DE102013003015A1 - Wärmepumpe und Klimaanlage für Fahrzeuge mit einer solchen Wärmepumpe sowie Verfahren zum Betreiben derselben - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe mit einem Kompressor (1), einem Kondensator (2), einem Expansionsventil (3) und einem Verdampfer (4), welche aufeinanderfolgend mittels Arbeitsmittelleitungen (9, 10, 11, 12, 13) für einen Arbeitsmittelkreislauf verbunden sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass in der den Kompressor (1) mit dem Kondensator (2) verbindenden Arbeitsmittelleitung (9, 10) ein Drosselventil (5) geschaltet ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Klimaanlage (20) für ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe sowie ein Verfahren zum Betreiben der Wärmepumpe bzw. der eine erfindungsgemäße Wärmepumpe aufweisenden Klimaanlage (20) für ein Fahrzeug
Description
- Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe mit einem Kompressor, einem Kondensator, einem Expansionsventil und einem Verdampfer, welche aufeinanderfolgend mittels Arbeitsmittelleitungen für einen Arbeitsmittelkreislauf verbunden sind. Ferner betrifft die Erfindung eine Klimaanlage für ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe sowie ein Verfahren zum Betreiben der Wärmepumpe bzw. der eine erfindungsgemäße Wärmepumpe aufweisenden Klimaanlage für ein Fahrzeug.
- Es ist bekannt, dass Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge mit einer Klimaanlage ausgestattet werden, die von einem Kältebetrieb in einen Wärmebetrieb und umgekehrt geschaltet werden können. Im Wärmebetrieb ist der Arbeitsmittelkreislauf als Wärmepumpen-Kreislauf so geführt, dass der Reihe nach in Fließrichtung des Arbeitsmittels ein Kompressor, ein Kondensator, ein Expansionsventil und ein Verdampfer durchströmt werden können. Der Kompressor ist in der Regel ein elektrischer Kompressor, der von einem Elektromotor angetrieben wird. Ferner kann ein solcher Kompressor auch mechanisch ausgebildet sein.
- Aus der gattungsbildende
DI 10 2011 057 059 A1 - Wird in einem Wärmepumpen-Kreislauf nicht die Motorwärme zum Heizen des Fahrgastinnenraumes des Fahrzeugs verwendet, wie beispielsweise bei Elektrofahrzeugen, sondern die Wärme der Außenluft des Fahrzeugs, führt dies aufgrund der geringen Quelltemperatur zu einer geringen Leistung der Wärmepumpe. Dies ist bedingt durch geringe Saugdrücke am Kompressor, die zu geringen Massenströmen führen. Des Weiteren führt eine Energieabfuhr auf der Hochdruckseite des Kompressors zum Beheizen des Fahrzeuginnenraumes zu einem sinkenden Hochdruck, der wiederum geringe Kondensationstemperaturen zur Folge hat. Somit dauert in nachteiliger Weise der Aufbau des Hochdrucks in der Regel sehr lange.
- Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wärmepumpe der eingangs genannten Art anzugeben, mit welcher ein schneller Hochdruckaufbau ermöglicht wird und damit auch in kurzer Zeit ein ausreichend hohes Temperaturniveau für den Kondensator der Wärmepumpe erzeugt wird. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen erfindungsgemäßen Wärmepumpe anzugeben.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Wärmepumpe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
- Eine solche Wärmepumpe mit einem Kompressor, einem Kondensator, einem Expansionsventil und einem Verdampfer, welche aufeinanderfolgend mittels Arbeitsmittelleitungen für einen Arbeitsmittelkreislauf verbunden sind, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass in der den Kompressor mit dem Kondensator verbindenden Arbeitsmittelleitung ein Drosselventil geschaltet ist. Vorzugsweise ist der Kompressor der erfindungsgemäßen Wärmepumpe als elektrischer Kompressor oder als mechanischer Kompressor ausgebildet.
- Mittels eines solchen Drosselventils wird der Gegendruck auf der Hochdruckseite des Kompressors erhöht, so dass dieser eine höhere Druckdifferenz zu überwinden hat und daher als elektrischer Kompressor mehr elektrische Energie aufnimmt. Dadurch wird zum einen ein schneller Hochdruckaufbau erreicht und zum anderen auch die Verlustwärme des Kompressors erhöht, so dass sich damit auch die auf das Arbeitsmittel sich übertragende Verlustwärme erhöht. Ferner wird auch der Liefergrad des Kompressors aufgrund des von dem Drosselventil bewirkten hohen Gegendruckes verschlechtert, der mit einer erhöhten Drehzahl des elektrischen Kompressors oder durch einen erhöhten Hub des mechanischen Kompressors ausgeglichen werden kann. Auch damit wird die Verlustwärme des Kompressors erhöht, was eine Erhöhung des Temperaturniveaus des Arbeitsmittels zur Folge hat.
- Mit dieser erfindungsgemäßen Maßnahme erzeugte der Kompressor der Wärmepumpe gegenüber einem Zustand ohne das erfindungsgemäße Drosselventil mehr Verlustwärme, die an das Arbeitsmittel abgegeben wird und dessen Temperaturniveau erhöht.
- Damit wird auf der Hochdruckseite des Kompressors gegenüber einer Wärmepumpe ohne ein solches erfindungsgemäßes Drosselventil ein höheres Temperaturniveau erreicht.
- Eine solche erfindungsgemäße Wärmepumpe, bei der als Kompressor vorzugsweise ein elektrischer oder mechanischer Kompressor vorgesehen ist, kann mit Vorteil in einer Klimaanlage für Fahrzeuge, insbesondere auch Kraftfahrzeuge eingesetzt werden, wobei der Kondensator dieser erfindungsgemäßen Wärmepumpe in einem Klimagerät des Fahrzeugs angeordnet ist. Der Kondensator kann weiterbildungsgemäß auch als indirekter Kondensator ausgeführt werden, d. h. dass von diesem Kondensator zunächst das Arbeitsmittel, bspw. das Wasser des Klimagerätes erwärmt wird, welches seinerseits die von dem Klimagerät angesaugte Luft erwärmt, bevor es in den Fahrgastraum des Fahrzeugs geleitet wird.
- Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 5.
- Dieses Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe mit einem Kompressor, einem Kondensator, einem Expansionsventil und einem Verdampfer, welche aufeinanderfolgend mittels Arbeitsmittelleitungen für einen Arbeitsmittelkreislauf verbunden sind, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass in der den Kompressor mit dem Kondensator verbindenden Arbeitsmittelleitung ein Drosselventil geschaltet wird und zur Kompensation des von dem Drosselventil erzeugten Gegendruckes der elektrische Kompressor mit erhöhter Drehzahl oder der mechanische Kompressor mit einem größerem Hub betrieben wird.
- Ferner ist dieses erfindungsgemäße Verfahren mit Vorteil für eine Wärmepumpe einer Klimaanlage für ein Fahrzeug geeignet.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Klimaanlage eines Fahrzeugs, welche in einem Wärmepumpenbetrieb dargestellt ist, -
2 eine schematische Darstellung der Klimaanlage nach1 in einem Kühlbetrieb, und -
3 p-h-Diagramme zur Erläuterung des Wärmepumpenbetriebes gemäß1 . - Die in den
1 und2 dargestellte Klimaanlage20 eines Fahrzeugs umfasst die gleichen Komponenten, jedoch sind wegen einer besseren Übersichtlichkeit in den1 und2 jeweils nicht alle Arbeitsmittelleitungen dargestellt, sondern jeweils nur für die den zu erläuternden Wärmepumpen- oder Kühlbetrieb der Klimaanlage20 . - Die Klimaanlage
20 nach den1 und2 umfasst neben einem für den Innenraum eines Fahrzeugs vorgesehenes Klimagerät8 mit einem Kondensator2 , einem Verdampfer6 und einem Heizungswärmetauscher7 auch einen elektrischen Kompressor1 , ein Expansionsventil3 , einen Wärmetauscher4 sowie ein Drosselventil5 . - Im Wärmepumpenbetrieb gemäß
1 bilden die Komponenten Kompressor1 , Drosselventil5 , Kondensator2 des Klimagerätes8 , das Expansionsventil3 sowie der als Verdampfer wirkende Wärmetauscher4 eine Wärmepumpe und sind in der aufgeführten Reihenfolge über Arbeitsmittelleitungen9 bis13 miteinander verbunden. - Als Arbeitsmittel wird ein Kältemittel verwendet, welches zunächst im Kompressor
1 komprimiert und über die Arbeitsmittelleitung9 dem Drosselventil5 und anschließend dem Kondensator2 des Klimagerätes8 zugeführt wird. Die von dem Klimagerät8 angesaugte Luft strömt durch den Verdampfer6 , den Kondensator2 und zuletzt durch den Heizungswärmetauscher7 und gelangt dann konditioniert in den Fahrgastraum. Folglich wird das Arbeitsmittel kondensiert, indem es Wärme an die angesaugte Umgebungsluft abgibt. Diese erwärmte Luft gelangt dann in den Fahrgastraum des Fahrzeugs. - Über die Arbeitsmittelleitung
11 gelangt das flüssige Arbeitsmittel zum Expansionsventil3 und wird dort expandiert. Von dort fließt das Arbeitsmittel über die Arbeitsmittelleitung12 zum Wärmetauscher4 als Verdampfer. Dieser Verdampfer4 hat bspw. Kontakt mit der Außenluft des Fahrzeugs, um der Außenluft Wärme zu entziehen. Dieser Verdampfer4 kann auch als Wärmetauscher eines Motorkühlkreislaufes einer Brennkraftmaschine des Fahrzeugs ausgebildet sein, um Motorwärme aufzunehmen. Ferner kann ein solcher Wärmetauscher auch zur Aufnahme der Verlustwärme anderer Komponenten, wie bspw. einer Batterie, einer Leistungselektronik oder einer E-Maschine, zum Beispiel eines Elektro-Fahrzeugs ausgebildet sein. Über eine Arbeitsmittelleitung13 strömt das Arbeitsmittel zurück in den Kompressor1 . - Mittels eines solchen Drosselventils
5 wird der Gegendruck auf der Hochdruckseite des Kompressors1 erhöht, so dass dieser eine höhere Druckdifferenz zu überwinden hat und daher als elektrischer Kompressor mehr elektrische Energie aufnimmt. Dadurch wird zum einen ein schneller Hochdruckaufbau erreicht und zum anderen auch die Verlustwärme des Kompressors1 erhöht, so dass sich damit auch die auf das Arbeitsmittel sich übertragende Verlustwärme erhöht. Ferner wird auch der Liefergrad des Kompressors1 aufgrund des von dem Drosselventil5 bewirkten hohen Gegendruckes verschlechtert. Um diesen schlechten Liefergrad des Kompressors1 auszugleichen, wird dieser mit einer erhöhten Drehzahl des Kompressors1 angesteuert. Mit der erhöhten Drehzahl des Kompressors1 wird auch dessen Verlustwärme erhöht, die sich auf das Arbeitsmittel überträgt und somit dessen Temperaturniveau ebenso erhöht. - Den Wärmepumpenprozess mit dem erfindungsgemäßen Drosselventil
5 zeigt das p-h-Diagramm gemäß3a ), während das p-h-Diagramm nach3b ) den entsprechenden Wärmepumpenprozess ohne ein solches erfindungsgemäßes Drosselventil zeigt. In diesen Diagrammen gemäß den3a ) und3b ) stellt die Größe p den Druck und die Größe h die spezifische Enthalpie dar. Aus den beiden p-h-Diagrammen ist ersichtlich dass die Zunahme Δh der spezifischen Enthalpie bei dem p-h-Diagramm nach3b ) wesentlich größer ist als bei dem p-h-Diagramm nach3a ). Damit ist ersichtlich dass bei dem Wärmepumpenprozess mit dem erfindungsgemäßen Drosselventil5 nach3b mehr Leistung an dem Arbeitsmittel verrichtet wird als ohne ein solches Drosselventil5 , d. h. es wird ein wesentlich höherer Druck p erzeugt. - Mit einem solchen dem Kompressor
1 der Wärmepumpe nachgeschalteten Drosselventil5 wird gegenüber einem Zustand ohne ein solches Drosselventil5 mehr Verlustwärme erzeugt, die an das Arbeitsmittel abgegeben wird und damit dessen Temperaturniveau erhöht. - Im Kühlbetrieb der Klimaanlage
20 ist dieses Drosselventil5 entweder offen blockiert in den Arbeitsmittelkreislauf geschaltet, oder nicht in diesen Arbeitsmittelkreislauf geschaltet, wie dies aus2 ersichtlich ist. - Im Kühlbetrieb wird gemäß
2 das gasförmig vorliegende Arbeitsmittel in dem Kompressor1 komprimiert und über eine Arbeitsmittelleitung14 dem als Kondensator wirkenden Wärmetauscher4 zugeführt. In diesem Kondensator4 kann über einen Kontakt zur Umgebungsluft des Fahrzeugs durch Kondensation des Arbeitsmittels Wärme an die Umgebungsluft abgegeben werden. Von dort fließt das Arbeitsmittel über eine Arbeitsmittelleitung15 zu dem Expansionsventil3 , in dem es expandiert wird. Über eine Arbeitsmittelleitung16 fließt das Arbeitsmittel in den Verdampfer6 des Klimagerätes8 , wo es die angesaugte Umgebungsluft kühlt, bzw. entfeuchtet und in den Innenraum des Fahrzeuges leitet. Über eine Arbeitsmittelleitung17 strömt nun das weitestgehend gasförmige Arbeitsmittel wieder zurück in den Kompressor1 . - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kompressor
- 2
- Kondensator des Klimagerätes
- 3
- Expansionsventil
- 4
- Verdampfer
- 5
- Drosselventil
- 6
- Verdampfer des Klimagerätes
8 - 7
- Heizungswärmetauscher des Klimagerätes
8 - 8
- Klimagerät einer Klimaanlage eines Fahrzeugs
- 9
- Arbeitsmittelleitung
- 10
- Arbeitsmittelleitung
- 11
- Arbeitsmittelleitung
- 12
- Arbeitsmittelleitung
- 13
- Arbeitsmittelleitung
- 14
- Arbeitsmittelleitung
- 15
- Arbeitsmittelleitung
- 16
- Arbeitsmittelleitung
- 20
- Klimaanlage
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- DI 102011057059 A1 [0003]
Claims (7)
- Wärmepumpe mit einem Kompressor (
1 ), einem Kondensator (2 ), einem Expansionsventil (3 ) und einem Verdampfer (4 ), welche aufeinanderfolgend mittels Arbeitsmittelleitungen (9 ,10 ,11 ,12 ,13 ) für einen Arbeitsmittelkreislauf verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass in der den Kompressor (1 ) mit dem Kondensator (2 ) verbindenden Arbeitsmittelleitung (9 ,10 ) ein Drosselventil (5 ) geschaltet ist. - Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (
1 ) als elektrischer oder mechanischer Kompressor ausgebildet ist. - Klimaanlage (
20 ) für ein Fahrzeug mit einer einen Kompressor (1 ), einen Kondensator (2 ), ein Expansionsventil (3 ) und einen Verdampfer (4 ) aufweisenden Wärmepumpe, wobei der Kompressor (1 ), der Kondensator (2 ), das Expansionsventil (3 ) und der Verdampfer (4 ) aufeinanderfolgend mittels Arbeitsmittelleitungen (9 ,10 ,11 ,12 ,13 ) für einen Arbeitsmittelkreislauf verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass in der den Kompressor (1 ) mit dem Kondensator (2 ) verbindenden Arbeitsmittelleitung (9 ,10 ) ein Drosselventil (5 ) geschaltet ist und der Kondensator (2 ) in einem Klimagerät (8 ) des Fahrzeugs angeordnet ist. - Klimaanlage (
20 ) für ein Fahrzeug mit einer einen Kompressor (1 ), einen Kondensator (2 ), ein Expansionsventil (3 ) und einen Verdampfer (4 ) aufweisenden Wärmepumpe, wobei der Kompressor (1 ), der Kondensator (2 ), das Expansionsventil (3 ) und der Verdampfer (4 ) aufeinanderfolgend mittels Arbeitsmittelleitungen (9 ,10 ,11 ,12 ,13 ) für einen Arbeitsmittelkreislauf verbunden sind, dadurch gekennzeichnet,dass in der den Kompressor (1 ) mit dem Kondensator (2 ) verbindenden Arbeitsmittelleitung (9 ,10 ) ein Drosselventil (5 ) geschaltet ist und der Kondensator (2 ) ausgebildet ist, das Arbeitsmittel eines Klimagerätes (8 ) des Fahrzeugs zu erwärmen. - Klimaanlage (
20 ) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (1 ) als elektrischer oder mechanischer Kompressor ausgebildet ist. - Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe mit einem Kompressor (
1 ), einem Kondensator (2 ), einem Expansionsventil (3 ) und einem Verdampfer (4 ), welche aufeinanderfolgend mittels Arbeitsmittelleitungen (9 ,10 ,11 ,12 ,13 ) für einen Arbeitsmittelkreislauf verbunden sind, insbesondere einer Wärmepumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der den Kompressor (1 ) mit dem Kondensator (2 ) verbindenden Arbeitsmittelleitung (9 ,10 ) ein Drosselventil (5 ) geschaltet wird und zur Kompensation des von dem Drosselventil (5 ) erzeugten Gegendruckes der elektrische Kompressor (1 ) mit erhöhter Drehzahl oder der mechanische Kompressor (1 ) mit erhöhtem Hub betrieben wird. - Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage (
20 ) für ein Fahrzeug mit einer Wärmepumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation des von dem Drosselventil (5 ) erzeugten Gegendruckes der elektrische Kompressor (1 ) mit erhöhter Drehzahl oder der mechanische Kompressor (1 ) mit erhöhtem Hub betrieben wird.
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