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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.
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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.
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Aus der gattungsbildenden
DE 10 2011 057 059 A1 ist eine Klimaanlage mit einem solchen Wärmepumpe-Kreislauf bekannt. Bei diesem bekannten Wärmepumpen-Kreislauf wird aus einem Motorkühlkreislauf einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges mittels eines Wärmetauschers als Verdampfer Motorwärme von dem Arbeitsmittel aufgenommen.
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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.
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Ferner wird auf die
DE 198 33 251 A1 verwiesen, die eine Klimaanlage für ein Fahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf und einem Kühlwasserkreislauf des Motors des Fahrzeugs beschreibt. Diese beiden Kreisläufe sind über einen Wärmetauscher wärmegekoppelt, so dass das Kühlwasser des Kühlwasserkreislaufs bei entsprechender Temperaturlage vom Kältemittel aus einem dem Wärmetauscher direkt vorgeschalteten Kompressors erwärmt wird. In dem Kältemittelkreislauf sind strömungsabwärts dem Wärmetauscher ein für den Wärmeaustausch mit der Außenluft vorgesehener erster Wärmetauscher, ein erstes Expansionsventil, eine zur Kühlung einer Wärmeerzeugungseinheit vorgesehene Kühleinheit, ein für den Wärmeaustausch mit der Außenluft vorgesehener weiterer Kondensator, ein zweites Expansionsventil in der aufgeführten Reihenfolge nachgeschaltet. Dieses zweite Expansionsventil ist über einen Flüssigkeits-Abscheider und einem nachgeschalteten Expansionsventil mit einem Verdampfer einer Klimatisierungseinrichtung des Fahrzeugs verbunden, wobei der Verdampfer mit dem Kompressor verbunden ist.
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Der Kühlwasserkreislauf des Motors des Fahrzeugs verläuft über einen Heißwasserkern der Klimatisierungseinrichtung, so dass mit der Abwärme des Motors als auch mit der Wärme des Kältemittels die Innenraumluft über diese Klimatisierungseinrichtung erwärmt werden kann. Sowohl in einer Kühlbetriebsart, bei welcher die Innenraumluft über die Klimatisierungseinrichtung gekühlt wird, als auch in einer Heizbetriebsart, bei der die Innenraumluft über den Heißwasserkern erwärmt wird, wird der Kältemittelkreislauf verwendet, wobei in der Heizbetriebsart sowohl der erste Kondensator als auch der zusätzliche Kondensator mittels jeweils eines Ventils kurzgeschlossen wird.
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Auch bei dieser Klimaanlage gemäß der
DE 198 33 251 A1 kann als Nachteil angesehen werden, dass eine Energieabfuhr über den mit dem Kühlwasserkreislauf wärmegekoppelten Wärmetauscher auf der Hochdruckseite des Kompressors zum Erwärmen des Kühlwassers des Kühlwasserkreislaufs zu einem sinkenden Hochdruck führt, der wiederum geringe Kondensationstemperaturen zur Folge hat. Somit dauert in nachteiliger Weise der Aufbau des Hochdrucks in der Regel sehr lange.
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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.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Wärmepumpe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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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, welches dem Kompressor direkt nachgeschaltet ist. Vorzugsweise ist der Kompressor der erfindungsgemäßen Wärmepumpe als elektrischer Kompressor oder als mechanischer Kompressor ausgebildet.
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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.
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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.
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Damit wird auf der Hochdruckseite des Kompressors gegenüber einer Wärmepumpe ohne ein solches erfindungsgemäßes Drosselventil ein höheres Temperaturniveau erreicht.
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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.
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Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 6.
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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 dem Kompressor direkt nachgeschaltet 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.
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Ferner ist dieses erfindungsgemäße Verfahren mit Vorteil für eine Wärmepumpe einer Klimaanlage für ein Fahrzeug geeignet.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Klimaanlage eines Fahrzeugs, welche in einem Wärmepumpenbetrieb dargestellt ist,
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2 eine schematische Darstellung der Klimaanlage nach 1 in einem Kühlbetrieb, und
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3 p-h-Diagramme zur Erläuterung des Wärmepumpenbetriebes gemäß 1, wobei 3a) den Wärmepumpenprozess mit dem erfindungsgemäßen Drosselventil zeigt und 3b) den entsprechenden Wärmepumpenprozess ohne ein solches erfindungsgemäßes Drosselventil zeigt.
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Die in den 1 und 2 dargestellte Klimaanlage 20 eines Fahrzeugs umfasst die gleichen Komponenten, jedoch sind wegen einer besseren Übersichtlichkeit in den 1 und 2 jeweils nicht alle Arbeitsmittelleitungen dargestellt, sondern jeweils nur für die den zu erläuternden Wärmepumpen- oder Kühlbetrieb der Klimaanlage 20.
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Die Klimaanlage 20 nach den 1 und 2 umfasst neben einem für den Innenraum eines Fahrzeugs vorgesehenes Klimagerät 8 mit einem Kondensator 2, einem Verdampfer 6 und einem Heizungswärmetauscher 7 auch einen elektrischen Kompressor 1, ein Expansionsventil 3, einen Wärmetauscher 4 sowie ein Drosselventil 5.
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Im Wärmepumpenbetrieb gemäß 1 bilden die Komponenten Kompressor 1, Drosselventil 5, Kondensator 2 des Klimagerätes 8, das Expansionsventil 3 sowie der als Verdampfer wirkende Wärmetauscher 4 eine Wärmepumpe und sind in der aufgeführten Reihenfolge über Arbeitsmittelleitungen 9 bis 13 miteinander verbunden.
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Als Arbeitsmittel wird ein Kältemittel verwendet, welches zunächst im Kompressor 1 komprimiert und über die Arbeitsmittelleitung 9 dem Drosselventil 5 und anschließend dem Kondensator 2 des Klimagerätes 8 zugeführt wird. Die von dem Klimagerät 8 angesaugte Luft strömt durch den Verdampfer 6, den Kondensator 2 und zuletzt durch den Heizungswärmetauscher 7 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.
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Über die Arbeitsmittelleitung 11 gelangt das flüssige Arbeitsmittel zum Expansionsventil 3 und wird dort expandiert. Von dort fließt das Arbeitsmittel über die Arbeitsmittelleitung 12 zum Wärmetauscher 4 als Verdampfer. Dieser Verdampfer 4 hat bspw. Kontakt mit der Außenluft des Fahrzeugs, um der Außenluft Wärme zu entziehen. Dieser Verdampfer 4 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 Arbeitsmittelleitung 13 strömt das Arbeitsmittel zurück in den Kompressor 1.
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Mittels eines solchen Drosselventils 5 wird der Gegendruck auf der Hochdruckseite des Kompressors 1 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 1 erhöht, so dass sich damit auch die auf das Arbeitsmittel sich übertragende Verlustwärme erhöht. Ferner wird auch der Liefergrad des Kompressors 1 aufgrund des von dem Drosselventil 5 bewirkten hohen Gegendruckes verschlechtert. Um diesen schlechten Liefergrad des Kompressors 1 auszugleichen, wird dieser mit einer erhöhten Drehzahl des Kompressors 1 angesteuert. Mit der erhöhten Drehzahl des Kompressors 1 wird auch dessen Verlustwärme erhöht, die sich auf das Arbeitsmittel überträgt und somit dessen Temperaturniveau ebenso erhöht.
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Den Wärmepumpenprozess mit dem erfindungsgemäßen Drosselventil 5 zeigt das p-h-Diagramm gemäß 3a), während das p-h-Diagramm nach 3b) den entsprechenden Wärmepumpenprozess ohne ein solches erfindungsgemäßes Drosselventil zeigt. In diesen Diagrammen gemäß den 3a) und 3b) 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 nach 3b) wesentlich größer ist als bei dem p-h-Diagramm nach 3a). Damit ist ersichtlich, dass bei dem Wärmepumpenprozess mit dem erfindungsgemäßen Drosselventil 5 nach 3a) mehr Leistung an dem Arbeitsmittel verrichtet wird als ohne ein solches Drosselventil 5, d. h. es wird ein wesentlich höherer Druck p erzeugt.
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Mit einem solchen dem Kompressor 1 der Wärmepumpe nachgeschalteten Drosselventil 5 wird gegenüber einem Zustand ohne ein solches Drosselventil 5 mehr Verlustwärme erzeugt, die an das Arbeitsmittel abgegeben wird und damit dessen Temperaturniveau erhöht.
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Im Kühlbetrieb der Klimaanlage 20 ist dieses Drosselventil 5 entweder offen blockiert in den Arbeitsmittelkreislauf geschaltet, oder nicht in diesen Arbeitsmittelkreislauf geschaltet, wie dies aus 2 ersichtlich ist.
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Im Kühlbetrieb wird gemäß 2 das gasförmig vorliegende Arbeitsmittel in dem Kompressor 1 komprimiert und über eine Arbeitsmittelleitung 14 dem als Kondensator wirkenden Wärmetauscher 4 zugeführt. In diesem Kondensator 4 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 Arbeitsmittelleitung 15 zu dem Expansionsventil 3, in dem es expandiert wird. Über eine Arbeitsmittelleitung 16 fließt das Arbeitsmittel in den Verdampfer 6 des Klimagerätes 8, wo es die angesaugte Umgebungsluft kühlt, bzw. entfeuchtet und in den Innenraum des Fahrzeuges leitet. Über eine Arbeitsmittelleitung 17 strömt nun das weitestgehend gasförmige Arbeitsmittel wieder zurück in den Kompressor 1.
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Bezugszeichenliste
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- 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
