DE102012111672A1

DE102012111672A1 - Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage mit Wärmepumpen- und Nachheizfunktionalität

Info

Publication number: DE102012111672A1
Application number: DE102012111672A
Authority: DE
Inventors: Marc Graaf; Tobias Haas
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2013-10-31
Anticipated expiration: 2032-12-01
Also published as: CN103373197A; JP5646681B2; US20130305753A1; DE102012111672B4; CN103373197B; JP2013230809A; US9346336B2; KR20130121051A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeuges. Der für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Wärmepumpenmodus sowie für einen Nachheizmodus ausgebildete Kältemittelkreislauf weist einen Verdichter, einen Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung, ein erstes Expansionsorgan sowie einen Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr von der zu konditionierenden Luft des Fahrgastraums an das Kältemittel, einen Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum und ein sich in Strömungsrichtung des Kältemittels daran anschließendes zweites Expansionsorgan auf. Der Kältemittelkreislauf ist mit einem dritten Expansionsorgan mit veränderbarem Strömungsquerschnitt ausgebildet, welches derart konfiguriert und im Kältemittelkreislauf angeordnet ist, dass im vollständig geöffneten Zustand eine druckverlustfreie Durchströmung des Kältemittels gewährleistet ist und mit einer Verringerung des Strömungsquerschnitts das Druckniveau im Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum über das Druckniveau im Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung einstellbar ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben des Kältemittelkreislaufes, wobei die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft auf Temperaturen oberhalb der Temperatur der Umgebungsluft erwärmt wird

Description

Die Erfindung betrifft einen Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeuges. Der für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Wärmepumpenmodus sowie für einen Nachheizmodus ausgebildete Kältemittelkreislauf weist einen Verdichter, einen Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung, ein erstes Expansionsorgan sowie einen Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr von der zu konditionierenden Luft des Fahrgastraums an das Kältemittel und einen Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum auf. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des Kältemittelkreislaufes der Klimaanlage.
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 Motorkühlmittelkreislauf umgewälzten Kühlmittels zur Klimaanlage transportiert und dort über den Heizungswärmeübertrager an die in den Fahrgastraum einströmende Luft übertragen. Bekannte Anlagen mit Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager, die die Heizleistung aus dem Kühlmittelkreislauf eines effizienten Verbrennungsmotors des Fahrzeugantriebs beziehen, erreichen bei niedrigen Umgebungstemperaturen nicht mehr das für eine komfortable Aufheizung des Fahrgastraums erforderliche Niveau, um den Gesamtwärmebedarf des Fahrgastraums zu decken. Ähnliches gilt für Anlagen in Fahrzeugen mit Hybridantrieb oder ausschließlich elektrisch angetriebenen Fahrzeugen.
Wenn der Gesamtwärmebedarf des Fahrgastraums mittels der Wärme aus dem Motorkühlmittelkreislauf 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.
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. Die Leistungen werden zwischen dem Kältemittel und Luft übertragen. Wärmepumpensysteme, welche die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft nicht gleichzeitig entfeuchten und aufheizen können, können zum einen bei niedrigen Umgebungstemperaturen nicht mit Umluft, das heißt mit aus dem Fahrgastraum rezirkulierender Luft, betrieben werden. Aufgrund der mangelnden Entfeuchtungsfunktion würde die verbleibende Luftfeuchtigkeit sowie das von den Insassen in Form von Dampf abgegebene Wasser zum Scheibenbeschlag führen. Zum anderen liegt in Gebieten mit gemäßigtem Klima und Umgebungstemperaturen im Bereich von etwa 0°C bis 20°C häufig die Anforderung an das Klimasystem vor, den Verdampfer mit dem Ziel der Entfeuchtung der Zuluft des Fahrgastraums zu betreiben.
Bei herkömmlichen Klimaanlagen wird bei Umgebungstemperaturen oberhalb von 20°C nach dem Erreichen des thermischen Komforts die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft auf etwa 2°C bis 10°C abgekühlt und dabei ausreichend entfeuchtet. Aufgrund der geringen Umgebungstemperatur kann die abgekühlte und entfeuchtete Luft jedoch nicht direkt dem Fahrgastraum zugeführt werden. Bei Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren wird die Luft unter Nutzung der Abwärme des Verbrennungsmotors anschließend auf die gewünschte Zulufttemperatur nachgeheizt. Zum thermischen Komfort gehört beispielsweise eine Sollwerttemperatur für den Fahrgastraum von etwa 20°C bis 25°C.
Im sogenannten „Reheat”- beziehungsweise Nachheizmodus wird die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft folglich abgekühlt, dabei entfeuchtet und anschließend geringfügig wieder aufgeheizt. In diesem Betriebsmodus ist die erforderliche Nachheizleistung geringer als die erforderliche Kälteleistung zum Kühlen und Entfeuchten der Luft.
In der DE 10 2006 026 359 A1 wird eine Klimaanlage mit einem Kältemittelkreislauf für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Wärmepumpenmodus beschrieben. Das offenbarte Wärmepumpensystem besteht aus einem Primärkreislauf und einer in verschiedene Abschnitte unterteilten Sekundärpassage, wobei der Primärkreislauf die aus einer klassischen Kompressionskältemaschine vorbekannten Komponenten, wie einen Kompressor, zwei Wärmeübertrager und ein Drosselorgan, enthält. Die Sekundärpassage weist einen zusätzlichen als Wärmepumpenkondensator betriebenen Wärmeübertrager auf. Die Klimaanlage ermöglicht ein Nachheizen lediglich im Wärmepumpenbetrieb. Dabei ist zudem die im zusätzlichen Wärmeübertrager der Sekundärpassage an die Luft abgegebene Heizleistung immer größer als die im als Verdampfer ausgeführten Wärmeübertrager des Primärkreislaufes aufgenommene Kälteleistung. Ein Betrieb im oben genannten Nachheizmodus ist somit nicht möglich.
Aus dem Stand der Technik sind allerdings auch Wärmepumpensysteme bekannt, welche für diesen Betrieb im Nachheizmodus konfiguriert sind.
Aus der DE 10 2011 109 055 A1 geht eine Klimaanlage für ein Fahrzeug mit einem im Wärmepumpen- sowie Kälteanlagenmodus betreibbaren Kältemittelkreislauf hervor. Der Kältemittelkreislauf weist dabei einen Kompressor, einen im Kälteanlagenmodus als Kondensator beaufschlagten Außenwärmeübertrager und einen Innenwärmeübertrager auf. Dem als Verdampfer betriebenen Innenwärmeübertrager ist ein Innenheizkondensator zugeordnet. Die Klimaanlage umfasst zudem eine Vorrichtung zur Erzeugung eines mit dem Innenwärmeübertrager und dem Innenheizkondensator thermisch koppelbaren Luftmassenstromes sowie eine Dosierungsvorrichtung, mittels welcher die Durchströmung des Innenheizkondensators mit einem Teilluftmassenstrom des thermisch gekoppelten Luftmassenstromes dosierbar ist. Der als Wärmepumpenkondensator kontinuierlich durchströmte Innenheizkondensator ist folglich mit dem als Verdampfer ausgebildeten Innenwärmeübertrager luftseitig gekoppelt. Durch Variation des Teilluftmassenstromes über den Wärmepumpenkondensator wird die Heizleistung im Nachheizmodus geregelt.
Dabei kann beim Betrieb im Nachheizmodus der Druck des Kältemittels im Wärmepumpenkondensator nicht signifikant über das Druckniveau im Außenwärmeübertrager eingestellt und damit die Zuluft für den Fahrgastraum nicht wesentlich über die Temperatur der Umgebungsluft erwärmt werden. Der Druck im Außenwärmeübertrager wird im Wesentlichen von der Temperatur der Umgebungsluft bestimmt. Mit ansteigender Temperatur der Umgebungsluft steigt zwar die vom System bereitstellbare Heizleistung, allerdings wird bei höheren Temperaturen der Umgebungsluft die für den thermischen Komfort des Fahrgastraums geforderte Heizleistung auch geringer. Folglich kann das System bei hohen Temperaturen der Umgebungsluft beim Betrieb im Nachheizmodus zwar ausreichend Heizleistung bereitstellen, weist bei geringen Temperaturen der Umgebungsluft, beispielsweise bei Temperaturen unter 20°C jedoch ein Heizleistungsdefizit auf. Zum Erzeugen der erforderlichen Heizleistung muss das System im reinen Wärmepumpenmodus betrieben werden. Allerdings kann in diesem Betriebsmodus keine ausreichende Entfeuchtung der Zuluft für den Fahrgastraum realisiert werden. Der Kältemittelkreislauf schaltet dann zwischen dem Wärmepumpenmodus und dem Kälteanlagenmodus um.
In der DE 10 2009 028 522 A1 wird eine Klimaanlage mit einem als Wärmepumpensystem ausgebildeten Kältemittelkreislauf beschrieben. Der Kältemittelkreislauf weist als Weiterbildung des Kältemittelkreislaufes aus der DE 10 2006 026 359 A1 ebenfalls einen Primärkreislauf und einen Sekundärstrang mit einem Wärmepumpenkondensator auf. Durch eine Aufteilung des gesamten Kältemittelmassenstromes in einen ersten Teilmassenstrom durch den Primärkreislauf, in welchem am Verdampfer die Kälteleistung übertragen wird, und einen zweiten Teilmassenstrom durch die Sekundärpassage, in welchem am Wärmepumpenkondensator die Heizleistung übertragen wird, wird ein Betrieb im Nachheizmodus mit der Regelung der Heizleistung unabhängig von der Kälteleistung ermöglicht. Das Druckniveau des Kältemittels im Wärmepumpenkondensator kann jedoch auch in dieser Ausführung des Kältemittelkreislaufes nicht unabhängig von der Umgebungstemperatur eingeregelt und dabei signifikant über das Druckniveau im Kondensator des Primärkreislaufes eingestellt werden. Dabei kann zwar beim Betrieb im Nachheizmodus ausreichend Heizleistung zur Verfügung gestellt werden, allerdings ist das Temperaturniveau bei Temperaturen der Umgebungsluft von weniger als 20°C für eine komfortable Fahrgastraumklimatisierung nicht ausreichend. Um die dafür erforderliche Heizleistung zu erzielen, muss die Klimaanlage im reinen Wärmepumpenmodus betrieben werden, wobei dann wiederum keine ausreichende Entfeuchtung der Zuluft für den Fahrgastraum sichergestellt werden kann. Der Kältemittelkreislauf schaltet, wie bei der Klimaanlage aus der DE 10 2011 109 055 A1 zwischen dem Wärmepumpenmodus und dem Kälteanlagenmodus um.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Klimaanlage mit einem Kältemittelkreislauf für verschiedene Betriebsmodi, insbesondere den Nachheizmodus, derart weiterzubilden, dass die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft unabhängig von der geforderten Kälteleistung und von dem Temperaturniveau der Umgebungsluft auf ein hohes Temperaturniveau im Bereich von bis zu 50°C bis 60°C aufheizbar ist. Dabei soll auf zusätzliche externe, energieaufwändige Wärmequellen, wie eine PTC-Heizung, verzichtet werden. Der Erfindung liegt des Weiteren die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Betreiben des Kältemittelkreislaufes zur Verfügung zu stellen, mit dem insbesondere im Nachheizbetrieb, ein effizienter Betrieb und die Erwärmung der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft unabhängig von der geforderten Kälteleistung und dem Temperaturniveau der Umgebungsluft auf ein Temperaturniveau oberhalb des Temperaturniveaus der Umgebungsluft möglich ist.
Die Aufgabe wird durch einen für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Wärmepumpenmodus sowie für einen Nachheizmodus ausgebildeten Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeuges gelöst. Der erfindungsgemäße Kältemittelkreislauf weist einen Verdichter, einen Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung, ein erstes Expansionsorgan sowie einen Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr von der zu konditionierenden Luft des Fahrgastraums an das Kältemittel auf. Zudem ist der Kältemittelkreislauf mit einem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum und einem sich in Strömungsrichtung des Kältemittels daran anschließenden zweiten Expansionsorgan ausgebildet.
Nach der Konzeption der Erfindung weist der Kältemittelkreislauf ein drittes Expansionsorgan mit veränderbarem Strömungsquerschnitt auf. Das dritte Expansionsorgan ist derart konfiguriert und im Kältemittelkreislauf angeordnet, dass im vollständig geöffneten Zustand des Expansionsorgans eine nahezu druckverlustfreie Durchströmung des Kältemittels gewährleistet ist und mit einer Verringerung des Strömungsquerschnitts das Druckniveau im Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum über das Druckniveau im Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung einstellbar ist. Für die nahezu druckverlustfreie Durchströmung entspricht der Strömungsquerschnitt des Expansionsorgans im Wesentlichen den Strömungsquerschnitten der am Expansionsorgan angeordneten Verbindungsleitungen des Kältemittelkreislaufes.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind der Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung und der Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr von der zu konditionierenden Luft des Fahrgastraums an das Kältemittel jeweils bidirektional durchströmbar ausgebildet. Zudem weist das erste Expansionsorgan vorteilhaft zwei gegenläufig vom Kältemittel beaufschlagbare Strömungswege auf. Das erste Expansionsorgan ist in zwei entgegengesetzten Strömungsrichtungen, bidirektional durchströmbar.
Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Verdichter eine Abzweigstelle ausgebildet, an welcher der Kältemittelmassenstrom beim Betrieb im Nachheizmodus in einen Teilmassenstrom durch den Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum und einen Teilmassenstrom durch den Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung aufteilbar ist. Das dritte Expansionsorgan ist dabei vorteilhaft zwischen der Abzweigstelle und dem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung angeordnet.
Im Folgenden werden der Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum, welcher im Nachheizmodus zum Nacherwärmen der zuvor abgekühlten und/oder entfeuchteten Luft dient, auch als Nacherhitzer und der Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung, welcher im Nachheizmodus zum Kondensieren des Kältemittels betrieben wird, auch als Kondensator/Gaskühler bezeichnet.
Besonders vorteilhaft ist es, dass der Kältemittelkreislauf einen Primärkreislauf und einen Sekundärstrang aufweist. Der Verdichter, der Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung, das erste Expansionsorgan sowie der Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr von der zu konditionierenden Luft des Fahrgastraums an das Kältemittel sind im Primärkreislauf angeordnet. Der Sekundärstrang ist bevorzugt aus zwei Strömungspfaden ausgebildet. Der erste Strömungspfad erstreckt sich ausgehend von einer zwischen dem Verdichter und dem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung angeordneten Abzweigstelle bis zu einer zwischen dem Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr von der zu konditionierenden Luft des Fahrgastraums an das Kältemittel und dem Verdichter angeordneten Mündungsstelle. Der erste Strömungspfad weist vorteilhaft den Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum sowie das zweite Expansionsorgan auf. Der zweite Strömungspfad erstreckt sich ausgehend von einer zwischen dem Verdichter und dem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung angeordneten Abzweigstelle bis zu einer zwischen dem Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr von der zu konditionierenden Luft des Fahrgastraums an das Kältemittel und dem Verdichter angeordneten Mündungsstelle.
Die Massenströme des Kältemittels sind beim Betrieb im Nachheizmodus vorteilhaft auf den Primärkreislauf und den ersten Strömungspfad aufteilbar. Das dritte Expansionsorgan ist bevorzugt zwischen der Abzweigstelle des ersten Strömungspfades und der Abzweigstelle des zweiten Strömungspfades des Sekundärstranges innerhalb des Primärkreislaufes angeordnet.
Der Primärkreislauf weist zudem zwischen den Mündungsstellen der Strömungspfade des Sekundärstranges ein bevorzugt als Absperrventil beziehungsweise Schaltventil ausgebildetes Ventil auf.
Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum und der Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung über eine Verbindungsleitung direkt miteinander verbunden. Das dritte Expansionsorgan ist innerhalb der Verbindungsleitung angeordnet. Der gesamte im Kältemittelkreislauf zirkulierende Kältemittelmassenstrom strömt nacheinander durch beide Wärmeübertrager. Im Vergleich zur ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird der Kältemittelmassenstrom beim Betrieb im Nachheizmodus nicht in einen Teilmassenstrom durch den ersten und einen Teilmassenstrom durch den zweiten Wärmeübertrager aufgeteilt. Die Wärmeleistungen werden mittels der unterschiedlichen Druckniveaus beziehungsweise Temperaturniveaus eingestellt.
Die Aufgabe der Erfindung wird zudem durch einen erfindungsgemäßen Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeuges, aufweisend einen Verdichter und eine in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Verdichter angeordnete Abzweigstelle, einen Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung sowie einen Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum, gelöst. Der Kältemittelkreislauf ist für einen kombinierten Betrieb der Klimaanlage im Kälteanlagen- und Wärmepumpenmodus sowie für einen Nachheizmodus ausgebildet. Der Kältemittelmassenstrom ist beim Betrieb im Nachheizmodus in einen Teilmassenstrom durch den Nacherhitzer und einen Teilmassenstrom durch den Kondensator/Gaskühler aufteilbar.
Nach der Konzeption der Erfindung ist innerhalb des Kältemittelkreislaufes zwischen der Abzweigstelle und dem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung ein Expansionsorgan mit veränderbarem Strömungsquerschnitt angeordnet. Das Expansionsorgan ist derart ausgebildet, dass im vollständig geöffneten Zustand eine druckverlustfreie Durchströmung des Kältemittels gewährleistet ist und mit einer Verringerung des Strömungsquerschnitts das Druckniveau im Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum über das Druckniveau im Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung einstellbar ist. Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufes im Nachheizmodus ist das Druckniveau des Kältemittels im Nacherhitzer damit höher als das Druckniveau im Kondensator/Gaskühler.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben des für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Wärmepumpenmodus sowie im Nachheizmodus ausgebildeten Kältemittelkreislaufes einer Klimaanlage zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeuges mit einem Verdichter, einem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung, einem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum und einem Expansionsorgan, weist beim Betrieb im Nachheizmodus folgende Schritte auf:

– Aufteilen des Kältemittelmassenstromes in einen Teilmassenstrom durch den Nacherhitzer und einen Teilmassenstrom durch den Kondensator/Gaskühler,
– Verringern des Strömungsquerschnitts des Expansionsorgans und Entspannen des Teilmassenstromes durch den Kondensator/Gaskühler beim Durchströmen des Expansionsorgans sowie gleichzeitiges Erhöhen des Druckniveaus des Teilmassenstromes durch den Nacherhitzer.

Das Druckniveau des Kältemittels im Nacherhitzer wird dabei erfindungsgemäß über das Druckniveau des Kältemittels im Kondensator/Gaskühler erhöht, das heißt, das Druckniveau des Kältemittels im Nacherhitzer ist höher als das Druckniveau im Kondensator/Gaskühler. Damit wird die Temperatur des Kältemittels im Nacherhitzer unabhängig von der Temperatur des Kältemittels im Kondensator/Gaskühler geregelt, sodass die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft auf eine Temperatur oberhalb der Temperatur der Umgebungsluft erwärmt wird.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben des für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Wärmepumpenmodus sowie im Nachheizmodus ausgebildeten Kältemittelkreislaufes einer Klimaanlage zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeuges mit einem Verdichter, einem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung, einem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum und einem Expansionsorgan, weist beim Betrieb im Nachheizmodus folgende Schritte auf:

– Verringern des Strömungsquerschnitts des Expansionsorgans und Entspannen des Kältemittelmassenstromes von einem höheren Druckniveau im Nacherhitzer beim Durchströmen des Expansionsorgans auf ein geringeres Druckniveau im Kondensator/Gaskühler,
– Regeln der Temperatur des Kältemittels im Nacherhitzer unabhängig von der Temperatur des Kältemittels im Kondensator/Gaskühler, sodass die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft auf Temperaturen oberhalb der Temperatur der Umgebungsluft erwärmt wird.

Das Kältemittel wird vor dem Erreichen des Kondensators/Gaskühlers beim Durchströmen des Expansionsorgans entspannt und gleichzeitig das Druckniveau des Kältemittels im Nacherhitzer erhöht. Das Druckniveau des Kältemittels im Nacherhitzer liegt dabei über dem Druckniveau des Kältemittels im Kondensator/Gaskühler.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung beim Betrieb im Kälteanlagen- und Nachheizmodus in Bezug auf den Betrieb im Wärmepumpenmodus vom Kältemittel in entgegengesetzter Richtung durchströmt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, nach welcher der Kältemittelkreislauf einen Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr von der zu konditionierenden Luft des Fahrgastraums an das Kältemittel sowie ein zwischen diesem Wärmeübertrager und dem Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung angeordnetes Expansionsorgan aufweist, werden das Expansionsorgan sowie der Wärmeübertrager zur Wärmezufuhr von der zu konditionierenden Luft des Fahrgastraums an das Kältemittel beim Betrieb im Kälteanlagen- und Nachheizmodus in Bezug auf den Betrieb im Wärmepumpenmodus vom Kältemittel in entgegengesetzter Richtung durchströmt.
Der besondere Vorteil der Erfindung liegt darin, dass beim Betrieb im Nachheizmodus der Druck des Kältemittels im Nacherhitzer signifikant über das Druckniveau im Kondensator/Gaskühler als Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen Kältemittel und Umgebung eingestellt und damit die Zuluft für den Fahrgastraum wesentlich über die Temperatur der Umgebungsluft erwärmt werden kann. Mit dem Kältemittelkreislauf kann sowohl bei hohen als auch bei geringen Temperaturen der Umgebungsluft, beispielsweise unter 20°C, beim Betrieb im Nachheizmodus ausreichend Heizleistung bereitgestellt werden. Zudem kann in diesem Betriebsmodus eine ausreichende Entfeuchtung der Zuluft für den Fahrgastraum sichergestellt werden.
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 beim Einsatz in Hybridfahrzeugen,
– Reduzierung der erforderlichen Leistung zur Aufheizung des Fahrgastraums und mögliches Aufheizen im Umluftbetrieb der Lüftung,
– gute Dynamik und geringe Komplexität gegenüber anderen Zuheizsystemen mit vergleichbarer Funktionalität sowie
– Nachheizbetrieb bei dem die Heizleistung des Nacherhitzers geringer ist als die Kälteleistung im Verdampfer.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. In den Figuren sind jeweils Kältemittelkreisläufe der Klimaanlage im Kälteanlagen-, Wärmepumpen- oder Nachheizbetrieb dargestellt. Es zeigen:
1: Kältemittelkreislauf mit Primärkreislauf und Sekundärpassage mit einem Expansionsorgan auf der Hochdruckseite des Primärkreislaufes sowie
2: Kältemittelkreislauf mit einem Expansionsorgan in der Verbindungsleitung zwischen zwei im Nachheizbetrieb jeweils als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertragern.
In 1 ist ein Kältemittelkreislauf 1 der Fahrzeugklimaanlage mit einem Primärkreislauf und einem Sekundärstrang dargestellt. Beim Betrieb im Kälteanlagenmodus strömt das Kältemittel durch den Primärkreislauf in Strömungsrichtung nacheinander durch den als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 2, den Sammler 3, den Verdichter 4, den als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager 5 und das als bidirektional durchströmbares Expansionsventil ausgebildete Expansionsorgan 6. Die Strömungsrichtung des Kältemittels ist dabei mittels Pfeilen mit gestrichelten Linien verdeutlicht. Das zum Abkühlen der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft zirkulierende Kältemittel wird im Verdichter 4 verdichtet und dem Wärmeübertrager 5 zugeleitet. Im Wärmeübertrager 5 gibt das Kältemittel Wärme an die Umgebungsluft ab. Nachfolgend wird das Kältemittel beim Durchströmen des Expansionsorgans 6 auf das im Verdampfer 2 vorherrschende Druckniveau expandiert. Das dabei erzeugte Zwei-Phasengemisch wird im Wärmeübertrager 2 verdampft und die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft auf die gewünschte Temperatur abgekühlt. Nach dem Ausströmen aus dem Wärmeübertrager 2 wird das Kältemittel zum Sammler 3 geleitet, in welchem die bei unvollständiger Verdampfung noch vorhandene Kältemittelflüssigkeit abgeschieden und gespeichert wird. Das Kältemittel wird vom Verdichter 4 aus dem Sammler 3 angesaugt und erneut verdichtet.
Erfolgt die Verflüssigung des Kältemittels bei unterkritischem Betrieb, wie zum Beispiel mit dem Kältemittel R134a oder bei bestimmten Umgebungsbedingungen mit Kohlendioxid, wird der Wärmeübertrager 5 als Kondensator bezeichnet. Ein Teil der Wärmeübertragung findet bei konstanter Temperatur statt. Bei überkritischem Betrieb beziehungsweise bei überkritischer Wärmeabgabe im Wärmeübertrager 5, nimmt die Temperatur des Kältemittels stetig ab. In diesem Fall wird der Wärmeübertrager 5 auch als Gaskühler bezeichnet. Überkritischer Betrieb kann unter bestimmten Umgebungsbedingungen oder Betriebsweisen der Fahrzeugklimaanlage 1 mit dem Kältemittel Kohlendioxid auftreten.
Beim Betrieb im Wärmepumpenmodus wird neben dem Primärkreislauf auch der aus zwei Strömungspfaden 7, 8 ausgebildete Sekundärstrang von Kältemittel durchströmt. Der erste Strömungspfad 7 erstreckt sich, ausgehend von der Abzweigstelle 9, bis zur Mündungsstelle 10 des Primärkreislaufes. Die Abzweigstelle 9 ist dabei in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Verdichter 4, das heißt am Austritt des Verdichters 4, und die Mündungsstelle 10 in Strömungsrichtung des Kältemittels beim Betrieb im Kälteanlagenmodus nach dem Wärmeübertrager 2, das heißt am Austritt des Wärmeübertragers 2, angeordnet. Der erste Strömungspfad 7 weist in Strömungsrichtung des Kältemittels nach der Abzweigstelle 9 ein Ventil 11, einen als Kondensator/Gaskühler ausgebildeten Wärmeübertrager 12 und nachfolgend ein Expansionsorgan 13 auf. Der zweite Strömungspfad 8 erstreckt sich, ausgehend von der Abzweigstelle 14, bis zur Mündungsstelle 15 des Primärkreislaufes. Die Abzweigstelle 14 ist in Strömungsrichtung des Kältemittels beim Betrieb im Kälteanlagenmodus vor dem Wärmeübertrager 5, das heißt am Eintritt des Wärmeübertragers 5, und die Mündungsstelle 15 vor dem Sammler 3, das heißt am Eintritt des Sammlers 3, angeordnet. Der zweite Strömungspfad 8 weist ein Ventil 16 auf. Zwischen den Abzweigstellen 9, 14 sowie den Mündungsstellen 10, 15 der Sekundärpassage ist im Kältemittelkreislauf 1 jeweils ein weiteres Ventil 17, 18 angeordnet. Die Ventile 11, 17 sind mit der Abzweigstelle 9 und die Ventile 16, 18 sind mit der Mündungsstelle 15 jeweils als eine Ventilanordnung ausgebildet.
Im Wärmepumpenmodus werden die Ventile 11, 16, 17, 18 derart angesteuert, dass der Kältemittelmassenstrom nach dem Verdichter 4 durch den ersten Strömungspfad 7 und somit den als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager 12 geleitet wird. Während beim Betrieb im Kälteanlagenmodus die Ventile 11, 16 geschlossen und die Ventile 17, 18 geöffnet sind, sind die Ventile 11, 16 beim Betrieb im Wärmepumpenmodus geöffnet und die Ventile 17, 18 geschlossen. Die Pfeile mit durchgezogenen Linien verdeutlichen die Strömungsrichtung des Kältemittels beim Betrieb im Wärmepumpenmodus.
Im Wärmeübertrager 12 wird die Wärme vom Kältemittel an die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft übertragen. Der als Kondensator/Gaskühler betriebene Wärmeübertrager 12 wird auch als Nacherhitzer bezeichnet. Anschließend wird das Kältemittel im als Expansionsventil ausgebildeten Expansionsorgan 13 vom Hochdruckniveau auf ein Mitteldruckniveau zwischen dem Niveau bei Wärmeabgabe im Wärmeübertrager 12 und dem Niveau bei Wärmeaufnahme im Wärmeübertrager 5 expandiert. Mit Hilfe des Mitteldruckniveaus wird somit das kältemittelseitige Temperaturniveau im als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 2 geregelt. Im Wärmeübertrager 2 wird das Kältemittel teilweise verdampft, wobei die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft abgekühlt und entfeuchtet wird. Wenn gewährleistet ist, dass die Lufttemperatur vor dem Verdampfer 2 höher ist als 0°C, kann die über den Wärmeübertrager 2 strömende Luft ohne Vereisung der Wärmeübertragungsfläche entfeuchtet und die getrocknete Luft im Kondensator/Gaskühler 12 auf ein zur Beheizung des Fahrgastraums erforderliches Temperaturniveau erwärmt beziehungsweise aufgeheizt werden. Das im Wärmeübertrager 2 teilweise verdampfte Kältemittel wird in dem als bidirektional durchströmbar ausgebildeten Expansionsorgan 6 auf ein der Umgebungstemperatur entsprechendes Druckniveau ins Zweiphasengebiet entspannt. Das bidirektional durchströmbare Expansionsorgan 6 wird bezüglich des Betriebes im Kälteanlagenmodus in entgegengesetzter Richtung durchströmt. Im Wärmeübertrager 5 wird vom Kältemittel Wärme aus der Umgebung aufgenommen und das Kältemittel weiter verdampft. Nach Erreichen der Abzweigstelle 14 durchströmt das Kältemittel den zweiten Strömungspfad 8 der Sekundärpassage, passiert das Ventil 16 und strömt in den Sammler 3. Der Kältemittelkreislauf 1 ist geschlossen.
Neben der Umgebungsluft als Wärmequelle ist zusätzlich die latente Wärme der Luft des Fahrgastraums nutzbar. Die bei der Entfeuchtung der Umluft, insbesondere bei der Abkühlung beziehungsweise Temperaturänderung des Luftstromes, abgeführte Wärme ist als sensibler Anteil im Wärmeübertrager 12 dem Luftstrom wieder zuzuführen. Der latente Anteil der bei der Entfeuchtung zur Kondensation der Luftfeuchtigkeit abgeführten Wärme und keine Temperaturänderung des Luftstromes bewirkt, muss dem Luftstrom nicht wieder zugeführt werden. Da das Nachheizen dieses Anteils der aus der Umluft abgeführten Wärme entfällt, stellt die latente Wärme eine zusätzliche, dem Kältemittelkreislauf 1 zugeführte Wärme dar.
Der Betrieb im „Reheat”- beziehungsweise Nachheizmodus des Kältemittelkreislaufes 1 ist anhand der Pfeile mit punktierten Linien gekennzeichnet. Dabei wird das Expansionsorgan 13 bei geöffneten Ventilen 11, 17 derart geregelt, dass am Wärmeübertrager 12 eine Heizleistung bereitstellbar ist, welche geringer sein kann als die Kälteleistung am Wärmeübertrager 2. Die Heizleistung am als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager 12 ist damit unabhängig von der Kälteleistung im als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 2 regelbar. Das Ventil 18 ist ebenfalls geöffnet, während das Ventil 16 geschlossen ist.
Das Ventil 17 der dem Verdichter 4 in Strömungsrichtung des Kältemittels nachgeordneten Ventilanordnung ist als ein regelbares Expansionsorgan, insbesondere als extern regelbares Expansionsventil, ausgebildet. Das vollständig geöffnete Ventil 17 ermöglicht mit einem maximalen Öffnungsdurchmesser, welcher entsprechend dem Innendurchmesser der Verbindungsleitungen ausgebildet ist, beim Betrieb des Kältemittelkreislaufes 1 im Kälteanlagenmodus eine nahezu druckverlustfreie Durchströmung des Kältemittels.
Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufes 1 im Nachheizmodus wird das Ventil 17 derart geregelt, dass sich im als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager 12 ein höheres Druckniveau als im Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager 5 einstellt. Dabei wird der Strömungsquerschnitt im als Expansionsventil ausgebildeten Expansionsorgan 17 verringert. Das Druck- und Temperaturniveau im Wärmeübertrager 12 zum Nachheizen beziehungsweise Erwärmen der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft ist damit unabhängig von der Temperatur der den Wärmeübertrager 5 umströmenden Luft der Umgebung einstellbar. Das Druckniveau des Kältemittels im Wärmeübertrager 5 wird neben der Beaufschlagung und Durchströmung sowie der Konstruktion im Wesentlichen durch die Temperatur der Umgebungsluft bestimmt. Mittels der Verringerung des Strömungsquerschnitts im als Expansionsventil ausgebildeten Expansionsorgan 17 wird das Druckniveau des Kältemittels im Wärmeübertrager 5 verringert. Da dieses Druckniveau jedoch von den äußeren Bedingungen der Umgebung abhängig ist, wird mit der Verringerung des Strömungsquerschnitts des Expansionsorgans 17 der Druck des Kältemittels in Strömungsrichtung vor dem Expansionsorgan 17 erhöht. Das Ventil 11, welches bei geöffnetem Zustand die Durchströmung des ersten Strömungspfades 7 der Sekundärpassage ermöglicht, ist als Schaltventil beziehungsweise Absperrventil ausgebildet. Bei geöffnetem Ventil 11 wird mit der Verringerung des Strömungsquerschnitts im Expansionsorgan 17 somit das Druckniveau im Wärmeübertrager 12 geregelt.
Obwohl das Ventil 17 beim Betrieb im Nachheizmodus nicht vom Teilmassenstrom des Kältemittels durch den Wärmeübertrager 12 zum Nacherhitzen der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft durchströmt wird, wird mit der Verstellung des Strömungsquerschnitts des Ventils 17 das Druckniveau und damit das Temperaturniveau innerhalb des Wärmeübertragers 12 geregelt. Mit der Variation und Anpassung des Temperaturniveaus innerhalb des Wärmeübertragers 12 wird die Temperatur der Zuluft für den Fahrgastraum unabhängig von der Temperatur der Umgebungsluft eingestellt.
2 zeigt einen Kältemittelkreislauf 1' der Fahrzeugklimaanlage, welcher insbesondere in der Ausbildung des Sekundärstranges vom Kältemittelkreislauf 1 aus 1 abweicht. Beim Betrieb im Kälteanlagenmodus und im Nachheizmodus strömt das Kältemittel, ausgehend vom Verdichter 4', in Strömungsrichtung nacheinander durch den Wärmeübertrager 12', das Ventil 19, den als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager 5', das als bidirektional durchströmbares Expansionsventil ausgebildete Expansionsorgan 6', den als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 2' und über das Drei-Wege-Ventil 20 in den Sammler 3'. Die Strömungsrichtung des Kältemittels ist mittels Pfeilen mit strich-punktierten Linien verdeutlicht.
Das beim Betrieb des Kältemittelkreislaufes 1' im Kälteanlagenmodus zum Abkühlen der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft zirkulierende Kältemittel wird im Verdichter 4' verdichtet und dem Wärmeübertrager 12' zugeleitet. Der im Kanal für die Zuluft für den Fahrgastraum angeordnete Wärmeübertrager 12' wird dabei nicht mit Luft beaufschlagt. Es wird keine Wärme übertragen. Das vollständig geöffnete, als ein extern regelbares Expansionsorgan, insbesondere als Expansionsventil, ausgebildete Ventil 19 ermöglicht mit einem maximalen Öffnungsdurchmesser, welcher dem Innendurchmesser der Verbindungsleitungen entspricht, eine nahezu druckverlustfreie Durchströmung des Kältemittels. Nachfolgend gibt das Kältemittel beim Durchströmen des als Gaskühler/Kondensator betriebenen Wärmeübertragers 5' Wärme an die Umgebungsluft ab, wird dabei enthitzt und kondensiert. Im Wärmeübertrager 2' nimmt das Kältemittel Wärme auf. Die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft wird abgekühlt und entfeuchtet.
Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufes 1' im Nachheizmodus wird das im Verdichter 4' verdichtete Kältemittel ebenfalls dem Wärmeübertrager 12' zugeleitet. Im Kondensator/Gaskühler 12' wird Wärme vom Kältemittel an die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft übertragen. Die Luft wird erwärmt. Der Wärmeübertrager 12' wird auch als Nacherhitzer bezeichnet. Das Expansionsorgan 19 wird derart geregelt, dass sich im Wärmeübertrager 12' ein höheres Druckniveau als im ebenfalls als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager 5' einstellt. Durch Verringerung des Strömungsquerschnitts des Expansionsorgans 19 wird das Druck- und Temperaturniveau im Wärmeübertrager 12' zum Nachheizen beziehungsweise Erwärmen der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft unabhängig von der Temperatur der den Wärmeübertrager 5' umströmenden Luft der Umgebung erhöht. Das Druckniveau des Kältemittels im Wärmeübertrager 5' wird durch die Beaufschlagung und Durchströmung sowie die Konstruktion, aber im Wesentlichen durch die Temperatur der Umgebungsluft bestimmt. Mit Hilfe der Verringerung des Strömungsquerschnitts im als Expansionsventil ausgebildeten Expansionsorgan 19 wird so das Druckniveau des Kältemittels im Wärmeübertrager 5' verringert. Da dieses Druckniveau jedoch von den äußeren Bedingungen der Umgebung abhängig ist, wird mit der Verringerung des Strömungsquerschnitts des Expansionsorgans 19 der Druck des Kältemittels in Strömungsrichtung vor dem Expansionsorgan 19 und damit im Wärmeübertrager 12' erhöht beziehungsweise geregelt. Der Kältemittelmassenstrom, dessen Druck eingestellt wird, strömt durch das Ventil 19. Die Expansionseinrichtung ist dabei innerhalb der Verbindungsleitung zwischen dem Wärmeübertrager 12' und dem Wärmeübertrager 5', welche jeweils als Kondensator/Gaskühler betrieben werden, angeordnet. Mit der Variation und Anpassung des Temperaturniveaus innerhalb des Wärmeübertragers 12' wird die Temperatur der Zuluft für den Fahrgastraum unabhängig von der Temperatur der Umgebungsluft eingestellt.
Nach dem Austreten aus dem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager 5' passiert das Kältemittel sowohl beim Betrieb im Kälteanlagenmodus als auch im Nachheizmodus das Expansionsorgan 6', um auf das im Verdampfer 2' vorherrschende Druckniveau entspannt zu werden. Das dabei erzeugte Zwei-Phasengemisch wird im Wärmeübertrager 2' verdampft und die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft abgekühlt und entfeuchtet. Nach dem Ausströmen aus dem Wärmeübertrager 2' wird das Kältemittel durch das Drei-Wege-Ventil 20 zum Sammler 3' geleitet, in welchem die bei unvollständiger Verdampfung noch vorhandene Kältemittelflüssigkeit abgeschieden und gespeichert wird. Das Kältemittel wird vom Verdichter 4' aus dem Sammler 3' angesaugt. Der Kältemittelkreislauf 1' ist geschlossen.
Beim Betrieb im Wärmepumpenmodus zirkuliert das Kältemittel ähnlich 1 im Kältemittelkreislauf 1'. Dabei wird eine sich von einer Abzweigstelle 21 am Austritt des Wärmeübertragers 12' bis zu einer Mündungsstelle 10' erstreckende Verbindungsleitung durchströmt. Die Mündungsstelle 10' ist in Strömungsrichtung des Kältemittels im Kälteanlagenmodus am Austritt des Wärmeübertragers 2' angeordnet. Die Verbindungsleitung weist ein als Expansionsventil ausgebildetes Expansionsorgan 13' auf. Das Ventil 19 ist geschlossen. Die Pfeile mit durchgezogenen Linien verdeutlichen die Strömungsrichtung des Kältemittels beim Betrieb im Wärmepumpenmodus.
Im Wärmeübertrager 12' wird die Wärme vom Verdichter 4' verdichteten Kältemittel an die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft übertragen. Anschließend wird das Kältemittel im Expansionsorgan 13' vom Hochdruckniveau auf ein Mitteldruckniveau zwischen dem Niveau bei Wärmeabgabe im Wärmeübertrager 12' und dem Niveau bei Wärmeaufnahme im Wärmeübertrager 5' expandiert. Mit Hilfe des Mitteldruckniveaus wird somit das kältemittelseitige Temperaturniveau im Verdampfer 2' geregelt. Dabei ist am Wärmeübertrager 12' eine Heizleistung bereitstellbar ist, welche geringer sein kann als die Kälteleistung am Wärmeübertrager 2'. Die Heizleistung am als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager 12' ist damit unabhängig von der Kälteleistung im als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager 2' regelbar. Im Wärmeübertrager 2' wird das Kältemittel teilweise verdampft, wobei die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft abgekühlt und entfeuchtet wird. Die getrocknete Luft wird im Kondensator/Gaskühler 12' wieder auf ein zur Beheizung des Fahrgastraums erforderliches Temperaturniveau erwärmt. Das im Wärmeübertrager 2' teilweise verdampfte Kältemittel wird in dem als bidirektional durchströmbar ausgebildeten Expansionsorgan 6' auf ein der Umgebungstemperatur entsprechendes Druckniveau ins Zweiphasengebiet entspannt. Das bidirektional durchströmbare Expansionsorgan 6' wird bezüglich des Betriebes im Kälteanlagenmodus in entgegengesetzter Richtung durchströmt. Im Wärmeübertrager 5' wird vom Kältemittel Wärme aus der Umgebung aufgenommen und das Kältemittel weiter verdampft. Nach dem Austreten aus dem Wärmeübertrager 5' wird das Kältemittel durch das Drei-Wege-Ventil 20 in den Sammler 3' geleitet und vom Verdichter 4' angesaugt. Der Kältemittelkreislauf 1' ist geschlossen.
Bezugszeichenliste

1, 1': Kältemittelkreislauf
2, 2': Wärmeübertrager, Verdampfer
3, 3': Sammler
4, 4': Verdichter
5, 5': Wärmeübertrager
6, 6': Expansionsorgan
7: erster Strömungspfad Sekundärstrang
8: zweiter Strömungspfad Sekundärstrang
9: Abzweigstelle
10, 10': Mündungsstelle
11: Ventil
12, 12': Wärmeübertrager, Kondensator/Gaskühler
13, 13': Expansionsorgan
14: Abzweigstelle
15: Mündungsstelle
16: Ventil
17: Ventil, Expansionsorgan
18: Ventil
19: Ventil, Expansionsorgan
20: Drei-Wege-Ventil
21: Abzweigstelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006026359 A1 [0007, 0011]
DE 102011109055 A1 [0009, 0011]
DE 102009028522 A1 [0011]

Claims

Kältemittelkreislauf (1, 1') einer Klimaanlage zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeuges, welcher für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Wärmepumpenmodus sowie für einen Nachheizmodus ausgebildet ist, aufweisend: – einen Verdichter (4, 4'), einen Wärmeübertrager (5, 5') zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung, ein erstes Expansionsorgan (6, 6') sowie einen Wärmeübertrager (2, 2') zur Wärmezufuhr von der zu konditionierenden Luft des Fahrgastraums an das Kältemittel, – einen Wärmeübertrager (12, 12') zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum und ein sich in Strömungsrichtung des Kältemittels daran anschließendes zweites Expansionsorgan (13, 13'), dadurch gekennzeichnet, dass ein drittes Expansionsorgan (17, 19) mit veränderbarem Strömungsquerschnitt ausgebildet ist, welches derart konfiguriert und im Kältemittelkreislauf (1, 1') angeordnet ist, dass – im vollständig geöffneten Zustand eine druckverlustfreie Durchströmung des Kältemittels gewährleistet ist und – mit einer Verringerung des Strömungsquerschnitts das Druckniveau im Wärmeübertrager (12, 12') zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum über das Druckniveau im Wärmeübertrager (5, 5') zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung einstellbar ist.
Kältemittelkreislauf (1, 1') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Wärmeübertrager (5, 5') und der Wärmeübertrager (2, 2') jeweils bidirektional durchströmbar sowie – das erste Expansionsorgan (6, 6') mit zwei gegenläufig vom Kältemittel beaufschlagbaren Strömungswegen ausgebildet sind.
Kältemittelkreislauf (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Verdichter (4) eine Abzweigstelle (9) ausgebildet ist, an welcher der Kältemittelmassenstrom beim Betrieb im Nachheizmodus in einen Teilmassenstrom durch den Wärmeübertrager (12) zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum und einen Teilmassenstrom durch den Wärmeübertrager (5) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung aufteilbar ist, wobei das dritte Expansionsorgan (17) zwischen der Abzweigstelle (9) und dem Wärmeübertrager (5) angeordnet ist.
Kältemittelkreislauf (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Primärkreislauf und ein Sekundärstrang ausgebildet sind, wobei – der Verdichter (4), der Wärmeübertrager (5), das erste Expansionsorgan (6) sowie der Wärmeübertrager (2) in dem Primärkreislauf angeordnet sind, – der Sekundärstrang aus zwei Strömungspfaden (7, 8) ausgebildet ist, wobei – sich der erste Strömungspfad (7) ausgehend von einer zwischen dem Verdichter (4) und dem Wärmeübertrager (5) angeordneten Abzweigstelle (9) bis zu einer zwischen dem Wärmeübertrager (2) und dem Verdichter (4) angeordneten Mündungsstelle (10) erstreckt und den Wärmeübertrager (12) sowie das zweite Expansionsorgan (13) aufweist, – sich der zweite Strömungspfad (8) ausgehend von einer zwischen dem Verdichter (4) und dem Wärmeübertrager (5) angeordneten Abzweigstelle (14) bis zu einer zwischen dem Wärmeübertrager (2) und dem Verdichter (4) angeordneten Mündungsstelle (15) erstreckt, wobei die Massenströme des Kältemittels beim Betrieb im Nachheizmodus auf den Primärkreislauf und den ersten Strömungspfad (7) aufteilbar sind, – das dritte Expansionsorgan (17) zwischen der Abzweigstelle (9) des ersten Strömungspfades (7) und der Abzweigstelle (14) des zweiten Strömungspfades (8) angeordnet ist.
Kältemittelkreislauf (1') nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (12') zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum und der Wärmeübertrager (5') zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung über eine Verbindungsleitung direkt miteinander verbunden sind, wobei das dritte Expansionsorgan (19) innerhalb der Verbindungsleitung angeordnet ist.
Kältemittelkreislauf (1) einer Klimaanlage zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeuges, welcher für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Wärmepumpenmodus sowie für einen Nachheizmodus ausgebildet ist, aufweisend: – einen Verdichter (4) und eine in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Verdichter (4) angeordnete Abzweigstelle (9), – einen Wärmeübertrager (5) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung sowie – einen Wärmeübertrager (12) zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum, wobei der Kältemittelmassenstrom beim Betrieb im Nachheizmodus in einen Teilmassenstrom durch den Wärmeübertrager (12) und einen Teilmassenstrom durch den Wärmeübertrager (5) aufteilbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Abzweigstelle (9) und dem Wärmeübertrager (5) ein Expansionsorgan (17) mit veränderbarem Strömungsquerschnitt angeordnet ist, wobei das Expansionsorgan (17) derart ausgebildet ist, dass – im vollständig geöffneten Zustand eine druckverlustfreie Durchströmung des Kältemittels gewährleistet ist und – mit einer Verringerung des Strömungsquerschnitts das Druckniveau im Wärmeübertrager (12) über das Druckniveau im Wärmeübertrager (5) einstellbar ist.
Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufes (1) einer Klimaanlage zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeuges, welcher für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Wärmepumpenmodus sowie im Nachheizmodus ausgebildet ist, wobei der Kältemittelkreislauf (1) einen Verdichter (4), einen Wärmeübertrager (5) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung, einen Wärmeübertrager (12) zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum und ein Expansionsorgan (17) aufweist, beim Betrieb im Nachheizmodus folgende Schritte aufweisend: – Aufteilen des Kältemittelmassenstromes in einen Teilmassenstrom durch den Wärmeübertrager (12) und einen Teilmassenstrom durch den Wärmeübertrager (5), – Verringern des Strömungsquerschnitts des Expansionsorgans (17) und Entspannen des Teilmassenstromes durch den Wärmeübertrager (5) beim Durchströmen des Expansionsorgans (17) sowie gleichzeitiges Erhöhen des Druckniveaus des Teilmassenstromes durch den Wärmeübertrager (12), wobei das Druckniveau des Kältemittels im Wärmeübertrager (12) über das Druckniveau des Kältemittels im Wärmeübertrager (5) erhöht wird, – Regeln der Temperatur des Kältemittels im Wärmeübertrager (12) unabhängig von der Temperatur des Kältemittels im Wärmeübertrager (5), sodass die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft auf Temperaturen oberhalb der Temperatur der Umgebungsluft erwärmt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufes (1') einer Klimaanlage zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeuges, welcher für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Wärmepumpenmodus sowie für einen Nachheizmodus ausgebildet ist, wobei der Kältemittelkreislauf (1') einen Verdichter (4'), einen Wärmeübertrager (5') zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung, einen Wärmeübertrager (12') zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die zu konditionierende Luft für den Fahrgastraum und ein Expansionsorgan (19) aufweist, beim Betrieb im Nachheizmodus folgende Schritte aufweisend: – Verringern des Strömungsquerschnitts des Expansionsorgans (19) und Entspannen des Kältemittelmassenstromes von einem höheren Druckniveau im Wärmeübertrager (12') beim Durchströmen des Expansionsorgans (19) auf ein geringeres Druckniveau im Wärmeübertrager (5'), – Regeln der Temperatur des Kältemittels im Wärmeübertrager (12') unabhängig von der Temperatur des Kältemittels im Wärmeübertrager (5'), sodass die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft auf Temperaturen oberhalb der Temperatur der Umgebungsluft erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (5, 5') zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung beim Betrieb im Kälteanlagen- und Nachheizmodus in Bezug auf den Betrieb im Wärmepumpenmodus vom Kältemittel in entgegengesetzter Richtung durchströmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der Kältemittelkreislauf (1) einen Wärmeübertrager (2, 2') zur Wärmezufuhr von der zu konditionierenden Luft des Fahrgastraums an das Kältemittel sowie ein zwischen dem Wärmeübertrager (2, 2') und dem Wärmeübertrager (5, 5') zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Umgebung angeordnetes Expansionsorgan (6, 6') aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsorgan (6, 6') sowie der Wärmeübertrager (2, 2') beim Betrieb im Kälteanlagen- und Nachheizmodus in Bezug auf den Betrieb im Wärmepumpenmodus vom Kältemittel in entgegengesetzter Richtung durchströmt werden.