmeübertrager selbst bis zum Eintritt in den Verdichter. Der dritte sekundäre Strömungspfad mündet auf der Niederdruckseite in die zwischen dem inneren Wärmeübertrager und dem Verdichter angeordnete Kältemittelleitung.
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Nach einer zweiten Alternative ist der Kältemittelkreislauf derart ausgebildet, dass der innere Wärmeübertrager im Wärmepumpenmodus aktiv ist, das heißt im inneren Wärmeübertrager Wärme übertragen wird.
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Der Abzweig des zweiten sekundären Strömungspfades ist dabei in Strömungsrichtung des Kältemittels im Wärmepumpenmodus nach dem inneren Wärmeübertrager bei Hochdruck und die Mündungsstelle ist vor dem inneren Wärmeübertrager bei Niederdruck angeordnet. Zudem erstreckt sich der dritte sekundäre Strömungspfad mit einem Ventil ausgehend von der Verbindung zwischen dem in Richtung des Wärmeübertragers zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung angeordneten Ventil der Ventilanordnung und dem Wärmeübertrager selbst bis zum Eintritt in den inneren Wärmeübertrager. Der dritte sekundäre Strömungspfad mündet somit auf der Niederdruckseite in die zum inneren Wärmeübertrager führende Kältemittelleitung.
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Eine andere Klimaanlage zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges weist einen Kältemittelkreislauf mit einem Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum auf.
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Der Wärmeübertrager ist einreihig und mit einer Tiefe im Bereich von 10 mm bis 20 mm sowie für die Übertragung einer Leistung von bis zu 7 kW ausgebildet. Unter der Tiefe der Wärmeübertrager ist dabei die Ausdehnung des Wärmeübertragers in Strömungsrichtung der Luft zu verstehen. Die Tiefe ergibt sich somit aus der Ausdehnung senkrecht zur Grundfläche der Wärmeübertrager, wobei unter der Grundfläche die Fläche senkrecht zur Strömungsrichtung der Luft zu verstehen ist, das heißt die Fläche, durch welche die Luft in den Wärmeübertrager einströmt beziehungsweise ausströmt.
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Die Tiefe des Wärmeübertragers beträgt bevorzugt 12 mm bis 20 mm und ist im Bereich von 10 mm bis 12 mm fahrzeugspezifisch optimiert.
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Die Klimaanlage weist einen Motorkühlkreislauf mit einem Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr vom Kühlmittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum auf, welcher in Strömungsrichtung der zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum mit dem Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum in Reihe, das heißt hintereinander, angeordnet sind.
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Der vom Kühlmittel durchströmte Wärmeübertrager ist dabei bevorzugt vor dem mit Kältemittel durchströmten Wärmeübertrager ausgebildet.
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Die Wärmeübertrager weisen vorteilhaft Grundflächen mit gleichen Ausdehnungen auf. Die Grundflächen der verschiedenen Wärmeübertrager sind in gleicher Orientierung zueinander ausgerichtet.
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Nach einer Alternative weisen die Grundflächen der Wärmeübertrager voneinander abweichende Grundflächen auf.
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Der Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr vom Kühlmittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum ist vorteilhaft mit einer Tiefe im Bereich von 30 mm bis 55 mm ausgebildet. Dabei wird eine Tiefe von 30 mm bis 45 mm bevorzugt.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird mit einer erfindungsgemäßen Klimaanlage zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges mit einem Kältemittelkreislauf und einem Motorkühlkreislauf gelöst. Der Kältemittelkreislauf umfasst
- - einen Verdichter,
- - einen Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung sowie ein einerseits des Wärmeübertragers angeordnetes Ventil und ein andererseits zwischen dem Verdichter und dem Wärmeübertrager angeordnetes Ventil,
- - einen Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der zu konditionierenden Luft für den Fahrgastraum mit einem in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgelagerten Ventil,
- - einen Receiver,
- - einen ersten sekundären Strömungspfad mit einem Ventil sowie einen Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum,
- - einen zweiten sekundären Strömungspfad mit einem Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr von einem Kühlmittel eines Motorkühlkreislaufes an das Kältemittel des Kältemittelkreislaufes und einem Ventil,
- - einen dritten sekundären Strömungspfad mit einem Ventil, wobei sich der Strömungspfad ausgehend von der Verbindung zwischen dem in Richtung des Wärmeübertragers zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung angeordneten Ventil und dem Wärmeübertrager selbst bis zum Eintritt in den Verdichter erstreckt, sowie
- - einen inneren Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme von der Hochdruckseite auf die Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes.
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Der Motorkühlkreislauf weist einen Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft sowie ein Ventil auf.
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Der Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung ist in einem Frontbereich des Kraftfahrzeuges angeordnet. Der innere Wärmeübertrager und der Wärmeübertrager des zweiten sekundären Strömungspfades mit dem dazugehörigen Ventil, die um den Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung ausgebildeten Ventile sowie die Ventile des ersten und des dritten sekundären Strömungspfades sowie der Receiver sind im Bereich eines Radkastens des Kraftfahrzeuges vorgesehen. Das dem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der zu konditionierenden Luft für den Fahrgastraum in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgelagerte Ventil, das Ventil des zweiten sekundären Strömungspfades sowie das Ventil des Motorkühlkreislaufes sind in einem Bereich des Wasserkastens des Kraftfahrzeuges angeordnet. Die Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der zu konditionierenden Luft für den Fahrgastraum des Kältemittelkreislaufes und des Motorkühlkreislaufes sind in einem Klimagerät untergebracht.
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Der Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr vom Kühlmittel an das Kältemittel im zweiten sekundären Strömungspfad des Kältemittelkreislaufes und der Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kühlmittel an die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft sind im Motorkühlkreislauf strömungstechnisch vorteilhaft parallel zueinander geschaltet und bevorzugt jeweils über ein Ventil oder ein Drei-Wege-Ventil vom Motorkühlkreislauf trennbar angeordnet.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Produkte aus den inneren Volumina und den Dichten des Kältemittels auf der Hochdruckseite und der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes gleich groß.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufes einer Klimaanlage zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges, wobei der Kältemittelkreislauf einen Verdichter, einen Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung sowie einen Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum aufweist, umfasst folgende Schritte:
- - Detektierung eines Notfalls mittels einer Fahrzeugumgebungssensorik und/oder einer Fahrzeugkommunikation, sowie
- - Abschalten des Verdichters.
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Der Kältemittelkreislauf ist für einen kombinierten Kälteanlagen- und Wärmepumpenmodus sowie einen Nachheizmodus ausgebildet und weist eine in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Verdichter ausgebildete Ventilanordnung auf. Die Ventilanordnung umfasst einen Abzweig, ein zwischen dem Abzweig und dem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung angeordnetes Ventil sowie ein zwischen dem Abzweig und dem Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum angeordnetes Ventil auf. Der Kältemittelkreislauf wird derart betrieben, dass der Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung mit Kältemittel auf einem vom Hochdruck abweichenden Druck beaufschlagt ist. Das Verfahren umfasst zudem folgenden zusätzlichen Schritt:
- - Öffnen des zwischen dem Abzweig und dem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung angeordneten Ventils, während das zwischen dem Abzweig und dem Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum angeordnete Ventil geöffnet ist.
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Dabei wird durch Umverlagerung des Kältemittels aus dem Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum durch die Ventilanordnung, das heißt durch die geöffneten Ventile und über den Abzweig in den Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung der Hochdruck in dem im Zuluftstrom zum Fahrgastraum angeordneten Wärmeübertrager abgebaut.
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Der Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung weist vorzugsweise zwei Anschlussseiten für Kältemittelleitungen auf, wobei an einer ersten Anschlussseite das Ventil der Ventilanordnung und an einer zweiten Anschlussseite ein weiteres Ventil angeordnet sind. Das Ventil der zweiten Anschlussseite des Wärmeübertragers wird vorteilhaft geöffnet, sodass zusätzliches Volumen des Kältemittelkreislaufes zum Umverlagern von Kältemittel verfügbar ist.
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Weitere Vorteile des Kältemittelkreislaufes der Klimaanlage gegenüber dem Stand der Technik lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:
- - schnelle Bereitstellung von warmer Luft bei niedrigen Umgebungstemperaturen und kaltem Kühlwasser des Motorkühlkreislaufes,
- - Nachheizmodus bei dem die Heizleistung des Nacherhitzers geringer ist als die Kälteleistung im Verdampfer,
- - Einfacher, sicherer und energetisch optimaler Betrieb, insbesondere im Wärmepumpenmodus, auch während des Systemanlaufes bezüglich der bereitzustellenden Leistung, der Effizienz und des Komforts,
- - maximale Lebensdauer der Klimaanlage, insbesondere durch eine Minimierung der Schaltvorgänge sowie
- - minimale Störgeräusche.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen die Klimaanlage mit dem Kältemittelkreislauf
- 1: im Kälteanlagenmodus sowie im Modus zum Entfeuchten und Heizen der Luft,
- 2: im Wärmepumpenmodus mit Umgebungsluft als Wärmequelle sowie im Wärmepumpenmodus mit Kühlmittel des Motorkühlkreislaufes als Wärmequelle,
- 3: im Modus zum Entfeuchten und Nachheizen der Luft mit zusätzlicher Wärmeabgabe an die Umgebungsluft,
- 4: im Modus zum Entfeuchten und Nachheizen der Luft mit zusätzlicher Wärmeaufnahme aus dem Motorkühlkreislauf,
- 5: im Abtaumodus,
- 6: als Anordnung im Kraftfahrzeug mit einem inaktiven inneren Wärmeübertrager in den Wärmepumpenmodi nach 2 sowie im Modus zum Entfeuchten und Nachheizen der Luft nach 4,
- 7: als Anordnung im Kraftfahrzeug mit einem aktiven inneren Wärmeübertrager in den Wärmepumpenmodi nach 2 sowie im Modus zum Entfeuchten und Nachheizen der Luft nach 4.
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In den 1 bis 5 ist die Klimaanlage 1 für ein Kraftfahrzeug mit dem Kältemittelkreislauf 2 und dem Motorkühlkreislauf 3 bei unterschiedlichen Betriebsmodi dargestellt.
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Der primäre Kältemittelkreislauf 2 umfasst neben den in Strömungsrichtung des Kältemittels bei Kälteanlagenmodus, welcher in 1 mit gestrichelten Pfeilen gezeigt ist, die nacheinander angeordneten Verdampfer 4, Verdichter 5, als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager 6, Receiver 7 und Ventil 16 auch einen inneren Wärmeübertrager 8. Unter dem inneren Wärmeübertrager 8 ist ein kreislaufinterner Wärmeübertrager zu verstehen, welcher der Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel bei Hochdruck und dem Kältemittel bei Niederdruck dient. Dabei wird beispielsweise einerseits das flüssige Kältemittel nach der Kondensation weiter abgekühlt und andererseits das Sauggas vor dem Verdichter 5 überhitzt.
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Das Rückschlagventil 19 verhindert das Durchströmen des Kältemittels aus Richtung des Ventils 16 in den Wärmeübertrager 11. In der entgegengesetzten Strömungsrichtung ist das Rückschlagventil 19 durchlässig.
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Erfolgt die Verflüssigung des Kältemittels bei unterkritischem Betrieb, wie zum Beispiel mit dem Kältemittel R134a oder bei bestimmten Umgebungsbedingungen mit Kohlendioxid, wird der Wärmeübertrager 6 als Kondensator bezeichnet. Ein Teil der Wärmeübertragung findet bei konstanter Temperatur statt. Bei überkritischem Betrieb beziehungsweise bei überkritischer Wärmeabgabe im Wärmeübertrager 6 nimmt die Temperatur des Kältemittels stetig ab. In diesem Fall wird der Wärmeübertrager 6 auch als Gaskühler bezeichnet. Überkritischer Betrieb kann unter bestimmten Umgebungsbedingungen oder Betriebsweisen der Klimaanlage 1 zum Beispiel mit dem Kältemittel Kohlendioxid auftreten.
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Zum gleichzeitigen Kühlen und Entfeuchten sowie Heizen der Zuluft für den Fahrgastraum, auch als Reheat bezeichnet und in 1 anhand der Strömungsrichtung des Kältemittels mit Pfeilen aus durchgezogenen Linien gekennzeichnet, weist der Kältemittelkreislauf 2 der Klimaanlage 1 sekundäre Strömungspfade mit zusätzlichen Komponenten auf.
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Am Austritt des Verdichters 5 ist ein Abzweig 24 ausgebildet. Zwischen dem Abzweig 24 und dem Wärmeübertrager 6 ist ein zusätzliches Absperrventil 14 angeordnet, welches geschlossen ist. Ein erster sekundärer Strömungspfad erstreckt sich vom Abzweig 24 bis zum Abzweig 26 am Austritt des Expansionsventils 16 und weist in Strömungsrichtung des Kältemittels vom Verdichter 5 ausgehend ein geöffnetes Absperrventil 13 sowie einen Wärmeübertrager 11 auf, welcher auch als Heizregister bezeichnet wird und die Funktion eines zweiten Kondensators/Gaskühlers erfüllt.
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Der erste sekundäre Strömungspfad mündet zwischen dem Expansionsventil 16, welches geschlossen ist, und dem Ventil 9 in den primären Kältemittelkreislauf. Nach der Abkühlung beziehungsweise der Kondensation im Heizregister 11 wird das Kältemittel beim Durchströmen von Ventil 9 expandiert, strömt durch das Rückschlagventil 20 und inneren Wärmeübertrager 8 zum Verdichter 5 zurück. Das Rückschlagventil 20 dient der Verhinderung einer Kältemitteleinlagerung im Verdampfer 4 beim Betrieb im Wärmepumpenmodus. Der innere Wärmeübertrager 8 wird lediglich auf der Niederdruckseite durchströmt und ist inaktiv.
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Die über den Verdampfer 4 strömende Luft wird entfeuchtet und/oder abgekühlt und anschließend mit Hilfe des Heizregisters 11 wieder erwärmt. Die Heizleistung setzt sich dabei aus der im Verdampfer 4 sowie im Verdichter 5 an das Kältemittel zugeführten Leistungen zusammen.
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Innerhalb des Motorkühlkreislaufes 3 wird das Kühlmittel, bevorzugt ein Wasser-Glykol-Gemisch, zwischen dem Motor 21 und dem Wärmeübertrager 12 umgewälzt. Im Wärmeübertrager 12, welcher auch als Heizungswärmeübertrager bezeichnet wird, wird die vom Motor 21 abgegebene Wärme an die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft übertragen. Der Wärmeübertrager 12 ist als Glykol-Luft-Wärmeübertrager ausgebildet.
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Die parallel geschalteten Strömungspfade des Motorkühlkreislaufes 3 werden mittels Absperrventilen 22, 23 geöffnet oder geschlossen, wobei jeder Strömungspfad mit einem Absperrventil 22, 23 ausgebildet ist und damit separat geschaltet werden kann. Im nach 1 beschriebenen Betriebsmodus ist das Absperrventil 23 geöffnet. Das Absperrventil 22, welches einen Strömungspfad mit einem Wärmeübertrager 10 zur Übertragung von vom Motor 21 abgegebener Wärme an das verdampfende Kältemittel im Kältemittelkreislauf 2 aufweist, ist geschlossen. Der Wärmeübertrager 10 wird nicht durchströmt.
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Die über ein nichtdargestelltes Gebläse angesaugte Luft wird in Strömungsrichtung zuerst über den Verdampfer 4, anschließend den Heizungswärmeübertrager 12 und dann das Heizregister 11 geleitet, bevor sie in den Fahrgastraum einströmt. Die Wärmeübertrager 4, 12, 11 sind folglich in angegebener Reihenfolge bezüglich der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft hintereinander angeordnet und werden je nach Bedarf und Betriebsmodus zu- oder abgeschaltet. Alternativ kann das Heizregister 11 in Strömungsrichtung der Luft auch hinter dem Heizungswärmeübertrager 12 angeordnet sein.
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Bei geringen Umgebungstemperaturen ist der Fahrgastraum zu beheizen, was mittels der im Heiz- beziehungsweise Wärmepumpenmodus betriebenen Klimaanlage 1 nach 2 realisierbar ist. 2 zeigt den Kältemittelkreislauf 2 im Wärmepumpenmodus mit Umgebungsluft als Wärmequelle sowie mit Kühlmittel des Motorkühlkreislaufes 3 als Wärmequelle.
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Neben dem zu 1 beschriebenen ersten sekundären Strömungspfad erstreckt sich ein zweiter sekundärer Strömungspfad von einem Abzweig 25, welcher zwischen dem Wärmeübertrager 6 beziehungsweise einem vorgelagerten Ventil 17 und dem Receiver 7 angeordnet ist, bis zur Mündungsstelle 27 am Eintritt in den Verdichter 5. Der zweite sekundäre Strömungspfad mündet folglich zwischen dem inneren Wärmeübertrager 8 und dem Verdichter 5 in den primären Kältemittelkreislauf und weist ein als Expansionsventil 18 ausgebildetes Expansionsorgan sowie einen Wärmeübertrager 10 auf. Der Wärmeübertrager 10 kann einerseits von Kältemittel und andererseits vom Kühlmittel des Motorkühlkreislaufes 3 durchströmt werden. Kältemittelseitig wird der Wärmeübertrager 10 als Verdampfer betrieben, sodass je nach Betriebsmodus Wärme vom Kühlmittel an das Kältemittel übertragen wird. Der Wärmeübertrager 10 wird auch als Chiller bezeichnet.
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Ein dritter sekundärer Strömungspfad mit einem Absperrventil 15 verbindet den Abschnitt zwischen dem Absperrventil 14 und dem Wärmeübertrager 6 mit dem Eintritt des Verdichters 5.
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Im Wärmepumpenmodus der Klimaanlage 1 werden die Ventile 9, 13, 14 derart geschaltet, dass der Kältemittelmassenstrom nach dem Verdichter 5 durch den ersten sekundären Strömungspfad und damit durch das als zweiter Kondensator/Gaskühler ausgebildete Heizregister 11 sowie das Ventil 16 geführt wird. Die Strömungsrichtung des Kältemittels wird durch Pfeile angedeutet, wobei die Pfeile aus gestrichelten Linien die Strömungsrichtung des Kältemittels im Wärmepumpenmodus mit Luft als Wärmequelle sowie die Pfeile aus durchgezogenen Linien die Strömungsrichtung des Kältemittels im Wärmepumpenmodus mit dem Kühlmittel des Motorkühlkreislaufes 3 als Wärmequelle zeigen.
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Das Absperrventil 13 ist geöffnet, während das Absperrventil 14 geschlossen ist. Im Heizregister 11 wird Wärme vom Kältemittel an die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft abgegeben.
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Das Ventil 9 ist geschlossen, um den Verdampfer 4 strömungstechnisch vom Kältemittelkreislauf 2 zu trennen. Da der innere Wärmeübertrager 8 lediglich einseitig durchströmt wird, wird dabei keine Wärme übertragen. Der innere Wärmeübertrager 8 ist inaktiv.
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Der sich vom Abzweig 26 bis zur Mündungsstelle 27 erstreckende Abschnitt des primären Kältemittelkreislaufes wird zwar nicht von Kältemittel durchströmt, ist jedoch offen, sodass es zu einer Einlagerung von Kältemittel und Öl kommen kann. Um diese Einlagerung zu verhindern, ist in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Verdampfer 4 ein Rückschlagventil 20 angeordnet. Alternativ ist das Rückschlagventil 20 auch nach dem inneren Wärmeübertrager 8 anordenbar.
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Je nach Anordnung der Komponenten im Kraftfahrzeug kann ohne Verwendung zusätzlicher Komponenten, insbesondere zusätzlicher Ventile, der innere Wärmeübertrager 8 auch aktiv durchströmt werden.
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Im Wärmepumpenmodus mit Luft als Wärmequelle wird das Kältemittel beim Durchströmen des Expansionsventils 17 auf ein der Umgebungstemperatur entsprechendes Druckniveau ins Zweiphasengebiet entspannt. Anschließend wird im als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 6 Wärme von der Umgebung an das Kältemittel übertragen. Die Klimaanlage 1 nimmt die Wärme aus der Umgebungsluft auf.
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Der Kältemittelmassenstrom wird nach dem Austreten aus dem Wärmeübertrager 6 durch den dritten sekundären Strömungspfad und das geöffnete Absperrventil 15 zum Eintritt des Verdichters 5 geleitet. Der Kältemittelkreislauf 2 ist somit geschlossen.
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Im Motorkühlkreislauf 3 wird das Kühlmittel zwischen dem Motor 21 und dem Heizungswärmeübertrager 12 umgewälzt. Das Absperrventil 22 ist geschlossen, während das Absperrventil 23 geöffnet ist. Das Kühlmittel strömt damit ausschließlich durch den Heizungswärmeübertrager 12, sodass die am Motor 21 abgeführte Wärme ausschließlich an die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft übertragen wird.
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Der Wärmeübertrager 10 wird dabei weder von Kältemittel noch von Kühlmittel durchströmt. Das Ventil 18 ist geschlossen. Die sich dennoch bei entsprechenden Betriebsbedingungen eingelagerten Kältemittel und Öl können durch kurzzeitiges Öffnen des Absperrventils 22 und damit der Beaufschlagung des Wärmeübertragers 10 mit warmem Kühlmittel des Motorkühlkreislaufes 3 ausgetrieben werden.
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Im Wärmepumpenmodus mit dem Kühlmittel des Motorkühlkreislaufes 3 als Wärmequelle wird das Kältemittel beim Durchströmen des Expansionsventils 18 auf ein der Kühlmitteltemperatur entsprechendes Druckniveau ins Zweiphasengebiet entspannt. Anschließend wird im Verdampfer 10 Wärme vom im Motorkühlkreislauf 3 umgewälzten Kühlmittel an das Kältemittel übertragen. Die Klimaanlage 1 nimmt die Wärme aus dem Motorkühlkreislauf 3 auf. Der Kältemittelmassenstrom wird nach dem Austreten aus dem Verdampfer 10 vom Verdichter 5 angesaugt. Der Kältemittelkreislauf 2 ist geschlossen.
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Im Motorkühlkreislauf 3 wird das Kühlmittel zwischen dem Motor 21 und dem Verdampfer 10 umgewälzt. Das Absperrventil 22 ist geöffnet. Bei gleichzeitig geschlossenem Absperrventil 23 strömt das Kühlmittel ausschließlich durch den Verdampfer 10, sodass die am Motor 21 abgeführte Wärme ausschließlich an das verdampfende Kältemittel im Kältemittelkreislauf 2 übertragen wird. Der Heizungswärmeübertrager 12 wird dabei nicht von Kühlmittel durchströmt. Alternativ kann neben dem Absperrventil 22 auch das Absperrventil 23 geöffnet sein. Das Kühlmittel strömt dann parallel sowohl durch den Verdampfer 10 als auch durch den Heizungswärmeübertrager 12, sodass die am Motor 21 abgeführte Wärme sowohl an das Kältemittel als auch an die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft übertragen wird. Die Größe und damit die Leistung der Wärmeübertrager 10, 11, 12 wird an die jeweilige Betriebsweise der Klimaanlage 1 angepasst.
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Die Expansionsventile 16, 17, 18 sind entsprechend der benötigten Füllmenge an Kältemittel im Kälteanlagen- und Wärmepumpenmodus betreibbar. Bei einem Mangel an Kältemittel im Wärmepumpenmodus kann das Kältemittel beim Durchströmen des Expansionsventils 16 bereits vorentspannt werden. Das Kältemittel weist dann eine geringere Dichte auf und die Füllmenge an Kältemittel im Receiver 7 wird verringert.
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Je nach Wärmepumpenmodus mit unterschiedlichen Wärmequellen sind die Ventile 17, 18 wechselseitig geschlossen oder geöffnet, sodass entweder der Wärmeübertrager 6 oder der Wärmeübertrager 10 von Kältemittel durchströmt wird, während der jeweils andere Wärmeübertrager 6, 10 nicht beaufschlagt ist. Alternativ können auch beide Wärmeübertrager 6, 10 von Kältemittel durchströmt werden, sodass sowohl die Umgebungsluft als auch das Kühlmittels des Motorkühlkreislaufes 3 als Wärmequellen nutzbar sind.
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Während des Betriebes der Klimaanlage 1, zum Beispiel beim Umschalten zwischen den Wärmepumpenmodi, oder auch im Stillstand der Klimaanlage 1 kann sich Kältemittel in den Komponenten des Kältemittelkreislaufes 2 umverlagern, beispielsweise in eine nicht aktiv von Kältemittel durchströmte Komponente. Die Umverlagerung von Kältemittel kann jedoch zu einem Kältemittelmangel in einem nachfolgend eingestellten Betriebsmodus führen.
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Um den Kältemittelmangel bei einem Start der Klimaanlage 1 zu vermeiden, weisen die Absperrventile 13, 14 eine geeignete Ventilcharakteristik auf und sind mit einer NO-Charakteristik oder einer NC-Charakteristik ausgebildet. Ein Ventil mit einer NO-Charakteristik ist im ungeschalteten und damit unbestromten Zustand „offen“, wobei NO für „normally open“ steht. Ein Ventil mit einer NC-Charakteristik ist im ungeschalteten, unbestromten Zustand „geschlossen“. NC steht dabei für „normally closed“.
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Mit der Ausbildung des Ventils 13 mit NO-Charakteristik und des Ventils 14 mit NC-Charakteristik wird verhindert, dass sich unmittelbar nach Abschalten der Klimaanlage 1 aus einem Betrieb im Wärmepumpenmodus im kalten Wärmeübertrager 6 Kältemittel sammelt und anschließend bei Neustart der Klimaanlage 1, vor allem im Wärmepumpenmodus mit Kühlmittel als Wärmequelle, nicht ausreichend Kältemittel zur Verfügung steht.
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Es ist zudem von Vorteil, auch das Ventil 9 mit NO-Charakteristik auszubilden, da dann das sich in dem vom Abzweig 26 bis zur Mündungsstelle 27 erstreckenden Abschnitt des primären Kältemittelkreislaufes 2 eingelagerte Kältemittel in jedem Betriebsmodus durch den Verdichter abgesaugt wird.
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Die Ventile 13, 14 sind in der dargestellten Ausführungsform als 2-2-Wegeventile ausgebildet. Die Ventile 13, 14 weisen folglich jeweils zwei Anschlüsse und zwei Schaltstellungen auf. Alternativ sind die Ventile 13, 14 auch in einer Kombination als ein 3-2-Wegeventil oder unter der zusätzlichen Hinzunahme des Ventils 15 als ein 4-2-Wegeventil bei gleichen Ventilcharakteristiken der Ventile 13, 14, 15 ausgebildet.
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Zudem sind die inneren Volumina der flüssigkeitsführenden beziehungsweise mit Kältemittel in der Gasphase beaufschlagten Leitungsabschnitte und Komponenten auf der Hochdruckseite und der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes 2 abhängig vom Betriebsmodus und abhängig vom Zustand des Kältemittels derart abgestimmt, dass eine optimale Füllmenge für alle Betriebsmodi gewährleistet ist.
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Bei einem Notfall, das heißt beispielsweise einem Unfall oder einer Vorausberechnung eines Unfalls durch die Fahrerassistenz- beziehungsweise Fahrzeugumgebungssensorik in Verbindung mit der Fahrzeugkommunikation wird der Verdichter 5 unabhängig vom verwendeten Kältemittelkreislauf 2 und unabhängig vom verwendeten Betriebsmodus abgeschaltet. Im Wärmepumpenmodus und bei gleichzeitiger Ausbildung einer Strömungsaufteilung des Kältemittels nach dem Verdichter 5 wird bei einer Unfalldetektion zusätzlich das Ventil 14 bei geöffnetem Ventil 13 geöffnet, um den Hochdruck im Heizregister 11 deutlich zu verringern und damit eine Gefährdung der Insassen durch heißes Hochdruckkältemittel und das Kältemittel selbst zu vermeiden. Durch die Öffnung des Ventils 14 wird der Hochdruck im ersten sekundären Strömungspfad vom Austritt des Verdichters 5 über das Ventil 13 und das Heizregister 11 bis zum Expansionsventil 16 schlagartig abgebaut, da das Kältemittel in den „kalten“ Wärmeübertrager 6, welcher je nach Wärmepumpenmodus entweder als Verdampfer betrieben oder ohne Funktion mit Umgebungsluft umströmt wird. Die Gefährdung der Insassen im Fahrgastraum durch heißes und mit Hochdruck beaufschlagtem Kältemittel im Heizregister 11, welches im Zuluftstrom zum Fahrgastraum angeordnet ist, wird drastisch reduziert. Auch nach einem vermiedenen Unfall ist eine neuerliche Inbetriebnahme der Klimaanlage 1 nach der Abschaltung des Verdichters 5 und dem Öffnen des Ventils 14 einfach möglich.
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In Sonderfällen besteht zudem bei einem Notfall auch die Möglichkeit Ventil 15 im dritten sekundären Strömungspfad als Verbindung zum Eintritt des Verdichters 5 zu schließen, um das Kältemittel aus dem ersten sekundären Strömungspfad ausschließlich in den Wärmeübertrager 6 zu verlagern und eine Umverlagerung in den Verdampfer 4 zu vermeiden. Die Umverlagerung des Kältemittels in den Verdampfer 4 wird beim Kältemittelkreislauf 2 nach 2 auch durch das Rückschlagventil 20 verhindert. Des Weiteren kann das Expansionsventil 17 geöffnet werden, um ein größeres Volumen für das aus dem ersten sekundären Strömungspfad austretende Kältemittel bereitzustellen.
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3 zeigt die Klimaanlage 1 mit dem Kältemittelkreislauf 2 im Modus zum Entfeuchten und Nachheizen der Luft mit zusätzlicher Wärmeabgabe an die Umgebungsluft.
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Der im Verdichter 5 auf Hochdruck verdichtete Kältemittelmassenstrom wird mittels der geöffneten oder teilgeöffneten Absperrventile 13, 14 sowohl in den als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager 6 als auch das Heizregister 11 geleitet. In beiden Wärmeübertragern 6, 11 gibt das Kältemittel Wärme an die Luft ab, im Wärmeübertrager 6 an die Umgebungsluft und im Heizregister 11 an die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft.
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Vor dem Durchströmen des Verdampfers 4 werden beide Teilmassenströme des Kältemittels zusammengeführt und entspannt.
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Der innere Wärmeübertrager 8 ist aktiv und beiderseits von Kältemittel beaufschlagt.
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Mittels der Anteile der Teilmassenströme beziehungsweise ihrer Aufteilung nach dem Verdichter 5 wird eingestellt, welcher Anteil der im Verdampfer 4 und im Verdichter 5 dem Kältemittel zugeführten Leistung als Wärme zum Nachheizen der im Verdampfer 4 entfeuchteten und/oder abgekühlten Luft für den Fahrgastraum verwendet wird. Die übrige Leistung wird als Wärme an die Umgebung abgegeben.
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In 4 ist die Klimaanlage 1 mit dem Kältemittelkreislauf 2 im Modus zum Entfeuchten und Nachheizen der Luft mit zusätzlicher Wärmeaufnahme aus dem Motorkühlkreislauf 3 dargestellt.
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Der im Verdichter 5 auf Hochdruck verdichtete Kältemittelmassenstrom wird mittels des geöffneten Absperrventils 13 und des geschlossenen Absperrventils 14 ausschließlich durch das Heizregister 11 geleitet. Das Kältemittel gibt somit die gesamte zugeführte Leistung als Wärme an die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft ab.
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Am Austritt des Heizregisters 11 wird der Kältemittelmassenstrom in zwei Teilmassenströme durch die Verdampfer 4, 10 aufgeteilt. Im Verdampfer 4 nimmt das Kältemittel die Wärme aus der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft auf und/oder entfeuchtet diese. Im Verdampfer 10 wird dem Kältemittel Wärme aus dem Motorkühlkreislauf 3 zugeführt.
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Die Teilmassenströme des Kältemittels werden vor dem Eintritt in den Verdichter 5 wieder vereint. Die an die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft abgegebene Wärme setzt sich folglich aus der am Verdichter 5 und den Verdampfern 4, 10 zugeführten Leistungen zusammen.
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Der innere Wärmeübertrager 8 ist aktiv und beiderseits von Kältemittel beaufschlagt, wobei der Teilmassenstrom durch den als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildeten Verdampfer 10 vor der Entspannung weiter abgekühlt oder unterkühlt und der Teilmassenstrom durch den Verdampfer 4 nach der Verdampfung überhitzt wird. Der innere Wärmeübertrager 8 wird dabei im Gleichstrom betrieben.
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Im Motorkühlkreislauf 3 wird das Kühlmittel bei geöffnetem Absperrventil 22 zwischen dem Motor 21 und dem Verdampfer 10 umgewälzt. Wenn neben dem Absperrventil 22 auch das Absperrventil 23 geöffnet ist, strömt das Kühlmittel alternativ parallel sowohl durch den Verdampfer 10 als auch durch den Heizungswärmeübertrager 12, sodass die am Motor 21 abgeführte Wärme sowohl an das Kältemittel als auch direkt an die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft übertragen wird.
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Bei den in den unterschiedlichen Betriebsmodi dargestellten Schaltungen der Klimaanlage 1 nach den 1 bis 4 kann der dem Fahrgastraum zuzuführende Luftmassenstrom sowohl beim Überströmen der Wärmeübertragungsfläche des Heizungswärmeübertragers 12 des Motorkühlkreislaufes 3 als auch beim Überströmen der Wärmeübertragungsfläche des Heizregisters 11 des Kältemittelkreislaufes 2 erwärmt werden.
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Bei Verwendung eines Hochleistungs-Heizregisters als Heizregister 11 mit einer Grundfläche ähnlich eines PTC-Heizers, das heißt einer elektrisch betriebenen Widerstandsheizung, und einer Einbautiefe von 12 mm kann eine Wärme von bis zu 7 kW übertragen werden, sodass der Heizungswärmeübertrager 12 optional auch verzichtbar ist und die Klimaanlage 1 ohne den Heizungswärmeübertrager 12 ausbildbar ist. Das Heizregister 11 kann eine Einbautiefe von bis zu 25 mm aufweisen.
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Infolge der geringen Einbautiefe des Heizregisters 11 von 12 mm kann es zu Temperaturschichtungen kommen. Um diese Temperaturschichtungen zu vermeiden, wird der parallele Betrieb von Heizungswärmeübertrager 12 und Heizregister 11 bevorzugt, wobei der Heizungswärmeübertrager 12 in seiner Wärmeübertragungsfläche und damit den Abmessungen kleiner ausgebildet ist, als beim alleinigen Betrieb. Die Durchströmfläche und die Tiefe des Heizungswärmeübertragers 12 sind geringer, das heißt die Tiefe beträgt beispielsweise weniger als 35 mm. Die Wärmeübertrager 11, 12 werden in ihren Leistungen und Abmessungen optimal aufeinander abgestimmt. Eine Kombination von Heizungswärmeübertrager 12 und Heizregister 11 mit jeweiliger Einbautiefe von bis zu 30 mm beziehungsweise von bis zu 25 mm ergibt eine gesamte Einbautiefe der Wärmeübertrager 11, 12 von bis zu 55 mm, bevorzugt jedoch bis zu 45 mm und fahrzeugspezifisch optimiert bis 30 mm.
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Der Heizungswärmeübertrager 12 wird als Vorwärmer des Luftmassenstromes für das Heizregister 11 eingesetzt. Die Wärmeübertrager 11, 12 werden gleichzeitig betrieben, wobei der Luftmassenstrom die Wärmeübertrager 11, 12 nacheinander beaufschlagt. Dabei wird der Hochdruckanstieg im Kältemittelkreislauf 2 unterstützt und die Homogenisierung der Lufttemperaturverteilung verbessert.
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Das Heizregister 11 wird in seiner Größe je nach Leistung angepasst, wobei eine möglichst geringe Unterkühlung des Kältemittels am Austritt des Heizregisters 11 gewährleistet wird. Hinsichtlich der Umverlagerung des Kältemittels und der Abstimmung des inneren Volumens bezüglich der Sicherheit der Klimaanlage 1 bietet die Ausführung wesentliche Vorteile und gewährleistet bei deutlich kleinerem inneren Volumen als herkömmliche Heizregister eine insgesamt geringere Füllmenge beim Betrieb im Wärmepumpenmodus als der Wärmeübertrager 6 als Kondensator beim Betrieb im Kälteanlagenmodus.
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5 zeigt die Klimaanlage 1 mit dem Kältemittelkreislauf 2 und dem Motorkühlkreislauf 3 im Abtaumodus. Dabei wird der zuvor als Verdampfer betriebene Wärmeübertrager 6 abgetaut beziehungsweise enteist. Das aus dem Verdichter 5 unter Hochdruck und mit hohen Temperaturen austretende Kältemittel wird bei geöffnetem Absperrventil 14 und geschlossenem Absperrventil 13 durch den Wärmeübertrager 6 gefördert. Unter Wärmeabgabe des Kältemittels wird die Wärmeübertragungsfläche des nunmehr als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertragers 6 enteist.
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Nach Entspannung des Kältemittels im Expansionsventil 18 nimmt das Kältemittel im Verdampfer 10 Wärme aus dem Motorkühlkreislauf 3 auf und wird vom Verdichter 5 angesaugt. Im Motorkühlkreislauf 3 wird das Kühlmittel bei geöffnetem Absperrventil 22 zwischen dem Motor 21 und dem Verdampfer 10 umgewälzt.
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Die Ventile 9, 16, 17, 18 können je nach Betriebsmodus auch als Festdrosseln ausgebildet sein.
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Der Receiver 7, welcher in den angegebenen Ausführungsformen im Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufes 2 angeordnet ist, ist alternativ auch als Akkumulator auf der Niederdruckseite in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Verdampfer 4 anordenbar.
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Der Wärmeübertrager 6 kann alternativ auch als wasserbeaufschlagter Kondensator ausgebildet sein.
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In den 6 und 7 werden optimale Anordnungen des Kältemittelkreislaufes 2 der Klimaanlage 1 aus den 1 bis 5 in einem Fahrzeug dargestellt. Bei der Anordnung der Komponenten wird in einen Frontbereich 29, einen Radkasten 30, einen Wasserkasten 31 und ein Klimagerät 32 unterschieden. Bei der Anordnung nach 6 sind die Ventile 13, 14, 15, 17, der Receiver 7 und der Abzweig 24 im Radkasten 30 sowie der Wärmeübertrager 6 im Frontbereich 29 des Kraftfahrzeuges untergebracht. Der Wärmeübertrager 10, die Ventile 9, 16, 18, 28, das Rückschlagventil 19, die Abzweige 25, 26 sowie die Mündungsstelle 27 sind im Wasserkasten und damit in unmittelbarer Nähe zum Klimagerät 32 mit den Wärmeübertragern 4, 11, 12 angeordnet. Die übrigen Komponenten des Kältemittelkreislaufes 2 befinden sich im Motorraum des Kraftfahrzeuges.
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In 7 sind neben der genannten Anordnung nach 6 zusätzlich der innere Wärmeübertrager 8, der Wärmeübertrager 10 mit dem vorgeschalteten Ventil 18 sowie der Abzweig 25 im Radkasten angeordnet. Im Wasserkasten befinden sich nunmehr die Ventile 9, 16, 28, sowie das Rückschlagventil 19 und im Klimagerät 32 die Wärmeübertrager 4, 11, 12.
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Aus der optimierten Rohrleitungsführung in den 6 und 7 ergeben sich unterschiedliche Betriebsweisen mit aktivem oder inaktivem inneren Wärmeübertrager 8.
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Der wesentliche Unterschied zur Ausbildung des Kältemittelkreislaufes 2 nach den 6 und 7 in Bezug zu den 1 bis 5 liegt in der Einbindung der Wärmeübertrager 8 und 10. Nach der Ausgestaltung in 2, Wärmepumpenmodus mit Kühlmittel des Motorkühlkreislaufes als Wärmequelle oder 4, Modus zum Entfeuchten und Nachheizen der Luft mit zusätzlicher Wärmeaufnahme aus dem Motorkühlkreislauf 3, strömt das Kältemittel vom Ventil 16 auf Hochdruckniveau weiter durch den inneren Wärmeübertrager 8 und anschließend über das Expansionsventil 18 in den Wärmeübertrager 10. Der Austritt des Wärmeübertragers 10 ist direkt mit dem Eintritt in den Verdichter 5 verbunden.
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Im Kältemittelkreislauf 2 nach 6 ist im Gegensatz dazu der Wärmeübertrager 10 derart eingebunden, dass das Kältemittel nach den genannten Betriebsmodi nach dem Ventil 16 direkt über das Expansionsventil 18 in den Wärmeübertrager 10 strömt, ohne den inneren Wärmeübertrager 8 zu beaufschlagen. Der Austritt des Wärmeübertragers 10 ist allerdings vor dem Eintritt in den inneren Wärmeübertrager 8 angeordnet, sodass das Kältemittel auf der Niederdruckseite durch den inneren Wärmeübertrager 8 strömt.
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Der innere Wärmeübertrager 8 bleibt in den Wärmepumpenmodi nach 2 sowie im Modus zum Entfeuchten und Nachheizen der Luft nach 4 sowohl nach der Ausführung gemäß den 2 und 4 als auch der 6 inaktiv.
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Die Absperrventile 22, 23 des Motorkühlkreislaufes 3 sind zusammengefasst und als Drei-Wege-Ventil 28 ausgebildet.
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7 zeigt die Klimaanlage 1 mit einem modifizierten den Kältemittelkreislauf 2 als Anordnung im Kraftfahrzeug mit einem aktiven inneren Wärmeübertrager 8 in den Wärmepumpenmodi nach 2 sowie im Modus zum Entfeuchten und Nachheizen der Luft nach 4. Der wesentliche Unterschied zur Ausbildung des Kältemittelkreislaufes 2 nach den 1 bis 5 oder 6 liegt wieder in der Einbindung der Wärmeübertrager 8 und 10.
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Der Vergleich der Kältemittelkreisläufe 2 nach den 1 bis 5, 6 und 7 zeigt Klimaanlagen 1 mit und ohne aktiven Betrieb des inneren Wärmeübertragers 8 in den Wärmepumpenmodi und im Modus zum Entfeuchten und Nachheizen der Luft ohne zusätzliche Schaltelemente, wobei der innere Wärmeübertrager 8 im Kälteanlagenmodus immer in Betrieb ist. Die Aktivierung des inneren Wärmeübertragers 8 ist dabei lediglich von der Anordnung der Kreislaufkomponenten zueinander abhängig.
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Nach der Ausgestaltung in den 1 bis 5 ist der Austritt aus dem Wärmeübertrager 10 über die Mündungsstelle 27 direkt mit dem Eingang in den Verdichter 5 verbunden. Ebenso verbindet der dritte sekundäre Strömungspfad den Eintritt des Wärmeübertragers 6 mit dem Eintritt des Verdichters 5, wobei als Eintritt des Wärmeübertragers 6 die Strömungsrichtung des Kältemittels bei Kälteanlagenmodus zu Grunde zu legen ist. Das jeweils aus dem Wärmeübertrager 10 oder aus dem Wärmeübertrager 6 austretende Kältemittel strömt nicht durch den inneren Wärmeübertrager 8.
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Gemäß der Ausgestaltung nach 7 ist der Austritt aus dem Wärmeübertrager 10 über die Mündungsstelle 27 jedoch mit dem Eingang des inneren Wärmeübertragers 8 verbunden. Ebenso verbindet der dritte sekundäre Strömungspfad den Eintritt des Wärmeübertragers 6 mit dem Eintritt des inneren Wärmeübertragers 8. Das aus dem Wärmeübertrager 10 oder aus dem Wärmeübertrager 6 austretende Kältemittel strömt dabei jeweils durch den inneren Wärmeübertrager 8.
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Der innere Wärmeübertrager 8 ist damit sowohl in den Wärmepumpenmodi ähnlich 2 sowie im Modus zum Entfeuchten und Nachheizen der Luft ähnlich 4 aktiv und wird jeweils im Gleichstrom betrieben, während der innere Wärmeübertrager 8 im Kälteanlagenmodus mit Kältemittel im Gegenstrom beaufschlagt wird. Nach alternativen Ausgestaltungen wird der innere Wärmeübertrager 8 auch in den Wärmepumpenmodi sowie im Modus zum Entfeuchten und Nachheizen der Luft im Gegenstrom betrieben.
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Die aufgezeigten Verschaltungsvarianten und Betriebsmodi sind für jedes Kältemittel verwendbar, welches niederdruckseitig einen Phasenübergang von flüssig nach gasförmig durchläuft. Hochdruckseitig gibt das Medium durch Gaskühlung, Kondensation und Unterkühlung die aufgenommene Wärme an eine Wärmesenke ab. Als geeignete Kältemittel sind hierzu natürliche Stoffe wie zum Beispiel R744, R717 etc., brennbare R290, R600, R600a etc. sowie chemische wie R134a, R152a, HFO-1234yf etc. oder diverse Kältemittelgemische verwendbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Klimaanlage
- 2
- Kältemittelkreislauf
- 3
- Motorkühlkreislauf
- 4
- Wärmeübertrager, Verdampfer
- 5
- Verdichter
- 6
- Wärmeübertrager
- 7
- Receiver
- 8
- innerer Wärmeübertrager
- 9
- Ventil
- 10
- Wärmeübertrager, Verdampfer
- 11
- Wärmeübertrager, Heizregister
- 12
- Wärmeübertrager, Heizungswärmeübertrager
- 13
- Ventil, Absperrventil
- 14
- Ventil, Absperrventil
- 15
- Ventil, Absperrventil
- 16
- Ventil, Expansionsventil
- 17
- Ventil, Expansionsventil
- 18
- Ventil, Expansionsventil
- 19
- Rückschlagventil
- 20
- Rückschlagventil
- 21
- Motor
- 22
- Absperrventil
- 23
- Absperrventil
- 24
- Abzweig
- 25
- Abzweig
- 26
- Abzweig
- 27
- Mündungsstelle
- 28
- Ventil, Drei-Wege-Ventil
- 29
- Frontbereich
- 30
- Radkasten
- 31
- Wasserkasten
- 32
- Klimagerät
