DE102013106831A1

DE102013106831A1 - Fahrzeugklimaanlage eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs

Info

Publication number: DE102013106831A1
Application number: DE102013106831.6A
Authority: DE
Inventors: Hans Lilge; Frank Niemann; Roland Haussmann
Original assignee: Valeo Klimasysteme GmbH
Current assignee: Valeo Klimasysteme GmbH
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2014-12-31
Also published as: WO2014207249A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugklimaanlage (10) eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs, mit einem Kältemittelkreislauf (12), der einen Verdichter (14) zum Komprimieren eines Kältemittels (16), einen Kondensator (18) zum Kühlen und Kondensieren des komprimierten Kältemittels (16), eine Druckverminderungseinheit (20) zum Dekomprimieren des kondensierten Kältemittels (16) sowie einen Verdampfer (22) zum Erwärmen und Verdampfen des dekomprimierten Kältemittels (16) aufweist, einem ersten Kühlkreislauf (24), der mit dem Kältemittelkreislauf (12) thermisch gekoppelt ist, und eine Pumpe (26) zum Umwälzen einer ersten Kühlflüssigkeit (28) sowie einen Wärmetauscher (30) zum Kühlen eines elektrischen Antriebsstrangs (31) des Hybrid- oder Elektrofahrzeugs aufweist, und einem zweiten Kühlkreislauf (32), der mit dem Kältemittelkreislauf (12) thermisch gekoppelt ist und eine Pumpe (34) zum Umwälzen einer zweiten Kühlflüssigkeit (36) sowie einen Wärmetauscher (38) zum Heizen von einem Fahrzeuginnenraum zuführbarer Luft (40) aufweist, wobei der Verdampfer (22) an den ersten Kühlkreislauf (24) angeschlossen ist und Wärmeenergie an das Kältemittel (16) abgeben kann, und wobei der Kondensator (18) an den zweiten Kühlkreislauf (32) angeschlossen ist und Wärmeenergie vom Kältemittel (16) aufnehmen kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugklimaanlage eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs, mit einem Kältemittelkreislauf, der einen Verdichter zum Komprimieren eines Kältemittels, einen Kondensator zum Kühlen und Kondensieren des komprimierten Kältemittels, eine Druckverminderungseinheit zum Dekomprimieren des kondensierten Kältemittels sowie einen Verdampfer zum Erwärmen und Verdampfen des dekomprimierten Kältemittels aufweist.
Moderne Kraftfahrzeuge sind inzwischen üblicherweise mit einer Klimaanlage zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums ausgestattet. Diese Fahrzeugklimaanlagen werden vorwiegend mit einem Kältemittelkreislauf nach dem Carnot-Prinzip betrieben, um bei hohen Außentemperaturen eine Kühlung des Fahrzeuginnenraums zu erreichen. Zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums bei niedrigen Außentemperaturen wird üblicherweise die Abwärme des Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors genutzt.
Die Abwärme des Fahrzeugmotors ist jedoch bei Elektrofahrzeugen insgesamt und bei Hybridfahrzeugen während Aufwärm- oder temporären Abschaltphasen des Verbrennungsmotors so gering, dass eine zufriedenstellende Beheizung des Fahrzeuginnenraums schwierig ist. Aus diesem Grund kommt oftmals ein zusätzliches, elektrisches Heizgerät zum Einsatz, was jedoch mit zusätzlichem Energie- und Bauraumbedarf sowie zusätzlichen Gerätekosten verbunden ist.
Um die Beheizung des Fahrzeuginnenraums zu verbessern, wurde im Stand der Technik bereits vorgeschlagen, die zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums vorgesehene Fahrzeugklimaanlage bei Bedarf als Wärmepumpe zu betreiben und somit die Außenluft als Wärmequelle zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums zu nutzen.
Bei sehr kalter Umgebungsluft hat es sich jedoch als schwierig erwiesen, im Wärmepumpenbetrieb eine kontinuierliche und zufriedenstellende Heizleistung sicherzustellen, da der Verdampfer in diesem Fall leicht vereist.
Zur Lösung dieses Problems wird in der US 2011/0167850 A1 eine Fahrzeugklimaanlage vorgeschlagen, die verschiedene Heizmodi aufweist, wobei sowohl Ausführungsformen mit einem „direkten“ Wärmepumpenbetrieb der Klimaanlage als auch Ausführungsformen mit einem „indirekten“ Wärmepumpenbetrieb der Klimaanlage beschrieben werden.
Beim direkten Wärmepumpenbetrieb wird der Wärmetauscher zum Heizen von dem Fahrzeuginnenraum zuführbarer Luft unmittelbar vom Kältemittel des Klimakreislaufs durchströmt. Da das Kältemittel im Bereich des Wärmetauschers unter Hochdruck steht und der Wärmetauscher als Teil einer „HLK-Anlage“ (Heizung/ Lüftung/Klimatisierung) dem Fahrzeuginnenraum zugeordnet ist, sind in diesem Fall üblicherweise aufwendige Schutzmaßnahmen notwendig, um zu verhindern, dass Kältemittel aus dem Wärmetauscher austritt und in den Fahrzeuginnenraum gelangt. Außerdem beeinträchtigt die Durchströmung des Wärmetauschers mit Kältemittel im Kühlmodus der Fahrzeugklimaanlage den Wirkungsgrad der Klimaanlage, was bei gleicher Kühlleistung zu einem erhöhten Energiebedarf führt.
Beim indirekten Wärmepumpenbetrieb wird der Wärmetauscher zum Heizen von dem Fahrzeuginnenraum zuführbarer Luft von der Kühlflüssigkeit eines Kühlkreislaufs durchströmt, wobei der Kühlkreislauf über einen (weiteren) Wärmetauscher mit dem Kältemittelkreislauf thermisch gekoppelt ist und auch zur Kühlung eines Verbrennungsmotors dient. Allerdings stellt sich bei diesem Kühlkreislauf, insbesondere während Aufwärm- oder temporärer Abschaltphasen des Verbrennungsmotors, nur eine mäßige Übertragung von Wärmeenergie zwischen der Kühlflüssigkeit und der dem Fahrzeuginnenraum zuführbaren Luft ein, was im Heizmodus entweder zu einer unzureichenden Heizleistung oder einem erhöhten Energiebedarf führt.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer konstruktiv einfachen, kompakten und preiswerten Fahrzeugklimaanlage, welche sowohl im Kühlmodus als auch im Heizmodus besonders energieeffizient betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Fahrzeugklimaanlage eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs, mit einem Kältemittelkreislauf, der einen Verdichter zum Komprimieren eines Kältemittels, einen Kondensator zum Kühlen und Kondensieren des komprimierten Kältemittels, eine Druckverminderungseinheit zum Dekomprimieren des kondensierten Kältemittels sowie einen Verdampfer zum Erwärmen und Verdampfen des dekomprimierten Kältemittels aufweist, einem ersten Kühlkreislauf, der mit dem Kältemittelkreislauf thermisch gekoppelt ist und eine Pumpe zum Umwälzen einer ersten Kühlflüssigkeit sowie einen Wärmetauscher zum Kühlen eines elektrischen Antriebsstrangs des Hybrid- oder Elektrofahrzeugs aufweist, und einem zweiten Kühlkreislauf, der mit dem Kältemittelkreislauf thermisch gekoppelt ist und eine Pumpe zum Umwälzen einer zweiten Kühlflüssigkeit sowie einen Wärmetauscher zum Heizen von einem Fahrzeuginnenraum zuführbarer Luft aufweist, wobei der Verdampfer an den ersten Kühlkreislauf angeschlossen ist und Wärmeenergie an das Kältemittel abgeben kann, und wobei der Kondensator an den zweiten Kühlkreislauf angeschlossen ist und Wärmeenergie vom Kältemittel aufnehmen kann.
Die separaten Kältemittel- und Kühlkreisläufe sind strömungstechnisch entkoppelt und lassen sich somit individuell auf die jeweils zu erfüllende Funktion hin konstruieren. So ist der erste Kühlkreislauf speziell darauf ausgelegt, die Wärmeenergie zahlreicher kleinerer Wärmequellen (Leistungselektronik, Elektromotor, Batterie, etc.) des elektrischen Antriebsstrangs eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs „einzusammeln“ und eine ungleichmäßige Wärmeabgabe der einzelnen Wärmequellen über seine thermische Kapazität und die thermische Trägheit des ersten Kühlkreislaufs weitgehend zu kompensieren, sodass im Verdampfer eine sehr gleichmäßige Wärmeübertragung auf das Kältemittel erfolgt. Der vom Kältemittelkreislauf fluidtechnisch ebenfalls entkoppelte, zweite Kühlkreislauf lässt sich hingegen speziell auf eine besonders effiziente Wärmeübertragung zwischen der zweiten Kühlflüssigkeit und der dem Fahrzeuginnenraum zuführbaren Luft zuschneiden. Der Kältemittelkreislauf sorgt schließlich mittels einer (einstellbaren) Kompressorleistung für eine zufriedenstellende Beheizung bzw. Kühlung des Fahrzeuginnenraums.
In einer Ausführungsform der Fahrzeugklimaanlage weist der zweite Kühlkreislauf zum Umwälzen der zweiten Kühlflüssigkeit eine Kühlflüssigkeitsleitung mit einem Leitungsquerschnitt A auf, wobei gilt: 10 mm² ≤ A ≤ 100 mm², insbesondere 20 mm² ≤ A ≤ 60 mm². Dieser geringe Leitungsquerschnitt A im zweiten Kühlkreislauf ermöglicht im Wärmetauscher eine gute Wärmeübertragung zwischen der zweiten Kühlflüssigkeit und der dem Fahrzeuginnenraum zuführbaren Luft. Dies äußert sich durch eine hohe Temperaturdifferenz der zweiten Kühlflüssigkeit zwischen einem Kühlflüssigkeitseinlass und einem Kühlflüssigkeitsauslass des Wärmetauschers.
Ferner weist die Pumpe im zweiten Kühlkreislauf eine Förderleistung P auf, wobei vorzugsweise gilt: 50 dm³/h ≤ P ≤ 400 dm³/h, besonders bevorzugt 120 dm³/h ≤ P ≤ 260 dm³/h. Aufgrund dieses recht geringen Durchflusses im zweiten Kühlkreislauf ergibt sich, insbesondere in Verbindung mit den oben genannten, kleinen Leitungsquerschnitten A, eine hohe Temperaturabsenkung der zweiten Kühlflüssigkeit im Wärmetauscher zum Heizen der dem Fahrzeuginnenraum zuführbaren Luft, wobei die Temperaturdifferenz vorzugsweise bei über 20 °C liegt. Diese große Temperaturdifferenz im Wärmetauscher trägt zu einem besonders energieeffizienten Wärmepumpenbetrieb der Fahrzeugklimaanlage bei.
Insbesondere können ein Leitungsquerschnitt A einer Kühlflüssigkeitsleitung und eine Förderleistung P der Pumpe im zweiten Kühlkreislauf so aufeinander abgestimmt sein, dass für eine Strömungsgeschwindigkeit v der zweiten Kühlflüssigkeit gilt: 0,5 m/s ≤ v ≤ 2,0 m/s. In diesem Bereich ist die Strömungsgeschwindigkeit v groß genug, um eine weitgehend konstante und ausreichende Wärmeübertragung zu gewährleisten, sowie klein genug, um einen übermäßigen Leitungsverschleiß infolge Erosion zu vermeiden.
In einer weiteren Ausführungsform der Fahrzeugklimaanlage ist der Kältemittelkreislauf getrennt von den beiden Kühlkreisläufen ausgebildet, und das Kältemittel unterscheidet sich von den Kühlflüssigkeiten. Aufgrund dieser strömungsmäßig separat ausgebildeten Kreisläufe ohne Fluidverbindung können in den einzelnen Kreisläufen unterschiedliche Medien zum Einsatz kommen. Geeignete Kältemittel sind beispielsweise R 134 a, HFO 1234 yf oder Kohlendioxid. Als Kühlflüssigkeit eignen sich zum Beispiel Wasser, Öle oder besonders bevorzugt Wasser/Glykol-Gemische.
Vorzugsweise ist auch der erste Kühlkreislauf getrennt vom zweiten Kühlkreislauf ausgebildet. Besonders bevorzugt sind diese strömungsmäßig getrennten, separaten Kühlkreisläufe auch thermisch getrennt, sodass zwischen den beiden Kühlkreisläufen keine unmittelbare Wärmeübertragung möglich ist.
Trotz der strömungsmäßig getrennten Ausbildung der Kühlkreisläufe kann jedoch die erste Kühlflüssigkeit mit der zweiten Kühlflüssigkeit identisch sein. Dies reduziert die Anzahl der in der Fahrzeugklimaanlage eingesetzten Kühlmedien, was die Lagerhalterung sowie eine Befüllung der Fahrzeugklimaanlage deutlich vereinfacht.
In einer weiteren Ausführungsform der Fahrzeugklimaanlage weist der erste Kühlkreislauf einen zum Verdampfer parallel geschalteten, insbesondere separat schaltbaren Kühler auf, wobei die erste Kühlflüssigkeit den Kühler durchströmen und dabei Wärmeenergie an die Umgebungsluft abgeben kann. Üblicherweise ist die Fahrzeugklimaanlage mit einer Steuereinheit ausgerüstet, welche den Durchfluss auf die beiden parallel geschalteten Leitungsabschnitte variabel verteilen oder auf einen der beiden Leitungsabschnitte beschränken kann. Über diese Steuereinheit lässt sich die Fahrzeugklimaanlage mit geringem Aufwand an die jeweils gewünschte Funktion anpassen.
In einer weiteren Ausführungsform der Fahrzeugklimaanlage weist der zweite Kühlkreislauf einen zum Wärmetauscher parallel geschalteten, insbesondere separat schaltbaren Kühler auf, wobei die zweite Kühlflüssigkeit den Kühler durchströmen und dabei Wärmeenergie an die Umgebungsluft abgeben kann. Üblicherweise ist die Fahrzeugklimaanlage mit einer Steuereinheit ausgerüstet, welche den Durchfluss auf die beiden parallel geschalteten Leitungsabschnitte variabel verteilen oder auf einen der beiden Leitungsabschnitte beschränken kann. Über diese Steuereinheit lässt sich die Fahrzeugklimaanlage mit geringem Aufwand an den jeweils gewünschten Betriebsmodus anpassen.
Vorzugsweise ist der vom ersten Kühlmittel durchströmbare Verdampfer ein erster Verdampfer und die vorgeschaltete Druckverminderungseinheit eine erste Druckverminderungseinheit, wobei der Kältemittelkreislauf parallel geschaltet zum ersten Verdampfer und der ersten Druckverminderungseinheit einen von der Umgebungsluft durchströmbaren zweiten Verdampfer mit einer vorgeschalteten zweiten Druckverminderungseinheit aufweist. Besonders bevorzugt sind die Druckverminderungseinheiten jeweils als Expansionsventile mit Absperrfunktion ausgebildet, sodass sich über die Druckverminderungseinheiten der Durchfluss auf die beiden parallel geschalteten Leitungsabschnitte verteilen oder auf einen der beiden Leitungsabschnitte beschränken lässt. Auf diese Weise kann die Fahrzeugklimaanlage mit geringem Aufwand von einem Kühlmodus in einen Heizmodus geschaltet werden, und umgekehrt.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Wärmetauscher zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums im Betrieb der Klimaanlage sowohl von der zweiten Kühlflüssigkeit als auch von der dem Fahrzeuginnenraum zuführbaren Luft durchströmt werden, wobei sich bei der Durchströmung des Wärmetauschers die Kühlflüssigkeit um eine Temperaturdifferenz ∆T_KF abkühlt und die Luft um eine Temperaturdifferenz ∆T_L erwärmt, wobei gilt: 0,3 < ∆T_KF / ∆T_L < 1,1. Die Einhaltung dieser Temperaturparameter trägt zu einem äußerst energieeffizienten Wärmepumpenbetrieb der Fahrzeugklimaanlage bei.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Kondensator im Betrieb der Klimaanlage sowohl vom Kältemittel als auch von der zweiten Kühlflüssigkeit durchströmt werden, wobei sich bei der Durchströmung des Kondensators das Kältemittel um eine Temperaturdifferenz ∆T_KM abkühlt und die Kühlflüssigkeit um eine Temperaturdifferenz ∆T_KF erwärmt, wobei gilt: 0,5 < ∆T_KF / ∆T_KM < 1,1. Die Einhaltung dieser Temperaturparameter trägt ebenfalls zu einem äußerst energieeffizienten Wärmepumpenbetrieb der Fahrzeugklimaanlage bei.
Der Wärmetauscher zum Heizen der dem Fahrzeuginnenraum zuführbaren Luft weist in Luftströmungsrichtung eine Abmessung t auf und umfasst vorzugsweise mehrere parallel angeordnete Flachrohre, wobei zwei benachbarte Flachrohre einen Achsabstand b aufweisen, wobei sich zwischen zwei benachbarten Flachrohren jeweils wenigstens eine Lamelle erstreckt, die in Durchflussrichtung der zweiten Kühlflüssigkeit wellenförmig ausgebildet ist und an einem Wellenberg jeweils ein erstes Flachrohr der beiden benachbarten Flachrohre sowie an einem Wellental ein zweites Flachrohr der beiden benachbarten Flachrohre berührt, wobei die Lamelle in Durchflussrichtung gesehen einen Abstand h zwischen einem Wellenberg und einem Wellental aufweist, und wobei gilt: 25 mm < t < 60 mm, 4 mm < b < 8 mm und 0,6 mm < h < 1,2 mm. Diese Konstruktionsparameter des Wärmetauschers bewirken eine ausgesprochen gute Wärmeübertragung von der zweiten Kühlflüssigkeit auf die dem Fahrzeuginnenraum zuführbare Luft.
Die Fahrzeugklimaanlage lässt sich beispielsweise in einem Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor einsetzen, wobei vorzugsweise ein separater, dritter Kühlkreislauf vorgesehen ist, der eine Pumpe zum Umwälzen einer dritten Kühlflüssigkeit sowie einen Wärmetauscher zum Kühlen des Verbrennungsmotors aufweist. Dieser dritte Kühlkreislauf ist besonders bevorzugt vom Kältemittelkreislauf sowie vom ersten und zweiten Kühlkreislauf thermisch und strömungsmäßig getrennt ausgebildet, weist also insbesondere keine Fluidverbindung zu den anderen Kreisläufen auf. Über diesen separaten, dritten Kühlkreislauf kann mit geringem Aufwand die Abwärme des Verbrennungsmotors zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums verwendet werden. Sofern der dritte Kühlkreislauf eine ausreichende Heizleistung liefert, kann die Wärmepumpe abgestellt oder zumindest in ihrer Leistung gedrosselt werden, was wiederum zu einem besonders energieeffizienten Betrieb der Fahrzeugklimaanlage beiträgt.
Hierzu weist der dritte Kühlkreislauf bevorzugt einen Wärmetauscher zum Heizen von dem Fahrzeuginnenraum zuführbarer Luft auf. Dadurch lässt sich eine effiziente Wärmeübertragung von der dritten Kühlflüssigkeit auf die dem Fahrzeuginnenraum zuführbare Luft realisieren, sodass die Wärmepumpe keine oder kaum Heizleistung zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums bereitstellen muss.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In diesen zeigen:
1 eine schematische Skizze einer erfindungsgemäßen Fahrzeugklimaanlage;
2 ein Temperaturprofil in einem Kondensator und einem Wärmetauscher zum Heizen von einem Fahrzeuginnenraum zuführbarer Luft bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen der erfindungsgemäßen Fahrzeugklimaanlage;
3 ein Mollier-Diagramm, das die Zustandsänderungen eines Kältemittels im Heizmodus einer erfindungsgemäßen Fahrzeugklimaanlage veranschaulicht; und
4 eine schematische Perspektivansicht eines Wärmetauschers zum Heizen von einem Fahrzeuginnenraum zuführbarer Luft.
Die 1 zeigt eine Fahrzeugklimaanlage 10 eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs, mit einem Kältemittelkreislauf 12, der einen Verdichter 14 zum Komprimieren eines Kältemittels 16, einen Kondensator 18 zum Kühlen und Kondensieren des komprimierten Kältemittels 16, eine Druckverminderungseinheit 20 zum Dekomprimieren des kondensierten Kältemittels 16 sowie einen Verdampfer 22 zum Erwärmen und Verdampfen des dekomprimierten Kältemittels 16 aufweist, einem ersten Kühlkreislauf 24, der mit dem Kältemittelkreislauf 12 thermisch gekoppelt ist und eine Pumpe 26 zum Umwälzen einer ersten Kühlflüssigkeit 28 sowie einen Wärmetauscher 30 zum Kühlen eines elektrischen Antriebsstrangs 31 des Hybrid- oder Elektrofahrzeugs aufweist, sowie einem zweiten Kühlkreislauf 32, der mit dem Kältemittelkreislauf 12 thermisch gekoppelt ist und eine Pumpe 34 zum Umwälzen einer zweiten Kühlflüssigkeit 36 sowie einen Wärmetauscher 38 zum Heizen von einem Fahrzeuginnenraum zuführbarer Luft 40 aufweist.
Der Kältemittelkreislauf 12 ist ein strömungstechnisch separater Kreislauf ohne Fluidverbindung zu den Kühlkreisläufen 24, 32.
Das Kältemittel 16 im Kältemittelkreislauf 12 unterscheidet sich von den Kühlflüssigkeiten 28, 36 der Kühlkreisläufe 24, 32 und vermischt sich aufgrund der strömungsmäßig getrennten Ausbildung des Kältemittelkreislaufs 12 auch nicht mit diesen Kühlflüssigkeiten 28, 36. Geeignete Kältemittel sind beispielsweise R 134 a, HFO 1234 yf oder Kohlendioxid.
Zur thermischen Kopplung des Kältemittelkreislaufs 12 mit dem ersten Kühlkreislauf 24 ist der Verdampfer 22 des Kältemittelkreislaufs 12 an den ersten Kühlkreislauf 24 angeschlossen, sodass die erste Kühlflüssigkeit 28 den Verdampfer 22 durchströmen und Wärmeenergie an das Kältemittel 16 abgeben kann.
Zur thermischen Kopplung des Kältemittelkreislaufs 12 mit dem zweiten Kühlkreislauf 32 ist der Kondensator 18 des Kältemittelkreislaufs 12 an den zweiten Kühlkreislauf 32 angeschlossen, sodass die zweite Kühlflüssigkeit 36 den Kondensator 18 durchströmen und Wärmeenergie vom Kältemittel 16 aufnehmen kann.
Gemäß 1 ist der erste Kühlkreislauf 24 sowohl strömungstechnisch als auch thermisch getrennt vom zweiten Kühlkreislauf 32 ausgebildet. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die beiden Kühlkreisläufe 24, 32 separate Kreisläufe ohne Fluidverbindung sowie ohne unmittelbare Wärmeübertragung sind. Über den Kältemittelkreislauf 12 besteht zwischen den beiden Kühlkreisläufen 24, 32 lediglich eine indirekte thermische Kopplung.
Obwohl die beiden Kühlkreisläufe 24, 32 strömungsmäßig getrennt sind, ist die erste Kühlflüssigkeit 28 vorzugsweise mit der zweiten Kühlflüssigkeit 36 identisch. Die Verwendung von lediglich einer einzigen Kühlflüssigkeit reduziert die Anzahl der Kühlmedien, was deren Lagerhalterung vereinfacht und darüber hinaus auch beim Befüllen der Fahrzeugklimaanlage 10 vorteilhaft ist, da es zu keiner Verwechslung von Kühlflüssigkeiten kommen kann. Geeignete Kühlflüssigkeiten sind beispielsweise Wasser, Öle oder besonders bevorzugt Wasser/Glykol-Gemische.
Der erste Kühlkreislauf 24 weist gemäß 1 einen zum Verdampfer 22 parallel geschalteten, insbesondere separat schaltbaren Kühler 42 auf, wobei die erste Kühlflüssigkeit 28 den Kühler 42 durchströmen und dabei Wärmeenergie an die Umgebungsluft 44 abgeben kann.
Zudem ist im ersten Kühlkreislauf 24 eine Steuereinheit 46 vorgesehen, über die sich der Kühler 42 separat zuschalten oder abschalten lässt. Die Steuereinheit 46 umfasst im vorliegenden Fall zwei Abschaltventile, welche einen Durchfluss der ersten Kühlflüssigkeit 28 auf parallel geschaltete Leitungsabschnitte 48, 50 des ersten Kühlkreislaufs 24 verteilen können.
In einem Heizmodus der Fahrzeugklimaanlage 10 ist die Steuereinheit 46 vorzugsweise so geschaltet, dass ein den Kühler 42 umfassender Leitungsabschnitt 48 des ersten Kühlkreislaufs 24 nicht von der ersten Kühlflüssigkeit 28 durchströmt wird. Somit durchströmt die gesamte erste Kühlflüssigkeit 28 den Verdampfer 22 und gibt die über den Wärmetauscher 30 vom elektrischen Antriebsstrang 31 aufgenommene Wärmeenergie an das Kältemittel 16 ab.
Entsprechend ist die Steuereinheit 46 in einem Kühlmodus der Fahrzeugklimaanlage 10 vorzugsweise so geschaltet, dass ein den Verdampfer 22 umfassender Leitungsabschnitt 50 des ersten Kühlkreislaufs 24 nicht von der ersten Kühlflüssigkeit 28 durchströmt wird. Somit durchströmt die gesamte erste Kühlflüssigkeit 28 den Kühler 42 und gibt die über den Wärmetauscher 30 vom elektrischen Antriebsstrang 31 aufgenommene Wärmeenergie an die Umgebungsluft 44 ab.
Obwohl die Steuereinheit 46 üblicherweise einen Leitungsabschnitt 48, 50 freigibt und den parallel geschalteten, anderen Leitungsabschnitt 50, 48 sperrt, sind selbstverständlich auch Schaltstellungen denkbar, bei denen beide Leitungsabschnitte 48, 50 zumindest teilweise freigegeben sind.
Der zweite Kühlkreislauf 32 weist gemäß 1 einen zum Wärmetauscher 38 parallel geschalteten, insbesondere separat schaltbaren Kühler 54 auf, wobei die zweite Kühlflüssigkeit 36 den Kühler 54 durchströmen und dabei Wärmeenergie an die Umgebungsluft 44 abgeben kann.
Zudem ist im zweiten Kühlkreislauf 32 eine Steuereinheit 56 vorgesehen, über die sich der Kühler 54 separat zuschalten oder abschalten lässt. Die Steuereinheit 56 ist im vorliegenden Fall ein Drei-Wege-Ventil, welches einen Durchfluss der zweiten Kühlflüssigkeit 36 auf parallel geschaltete Leitungsabschnitte 55, 57 des zweiten Kühlkreislaufs 32 verteilen kann.
In einem Heizmodus der Fahrzeugklimaanlage 10 ist die Steuereinheit 56 vorzugsweise so geschaltet, dass ein den Kühler 54 umfassender Leitungsabschnitt 55 des zweiten Kühlkreislaufs 32 nicht von der zweiten Kühlflüssigkeit 28 durchströmt wird. Somit durchströmt die gesamte zweite Kühlflüssigkeit 28 den Wärmetauscher 38 und gibt die über den Kondensator 18 aufgenommene Wärmeenergie an die dem Fahrzeuginnenraum zuführbare Luft 40 ab.
Entsprechend ist die Steuereinheit 56 in einem Kühlmodus der Fahrzeugklimaanlage 10 vorzugsweise so geschaltet, dass ein den Wärmetauscher 38 umfassender Leitungsabschnitt 57 des zweiten Kühlkreislaufs 32 nicht von der zweiten Kühlflüssigkeit 36 durchströmt wird. Somit durchströmt die gesamte zweite Kühlflüssigkeit 36 den Kühler 54 und gibt die über den Kondensator 18 aufgenommene Wärmeenergie an die Umgebungsluft 44 ab.
Obwohl die Steuereinheit 56 üblicherweise einen Leitungsabschnitt 55, 57 freigibt und den parallel geschalteten, anderen Leitungsabschnitt 57, 55 sperrt, sind selbstverständlich auch Schaltstellungen denkbar, bei denen beide Leitungsabschnitte 55, 57 zumindest teilweise freigegeben sind.
Für den Fall, dass zum Beispiel unter extremen Randbedingungen eine Heizleistung der Fahrzeugklimaanlage 10 im Wärmepumpenbetrieb nicht für eine zufriedenstellende Beheizung des Fahrzeuginnenraums ausreicht, kann dem Wärmetauscher 38 ein optionales Heizgerät 52 vorgeschaltet sein, um die zweite Kühlflüssigkeit 36 aufzuheizen. Dieses Heizgerät 52 ist vorzugsweise ein selbstregelndes PTC-Heizelement, kann alternativ aber zum Beispiel auch eine elektrische Widerstandsheizung sein.
Im Kältemittelkreislauf 12 gemäß 1 ist der von der ersten Kühlflüssigkeit 28 durchströmbare Verdampfer 22 ein erster Verdampfer und die vorgeschaltete Druckverminderungseinheit 20 eine erste Druckverminderungseinheit, wobei der Kältemittelkreislauf 12 parallel geschaltet zum ersten Verdampfer und der ersten Druckverminderungseinheit einen von der Umgebungsluft 44 durchströmbaren zweiten Verdampfer 58 mit einer vorgeschalteten zweiten Druckverminderungseinheit 60 aufweist. Die beiden Druckverminderungseinheiten 20, 60 sind im vorliegenden Fall jeweils als Expansionsventile mit Absperrfunktion ausgebildet. Alternativ ist jedoch auch denkbar, dass als Druckverminderungseinheit 20, 60 jeweils eine vorgefertigte Baugruppe aus einem Expansionsventil und einem Absperrventil zum Einsatz kommt. Auf diese Weise lassen sich die Druckverminderungseinheiten 20, 60 auch zur Durchflusssteuerung des Kältemittels 16 verwenden, sodass auf zusätzliche Durchflusssteuerelemente wie zum Beispiel separate Absperr- oder Rückschlagventile, verzichtet werden kann.
Im Heizmodus der Fahrzeugklimaanlage 10 sperrt die zweite Druckverminderungseinheit 60 vorzugsweise einen den zweiten Verdampfer 58 umfassenden Leitungsabschnitt 62 des Kältemittelkreislaufs 12. Somit nimmt das Kältemittel 16 ausschließlich vom elektrischen Antriebsstrang 31 des Hybrid- oder Elektrofahrzeugs bereitgestellte Wärmeenergie über den ersten Verdampfer 22 auf.
Entsprechend sperrt die erste Druckverminderungseinheit 20 im Kühlmodus der Fahrzeugklimaanlage 10 einen den ersten Verdampfer 22 umfassenden Leitungsabschnitt 64 des Kältemittelkreislaufs 12. Somit nimmt das Kältemittel 16 ausschließlich Wärmeenergie von der dem Fahrzeuginnenraum zuführbaren Luft 40 auf, was zu einer gewünschten Kühlung des Fahrzeuginnenraums führt.
Obwohl die Druckverminderungseinheiten 20, 60 üblicherweise einen Leitungsabschnitt 62, 64 freigeben und den parallel geschalteten, anderen Leitungsabschnitt 64, 62 sperren, sind selbstverständlich auch Schaltstellungen denkbar, bei denen beide Leitungsabschnitte 62, 64 zumindest teilweise freigegeben sind.
Gemäß 1 ist im Kältemittelkreislauf 12 druckseitig ein Kältemittelspeicher 65 vorgesehen, der stromaufwärts der Druckverminderungseinheiten 20, 60 angeordnet ist. Der Kältemittelspeicher 65 ist demzufolge ein Hochdruckspeicher, dem vorzugsweise ausschließlich flüssiges Kältemittel 16 entnommen wird, um es im Heizmodus über die erste Druckverminderungseinheit 20 zum Verdampfer 22 und im Kühlmodus über die zweite Druckverminderungseinheit 60 zum Verdampfer 58 zu leiten. Selbstverständlich kann der Kältemittelspeicher 65 alternativ auch ein saugseitig angeordneter Niederdruckspeicher sein, dem vorzugsweise ausschließlich gasförmiges Kältemittel 16 entnommen wird, um es dem Verdichter 14 zuzuführen.
Um einen besonders energieeffizienten Wärmepumpenbetrieb der Fahrzeugklimaanlage 10 zu erreichen, weist eine Kühlflüssigkeitsleitung 66 zum Umwälzen der zweiten Kühlflüssigkeit 36 im zweiten Kühlkreislauf 32 einen Leitungsquerschnitt A auf, mit 10 mm² ≤ A ≤ 100 mm², insbesondere 20 mm² ≤ A ≤ 60 mm².
Ferner weist die Pumpe 34 im zweiten Kühlkreislauf 32 eine Förderleistung P auf, mit 50 dm³/h ≤ P ≤ 400 dm³/h, insbesondere 120 dm³/h ≤ P ≤ 260 dm³/h.
Besonders bevorzugt sind der Leitungsquerschnitt A der Kühlflüssigkeitsleitung 66 und die Förderleistung P der Pumpe 34 im zweiten Kühlkreislauf 32 so aufeinander abgestimmt, dass eine Strömungsgeschwindigkeit v der zweiten Kühlflüssigkeit 36 bei 0,5 m/s ≤ v ≤ 2,0 m/s liegt.
Der kleine Leitungsquerschnitt A sowie der geringe Durchfluss im zweiten Kühlkreislauf 32 ermöglichen im Wärmetauscher 38 eine gute Wärmeübertragung zwischen der zweiten Kühlflüssigkeit 36 und der dem Fahrzeuginnenraum zuführbaren Luft 40. Dies äußert sich durch einen hohen Temperaturabfall der zweiten Kühlflüssigkeit 36 zwischen einem Kühlflüssigkeitseinlass 67 und einem Kühlflüssigkeitsauslass 69 des Wärmetauschers 38 sowie eine besonders starke Erwärmung der Luft 40 beim Durchströmen des Wärmetauschers 38.
Infolge der thermischen Kopplung der Kreisläufe 12, 24, 32 lässt sich die vergleichsweise geringe Wärmeenergie des elektrischen Antriebsstrangs 31 eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs im ersten Kühlkreislauf 24 sammeln, an den Kältemittelkreislauf 12 übertragen, im Wärmepumpenbetrieb des Kältemittelkreislaufs 12 vergrößern und schließlich an den zweiten Kühlkreislauf 32 abgeben, um dort über den Wärmetauscher 38 die dem Fahrzeuginnenraum zuführbare Luft 40 zu heizen. Die Wärmeenergie des elektrischen Antriebsstrangs 31 setzt sich dabei üblicherweise aus der Wärmeenergie mehrerer Wärmequellen des Elektro- oder Hybridfahrzeugs zusammen (z.B. Leistungselektronik, Elektromotor, Batterie).
Gleichzeitig lässt sich aufgrund der fluidischen Kreislauftrennung jeder einzelne Kreislauf 12, 24, 32, insbesondere hinsichtlich seiner Leitungsquerschnitte, Strömungsmengen sowie Strömungsgeschwindigkeiten, an die spezielle Funktion des jeweiligen Kreislaufs 12, 24, 32 anpassen.
So ist der erste Kühlkreislauf 24 darauf zugeschnitten, möglichst effizient Wärmeenergie vom elektrischen Antriebsstrang 31 des Hybrid- oder Elektrofahrzeugs aufzunehmen und je nach Bedarf über den Kühler 42 oder den Verdampfer 22 an die Umgebungsluft 44 bzw. den Kältemittelkreislauf 12 abzugeben. Der zweite Kühlkreislauf 32 ist hingegen darauf zugeschnitten, dem Kältemittelkreislauf 12 über den Kondensator 18 möglichst viel Wärmeenergie zu entziehen und bedarfsweise über den Kühler 54 oder den Wärmetauscher 38 möglichst effizient an die Umgebungsluft 44 bzw. die dem Fahrzeuginnenraum zuführbare Luft 40 abzugeben.
Der zwischen die Kühlkreisläufe 24, 32 geschaltete Kältemittelkreislauf 12 ist hingegen speziell dafür ausgelegt, über eine anpassbare Leistung des Verdichters 14 eine zufriedenstellende Heiz- bzw. Kühlleistung der Fahrzeugklimaanlage 10 für möglichst alle auftretenden Randbedingungen zu gewährleisten.
Falls die Fahrzeugklimaanlage 10 bei einem Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor 68 zum Einsatz kommt, kann optional ein separater, dritter Kühlkreislauf 70 vorgesehen sein, der in 1 gestrichelt angedeutet ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der dritte Kühlkreislauf 70 eine Pumpe 72 zum Umwälzen einer dritten Kühlflüssigkeit 74 sowie einen Wärmetauscher 76 zum Kühlen des Verbrennungsmotors 68.
Gemäß 1 weist der dritte Kühlkreislauf 70 einen Wärmetauscher 78 zum Heizen von dem Fahrzeuginnenraum zuführbarer Luft 40 auf. Parallel geschaltet zum Wärmetauscher 78 ist im dritten Kühlkreislauf 70 ein insbesondere separat schaltbarer Kühler 80 vorgesehen, wobei die dritte Kühlflüssigkeit 74 den Kühler 80 durchströmen und dabei Wärmeenergie an die Umgebungsluft 44 abgeben kann.
Zudem ist im dritten Kühlkreislauf 70 eine Steuereinheit 79 vorgesehen, über die sich der Kühler 80 separat zuschalten oder abschalten lässt. Die Steuereinheit 79 umfasst im vorliegenden Fall zwei Abschaltventile, welche einen Durchfluss der dritten Kühlflüssigkeit 74 auf parallel geschaltete Leitungsabschnitte des dritten Kühlkreislaufs 70 verteilen können.
In einem Heizmodus der Fahrzeugklimaanlage 10 ist die Steuereinheit 79 vorzugsweise so geschaltet, dass ein den Kühler 80 umfassender Leitungsabschnitt des dritten Kühlkreislaufs 70 nicht von der dritten Kühlflüssigkeit 74 durchströmt wird. Somit durchströmt die gesamte dritte Kühlflüssigkeit 74 den Wärmetauscher 78 und gibt die über den Wärmetauscher 76 vom Verbrennungsmotor 68 aufgenommene Wärmeenergie an die dem Fahrzeuginnenraum zuführbare Luft 40 ab.
Entsprechend ist die Steuereinheit 79 in einem Kühlmodus der Fahrzeugklimaanlage 10 vorzugsweise so geschaltet, dass ein den Wärmetauscher 78 umfassender Leitungsabschnitt des dritten Kühlkreislaufs 70 nicht von der dritten Kühlflüssigkeit 74 durchströmt wird. Somit durchströmt die gesamte dritte Kühlflüssigkeit 74 den Kühler 80 und gibt die über den Wärmetauscher 76 vom Verbrennungsmotor 68 aufgenommene Wärmeenergie an die Umgebungsluft 44 ab.
Obwohl die Steuereinheit 79 üblicherweise einen Leitungsabschnitt freigibt und den parallel geschalteten, anderen Leitungsabschnitt sperrt, sind selbstverständlich auch Schaltstellungen denkbar, bei denen beide Leitungsabschnitte zumindest teilweise freigegeben sind.
Der Wärmetauscher 38 sowie der Verdampfer 58 und der optionale Wärmetauscher 78 sind Teil einer „HLK-Anlage“ (Heizung/Lüftung/Klimatisierung), welche dem Fahrzeuginnenraum zugeordnet und üblicherweise in einem Lüftungskanal zur Belüftung des Fahrzeuginnenraums angeordnet ist.
Der dritte Kühlkreislauf 70 ist thermisch und strömungsmäßig getrennt vom Kältemittelkreislauf 12 sowie vom ersten und zweiten Kühlkreislauf 24, 32 ausgebildet, das heißt er weist keine Fluidverbindung zu einem der anderen Kreisläufe 12, 24, 32 auf. Über den separaten, dritten Kühlkreislauf 70 kann mit geringem Aufwand die Abwärme des Verbrennungsmotors 68 zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums verwendet werden. Sofern der dritte Kühlkreislauf 70 eine ausreichende Heizleistung liefert, kann die im Wärmepumpenbetrieb befindliche Fahrzeugklimaanlage 10 abgestellt oder zumindest in ihrer Leistung gedrosselt werden.
Insgesamt ergibt sich eine Fahrzeugklimaanlage 10, deren Betrieb sowohl im Heizmodus als auch im Kühlmodus äußerst energieeffizient ist.
Die 2 zeigt Temperaturprofile im Kondensator 18 sowie im Wärmetauscher 38 unter verschiedenen Betriebsbedingungen der Fahrzeugklimaanlage 10, wobei die Temperatur T über der Enthalpie E aufgetragen ist.
Dabei wird deutlich, dass sich das dampfförmige, überhitzte Kältemittel 16 mit einer Überhitzungstemperatur zwischen 80° C und 110° C im Kondensator 18 verflüssigt und als flüssiges, unterkühltes Kältemittel 16 mit einer Unterkühlungstemperatur zwischen 40° C und 50° C den Kondensator 18 verlässt. Die bevorzugten Betriebsbereiche des überhitzten bzw. unterkühlten Kältemittels 16 sind gemäß 2 durch Kreuzschraffur hervorgehoben. Außerdem sind in 2 Ausgleichsgeraden 81 für den Temperaturverlauf des Kältemittels 16 gepunktet dargestellt.
Je nach Temperaturverlauf des Kältemittels 16 steigt die Temperatur der zweiten Kühlflüssigkeit 36 im Kondensator 18 ausgehend von etwa 10–30 °C auf etwa 60 °C an. Dieser bevorzugte Betriebsbereich für die zweite Kühlflüssigkeit 36 ist in 2 ebenfalls durch Kreuzschraffur hervorgehoben. Die Zieltemperatur der zweiten Kühlflüssigkeit 36 im Kondensator 18 liegt bei etwa 60 °C, um eine ausreichende Erwärmung der dem Fahrzeuginnenraum zuführbaren Luft 40 zu ermöglichen. Diese Luft 40 wird gemäß 2 von ca. 0 °C auf etwa 55 °C im Wärmetauscher 38 erwärmt, wobei eine Luftaustrittstemperatur von etwa 50 °C als Mindestwert für eine zufriedenstellende Heizleistung angesehen werden kann.
Vorzugsweise kann der Kondensator 18 im Betrieb der Fahrzeugklimaanlage 10 sowohl vom Kältemittel 16 als auch von der zweiten Kühlflüssigkeit 36 durchströmt werden, wobei sich beim Durchströmen des Kondensators 18 das Kältemittel 16 um eine Temperaturdifferenz ∆T_KM abkühlt und die zweite Kühlflüssigkeit 36 um eine Temperaturdifferenz ∆T_KF erwärmt, wobei gilt: 0,5 < ∆T_KF / ∆T_KM < 1,1.
Im Übrigen kann der Wärmetauscher 38 zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums im Betrieb der Fahrzeugklimaanlage 10 sowohl von der zweiten Kühlflüssigkeit 36 als auch von der dem Fahrzeuginnenraum zuführbaren Luft 40 durchströmt werden, wobei sich beim Durchströmen des Wärmetauschers 38 die zweite Kühlflüssigkeit 36 um eine Temperaturdifferenz ∆T_KF abkühlt und die Luft 40 um eine Temperaturdifferenz ∆T_KL erwärmt, wobei gilt: 0,3 < ∆T_KF / ∆T_L < 1,1.
Zum Vergleich sind in 2 auch für herkömmliche Fahrzeugklimaanlagen mit indirektem Wärmepumpenbetrieb Temperaturprofile für die zweite Kühlflüssigkeit 36' sowie die dem Fahrzeuginnenraum zuführbare Luft 40' gestrichelt eingezeichnet. Dabei wird deutlich, dass sich die Temperatur der zweiten Kühlflüssigkeit 36' im Kondensator bzw. im Wärmetauscher lediglich um etwa 10 °C verändert und etwa zwischen 30 °C und 40 °C liegt. Die Luft 40' lässt sich hierbei bestenfalls von 0 °C auf etwa 40 °C erwärmen.
Die größeren Temperaturunterschiede und die damit einhergehende, bessere Heizleistung der Fahrzeugklimaanlage 10 gemäß 1 sind insbesondere darauf zurückzuführen, dass der zweite Kühlkreislauf 32 als „Niederflusskreislauf“ mit geringem Leitungsquerschnitt A sowie hocheffizientem Wärmetauscher 38 ausgebildet ist.
Die 3 zeigt ein Mollier-Diagramm des Kältemittelkreislaufs 12 im Heizmodus der Fahrzeugklimaanlage 10, wobei auf der Abszisse die Enthalpie E und auf der Ordinate ein Druck p des Kältemittels 16 logarithmisch aufgetragen ist. Dabei liegt ein Verdampfungsbereich 82 des Kältemittels 16 (hier R134a) bei einer Temperatur von etwa –10 °C und einem entsprechenden Kältemitteldruck von etwa 2 bar. Das Kältemittel 16 wird dann durch den Verdichter 14 bis in einen Kondensationsbereich 84 verdichtet, in welchem das Kältemittel 16 eine Temperatur von etwa 55 °C bei einem Druck von etwa 16 bar aufweist. Schließlich wird das Kältemittel 16 an der (ersten) Druckverminderungseinheit 20 so weit expandiert, dass es wieder im Verdampfungsbereich 82 liegt.
Die Enthalpie E im Kondensator 18 verteilt sich dabei zu etwa 10% auf einen Unterkühlungsbereich, zu etwa 63% auf einen Kondensationsbereich und zu etwa 27% auf einen Überhitzungsbereich des Kältemittels 16 (siehe auch 2).
Als Kältemittel 16 für den in 3 dargestellten Kältemittelkreislauf 12 sind insbesondere die Kältemittel R134a und HFO 1234 yf geeignet. Selbstverständlich können jedoch auch andere geeignete Kältemittel 16, beispielsweise Kohlendioxid, im Kältemittelkreislauf 12 der Fahrzeugklimaanlage 10 zum Einsatz kommen.
Der beschriebene Kältemittelkreislauf 12 für Fahrzeugklimaanlage 10 ist insbesondere für Hybrid- und Elektrofahrzeuge geeignet, mit deren „Motorwärme“ keine kontinuierliche, zufriedenstellende Beheizung des Fahrzeuginnenraums gewährleistet werden kann. Die Beheizung erfolgt dann, wie oben beschrieben, über den Wärmepumpenbetrieb der Fahrzeugklimaanlage 10.
Die 4 zeigt eine schematische Perspektivansicht des Wärmetauschers 38 zum Heizen der dem Fahrzeuginnenraum zuführbaren Luft 40. Um ein Temperaturprofil gemäß 2 mit hohen Temperaturdifferenzen im Wärmetauscher 38 zu erreichen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die nachfolgenden Maßvorgaben für den Wärmetauscher 38 einzuhalten.
So weist der Wärmetauscher 38 zum Heizen von der dem Fahrzeuginnenraum zuführbaren Luft 40 in Luftströmungsrichtung 86 eine Abmessung t auf, die bei 25 mm < t < 60 mm liegt. Ferner umfasst der Wärmetauscher 38 mehrere parallel angeordnete Flachrohre 88, wobei zwei benachbarte Flachrohre 88 einen Achsabstand b mit 4 mm < b < 8 mm aufweisen. Zwischen zwei benachbarten Flachrohren 88 erstreckt sich jeweils wenigstens eine Lamelle 90, die in Durchflussrichtung 92 der zweiten Kühlflüssigkeit 36 wellenförmig ausgebildet ist und an einem Wellenberg 94 jeweils ein erstes Flachrohr 88 der beiden benachbarten Flachrohre 88 sowie an einem Wellental 96 ein zweites Flachrohr 88 der beiden benachbarten Flachrohre 88 berührt, wobei die Lamelle 90 in Durchflussrichtung 92 gesehen einen Abstand h zwischen einem Wellenberg 94 und einem Wellental 96 aufweist, wobei gilt: 0,6 mm < h < 1,2 mm.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2011/0167850 A1 [0006]

Claims

Fahrzeugklimaanlage eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs, mit einem Kältemittelkreislauf (12), der einen Verdichter (14) zum Komprimieren eines Kältemittels (16), einen Kondensator (18) zum Kühlen und Kondensieren des komprimierten Kältemittels (16), eine Druckverminderungseinheit (20) zum Dekomprimieren des kondensierten Kältemittels (16) sowie einen Verdampfer (22) zum Erwärmen und Verdampfen des dekomprimierten Kältemittels (16) aufweist, einem ersten Kühlkreislauf (24), der mit dem Kältemittelkreislauf (12) thermisch gekoppelt ist und eine Pumpe (26) zum Umwälzen einer ersten Kühlflüssigkeit (28) sowie einen Wärmetauscher (30) zum Kühlen eines elektrischen Antriebsstrangs (31) des Hybrid- oder Elektrofahrzeugs aufweist, und einem zweiten Kühlkreislauf (32), der mit dem Kältemittelkreislauf (12) thermisch gekoppelt ist und eine Pumpe (34) zum Umwälzen einer zweiten Kühlflüssigkeit (36) sowie einen Wärmetauscher (38) zum Heizen von einem Fahrzeuginnenraum zuführbarer Luft (40) aufweist, wobei der Verdampfer (22) an den ersten Kühlkreislauf (24) angeschlossen ist und Wärmeenergie an das Kältemittel (16) abgeben kann, und wobei der Kondensator (18) an den zweiten Kühlkreislauf (32) angeschlossen ist und Wärmeenergie vom Kältemittel (16) aufnehmen kann.
Fahrzeugklimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlkreislauf (32) zum Umwälzen der zweiten Kühlflüssigkeit (36) eine Kühlflüssigkeitsleitung (66) mit einem Leitungsquerschnitt (A) aufweist, wobei gilt: 10 mm² ≤ A ≤ 100 mm², insbesondere 20 mm² ≤ A ≤ 60 mm².
Fahrzeugklimaanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (34) im zweiten Kühlkreislauf (32) eine Förderleistung (P) aufweist, wobei gilt: 50 dm³/h ≤ P ≤ 400 dm³/h, insbesondere 120 dm³/h ≤ P ≤ 260 dm³/h.
Fahrzeugklimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leitungsquerschnitt (A) einer Kühlflüssigkeitsleitung (66) und eine Förderleistung (P) der Pumpe (34) im zweiten Kühlkreislauf (32) so aufeinander abgestimmt sind, dass für eine Strömungsgeschwindigkeit (v) der zweiten Kühlflüssigkeit (36) gilt: 0,5 m/s ≤ v ≤ 2,0 m/s.
Fahrzeugklimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (12) getrennt von den beiden Kühlkreisläufen (24, 32) ausgebildet ist und sich das Kältemittel (16) von den Kühlflüssigkeiten (28, 36) unterscheidet.
Fahrzeugklimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlkreislauf (24) getrennt vom zweiten Kühlkreislauf (32) ausgebildet ist.
Fahrzeugklimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kühlflüssigkeit (28) mit der zweiten Kühlflüssigkeit (36) identisch ist.
Fahrzeugklimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlkreislauf (24) einen zum Verdampfer (22) parallel geschalteten, insbesondere separat schaltbaren Kühler (42) aufweist, wobei die erste Kühlflüssigkeit (28) den Kühler (42) durchströmen und dabei Wärmeenergie an die Umgebungsluft (44) abgeben kann.
Fahrzeugklimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlkreislauf (32) einen zum Wärmetauscher (38) parallel geschalteten, insbesondere separat schaltbaren Kühler (54) aufweist, wobei die zweite Kühlflüssigkeit (36) den Kühler (54) durchströmen und dabei Wärmeenergie an die Umgebungsluft (44) abgeben kann.
Fahrzeugklimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der von der ersten Kühlflüssigkeit (28) durchströmbare Verdampfer (22) ein erster Verdampfer und die vorgeschaltete Druckverminderungseinheit (20) eine erste Druckverminderungseinheit ist, wobei der Kältemittelkreislauf (12) parallel geschaltet zum ersten Verdampfer und der ersten Druckverminderungseinheit einen von der Umgebungsluft (44) durchströmbaren zweiten Verdampfer (58) mit einer vorgeschalteten zweiten Druckverminderungseinheit (60) aufweist.
Fahrzeugklimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (38) zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums im Betrieb der Klimaanlage (10) sowohl von der zweiten Kühlflüssigkeit (36) als auch von der dem Fahrzeuginnenraum zuführbaren Luft (40) durchströmt werden kann, wobei sich bei der Durchströmung des Wärmetauschers (38) die Kühlflüssigkeit (36) um eine Temperaturdifferenz ∆T_KF abkühlt und die Luft (40) um eine Temperaturdifferenz ∆T_L erwärmt, wobei gilt: 0,3 < ∆T_KF / ∆T_L < 1,1.
Fahrzeugklimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (18) im Betrieb der Klimaanlage (10) sowohl vom Kältemittel (16) als auch von der zweiten Kühlflüssigkeit (36) durchströmt werden kann, wobei sich bei der Durchströmung des Kondensators (18) das Kältemittel (16) um eine Temperaturdifferenz ∆T_KM abkühlt und die Kühlflüssigkeit (36) um eine Temperaturdifferenz ∆T_KF erwärmt, wobei gilt: 0,5 < ∆T_KF / ∆T_KM < 1,1.
Fahrzeugklimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (38) zum Heizen von der dem Fahrzeuginnenraum zuführbaren Luft (40) in Luftströmungsrichtung (86) eine Abmessung (t) aufweist und mehrere parallel angeordnete Flachrohre (88) umfasst, wobei zwei benachbarte Flachrohre (88) einen Achsabstand (b) aufweisen, wobei sich zwischen zwei benachbarten Flachrohren (88) jeweils wenigstens eine Lamelle (90) erstreckt, die in Durchflussrichtung (92) der zweiten Kühlflüssigkeit (36) wellenförmig ausgebildet ist und an einem Wellenberg (94) jeweils ein erstes Flachrohr der beiden benachbarten Flachrohre (88) sowie an einem Wellental (96) ein zweites Flachrohr der beiden benachbarten Flachrohre (88) berührt, wobei die Lamelle (90) in Durchflussrichtung (92) gesehen einen Abstand (h) zwischen einem Wellenberg (94) und einem Wellental (96) aufweist, und wobei gilt: 25 mm < t < 60 mm, 4 mm < b < 8 mm und 0,6 mm < h < 1,2 mm.
Fahrzeugklimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche für ein Hybridfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (68), dadurch gekennzeichnet, dass ein separater, dritter Kühlkreislauf (70) vorgesehen ist, der eine Pumpe (72) zum Umwälzen einer dritten Kühlflüssigkeit (74) sowie einen Wärmetauscher (76) zum Kühlen des Verbrennungsmotors (68) aufweist.
Fahrzeugklimaanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Kühlkreislauf (70) einen Wärmetauscher (78) zum Heizen von dem Fahrzeuginnenraum zuführbarer Luft (40) aufweist.