DE102013206171A1

DE102013206171A1 - Verfahren zum Betreiben eines CO2-Kältemittelkreislaufs sowie CO2-Kältemittelkreislauf

Info

Publication number: DE102013206171A1
Application number: DE102013206171.4A
Authority: DE
Inventors: Karsten Berg; Robert Mager
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-04-09
Filing date: 2013-04-09
Publication date: 2014-10-09
Also published as: EP3003751A1; WO2014166713A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufs eines Fahrzeugs, wobei der der Kältemittelkreislauf von dem Kältemittel Kohlendioxid durchströmt ist, wobei Kältemittel von einem Verdichter verdichtet und anschließend in einem Kältemittel-/Flüssigkeitswärmetauscher von einem hohen Temperaturniveau auf ein mittleres Temperaturniveau abgekühlt wird, indem eine Kühlflüssigkeit durch den Kältemittel-/Flüssigkeitswärmetauscher gepumpt wird. Anschließend wird das Kältemittel in einem Kältemittel-/Luftwärmetauscher von dem mittleren Temperaturniveau auf ein unteres Temperaturniveau abgekühlt, indem Umgebungsluft durch den Kältemittel-/Luftwärmetauscher strömt oder geblasen wird. Hiernach wird das Kältemittel in einem Expansionsorgan entspannt und strömt anschließend durch einen Verdampfer und vom Verdampfer zurück zum Verdichter.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines CO₂-Kältemittelkreislaufs gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie einen CO₂-Kältemittelkreislauf gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 2.
Im Vergleich zu herkömmlichen R134a-Kältemittelkreisläufen müssen CO₂-Kältemittelkreisläufe aufgrund unterschiedlicher Druck- und Temperaturniveaus anders konzipiert sein bzw. betrieben werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines CO₂-Kältemittelkreislaufs sowie einen entsprechenden Kreislauf zu schaffen, mit dem hinreichende Kühlleistungen erzielbar sind, ohne dass, im Vergleich zum Kühlmodul eines R134a-Kältemittelkreislaufs, allzu große Änderungen am Kühlmodul vorgenommen werden müssen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 bzw. 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein von Kohlendioxid (CO₂) durchströmter Kältemittelkreislauf, der, in Strömungsrichtung des Kältemittels betrachtet, einen Verdichter aufweist, der angesaugtes Kohlendioxid verdichtet und durch einen Gaskühler pumpt. Der Gaskühler kühlt Kältemittel von einem hohen Temperaturniveau auf ein mittleres Temperaturniveau ab.
Das hohe Temperaturniveau kann z. B. in einem Bereich von 120°C bis 160°C liegen. Das mittlere Temperaturniveau kann z. B. in einem Bereich von 40°C bis 70°C liegen.
Vom Gaskühler kommendes, abgekühltes Kältemittel durchströmt anschließend einen sogenannten „Unterkühler” (im Folgenden wird hierfür auch der Begriff „Nachkühler” verwendet), in dem es von dem mittleren Temperaturniveau auf ein unteres Temperaturniveau abgekühlt wird. Das untere Temperaturniveau kann z. B. in einem Bereich von 10°C bis 40°C liegen.
Der Unterkühler kann ein Kältemittel-/Umgebungsluftwärmetauscher sein, über den Wärme von dem auf dem mittleren Temperaturniveau befindlichen Kältemittel an die Umgebungsluft abgegeben wird.
Nach dem Durchströmen des Unterkühlers wird das Kältemittel in einem Expansionsorgan entspannt, wodurch es sich stark abkühlt. Vom Expansionsorgan kommendes kaltes Kältemittel durchströmt einen Verdampfer, in dem es Wärme aufnimmt. Vom Verdampfer strömt das Kältemittel zurück zur Saugseite des Verdichters.
Bei dem Gaskühler handelt es sich vorzugsweise um einen Kältemittel-/Flüssigkeitswärmetauscher, über den der Kältemittelkreislauf thermisch mit einem von einer Kühlflüssigkeit durchströmten Kühlkreislauf gekoppelt ist.
Die Verwendung eines wassergekühlten Gaskühlers stößt in Verbindung mit CO₂ als Kältemittel an seine Betriebsgrenzen. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, dass die Effizienz eines CO₂-Kältemittelkreislaufs in hohem Maße vom Temperaturniveau des Gaskühlers abhängt. Da der Kühlflüssigkeitskreislauf außer zur Klimatisierung auch zur Kühlung von Ladeluft eine Verbrennungsmotors des Fahrzeugs und/oder zur Kühlung verschiedener elektrischer Komponenten vorgesehen sein kann, kann das Temperaturniveau am Ausgang des Gaskühlers im Vergleich zur Umgebungslufttemperatur deutlich höher sein. In diesem Fall muss das Kältemittel weiter abgekühlt werden, was durch den gemäß der Erfindung vorgeschlagenen Unterkühler erreicht wird.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der o. g. Kühlkreislauf einen Kühlflüssigkeits-/Umgebungsluftwärmetauscher auf, über den Wärme von der Kühlflüssigkeit des Kühlkreislaufs an die Umgebungsluft abgegeben wird. Der Kühlkreislauf kann thermisch mit mindestens einer zu kühlenden elektrischen oder elektronischen Komponente, z. B. mit einem Hochvoltspeicher oder einer Leistungselektronik, gekoppelt sein.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Kühlkreislauf thermisch mit einem Ladeluftkühler eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugs gekoppelt ist. Der Ladeluftkühler ist zur Kühlung der dem Verbrennungsmotor zuzuführenden Luft vorgesehen. Über den Ladeluftkühler wird der Ladeluft Wärme entzogen und über den Kühlkreislauf an die Umgebung abgegeben.
Hinsichtlich der Anordnung der einzelnen Komponenten kann vorgesehen sein, dass, in Fahrtrichtung des Fahrzeugs betrachtet, der Kältemittel-/Umgebungsluftwärmetauscher, d. h. der Unterkühler (Nachkühler), vorderhalb des Kühlflüssigkeits-/Umgebungsluftwärmetauschers angeordnet ist, so dass Umgebungsluft nach dem Durchströmen des Kältemittel-/Umgebungsluftwärmetauschers den Kühlflüssigkeits-/Umgebungsluftwärmetauscher durchströmt. Um auch bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten eine hinreichende Wärmeabfuhr zu gewährleisten, kann vorgesehen sein, dass vorderhalb des Kältemittel-/Umgebungsluftwärmetauschers oder hinter dem Kühlmodul ein Gebläse angeordnet ist, welches Umgebungsluft durch den Kältemittel-/Umgebungsluftwärmetauscher und den dahinter angeordneten Kühlflüssigkeits-/Umgebungsluftwärmetauscher bläst oder saugt.
Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Kältemittelkreis gemäß der Erfindung in schematischer Darstellung;
2 eine Variante des Ausführungsbeispiels der 1 mit saugendem Gebläse und innerem Wärmetauscher; und
3 ein Ausführungsbeispiel mit zwei parallel geschalteten Verdampfern.
1 zeigt einen CO₂-Kältemittelkreislauf 1 mit einem Verdichter 2, der Kältemittel ansaugt, verdichtet und durch einen Gaskühler 3 pumpt. Der Gaskühler 3 ist ein Kältemittel-/Flüssigkeitswärmetauscher, über den der Kältemittelkreislauf 1 thermisch mit einem Niedertemperaturkreislauf (Kühlflüssigkeitskreislauf 4) gekoppelt ist. Im Gaskühler wird das Kältemittel von einem hohen Temperaturniveau auf ein mittleres Temperaturniveau abgekühlt. Nach dem Abkühlen auf das mittlere Temperaturniveau durchströmt das Kältemittel einen Unterkühler 5 (Nachkühler), bei dem es sich um einen Kältemittel-/Umgebungsluftwärmetauscher handelt. Im Unterkühler 5 wird das Kältemittel vom mittleren Temperaturniveau auf ein unteres Temperaturniveau abgekühlt.
Das auf das untere Temperaturniveau abgekühlte Kältemittel wird in einem Expansionsorgan 6 entspannt und dadurch weiter stark abgekühlt. Das entspannte Kältemittel durchströmt einen Verdampfer 7, in dem es Wärme aufnimmt. Der Verdampfer 7 kann beispielsweise von Luft durchströmt sein, die einem Fahrgastraum des Fahrzeugs zuzuführen ist. Die Luft wird mittels des Verdampfers 7 abgekühlt. Vom Verdampfer 7 kommendes Kältemittel wird dann erneut vom Verdichter 2 angesaugt.
Der Niedertemperatur- bzw. Flüssigkeitskreislauf 4 kann thermisch mit einer oder mehreren zu kühlenden elektrischen oder elektronischen Komponenten und/oder mit einem Ladeluftkühler (nicht dargestellt) gekoppelt sein. Von derartigen Komponenten an die Kühlflüssigkeit abgegebene Wärme wird über einen Niedertemperaturkühler, d. h. über einen Kühlflüssigkeits-/Umgebungsluftwärmetauscher 8 an die Umgebungsluft abgegeben.
In Fahrtrichtung 9 des Fahrzeugs betrachtet ist der Kältemittel-/Umgebungsluftwärmetauscher 5 vorderhalb des Kühlflüssigkeits-/Umgebungsluftwärmetauschers 8 angeordnet. Alternativ dazu kann der Kältemittel-/Umgebungsluftwärmetauscher 5 auch unterhalb, seitlich oder oberhalb des Kühlflüssigkeits-/Umgebungsluftwärmetauschers 8 angeordnet sein.
Vollständigkeitshalber sei ein Gebläse 10 erwähnt, mittels dessen auch bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten ein hinreichender Luftvolumenstrom durch die beiden Wärmetauscher 5, 8 sichergestellt werden kann.
2 zeigt eine Variante des Ausführungsbeispiels der 1. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1 ist das Gebläse 10 (in Fahrtrichtung 9 betrachtet) hinterhalb des Nachkühlers 5 angeordnet. Da hier der Kühlflüssigkeits-/Umgebungsluftwärmetauscher 8 ebenfalls hinterhalb des Nachkühlers 5 angeordnet ist, ist das Gebläse 10 auch hinterhalb des Kühlflüssigkeits-/Umgebungsluftwärmetauschers 8 angeordnet.
Ein weiterer Unterschied gegenüber dem Ausführungsbeispiel der 1 besteht darin, dass ein innerer Wärmetauscher 11 vorgesehen ist. Vom Nachkühler 5 kommendes Kältemittel durchströmt zunächst den inneren Wärmetauscher 11 bevor es im Expansionsorgan 6 entspannt wird. Das entspannte Kältemittel durchströmt dann den Verdampfer 7 und vom Verdampfer 7 zurück durch den inneren Wärmetauscher 11 zur Saugseite des Verdichters 2.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Verdampfer 7a, 7b mit jeweils einem zugeordneten Expansionsorgan 6a bzw. 6b vorgesehen sind. Vom Nachkühler 5 kommendes Kältemittel durchströmt zunächst den inneren Wärmetauscher 11. An einer Verzweigungsstelle 12 teilt sich der vom inneren Wärmetauscher 11 kommende Kältemittelstrom in einen ersten Teilvolumenstrom auf, der ein erstes Expansionsorgan 6a und den ersten Verdampfer 7a durchströmt und in einen zweiten Kältemittelvolumenstrom, der ein zweites Expansionsorgan 6b und den zweiten Verdampfer 7b durchströmt. Nach Durchströmen der beiden Verdampfer 7a bzw. 7b vereinigen sich die beiden Kältemittelvolumenströme in einem Vereinigungspunkt 13. Von dort strömt das Kältemittel zurück zum inneren Wärmetauscher 11 und von dort zur Saugseite des Verdichters 2.
Der Verdampfer 7a kann z. B. einem vorderen Bereich einer Fahrgastzelle eines Fahrzeugs zugeordnet sein (Frontverdampfer) und der Verdampfer 7b einem hinteren Bereich der Fahrgastzelle (Heckverdampfer).

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufs (1) eines Fahrzeugs, wobei der der Kältemittelkreislauf (1) von dem Kältemittel Kohlendioxid durchströmt ist, wobei Kältemittel – von einem Verdichter (2) verdichtet und anschließend – in einem Kältemittel-/Flüssigkeitswärmetauscher (3) von einem hohen Temperaturniveau auf ein mittleres Temperaturniveau abgekühlt wird, indem Kühlflüssigkeit durch den Kältemittel-/Flüssigkeitswärmetauscher (3) gepumpt, anschließend – in einem Kältemittel-/Luftwärmetauscher (5) von dem mittleren Temperaturniveau auf ein unteres Temperaturniveau abgekühlt wird, indem Umgebungsluft durch den Kältemittel-/Luftwärmetauscher (5) strömt, insbesondere gesaugt oder geblasen wird, anschließend – in einem Expansionsorgan (6) entspannt wird, anschließend – durch einen Verdampfer (7) strömt und anschließend – vom Verdichter (2) angesaugt wird.
Von Kohlendioxid durchströmter Kältemittelkreislauf (1), der in Strömungsrichtung des Kältemittels betrachtet folgende Komponenten aufweist: – einen Verdichter (2), – einen Gaskühler (3), – einen Nachkühler (5), – ein Expansionsorgan (6) und – einen Verdampfer (7).
Kältemittelkreislauf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachkühler (5) ein Kältemittel-/Umgebungsluftwärmetauscher ist, über den Wärme von dem Kältemittel an die Umgebungsluft abgegeben wird.
Kältemittelkreislauf nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskühler (3) ein Kältemittel-/Flüssigkeitswärmetauscher ist, über den der Kältemittelkreislauf (1) thermisch mit einem von einer Kühlflüssigkeit durchströmten Kühlmittelkreislauf (4) gekoppelt ist.
Kältemittelkreislauf nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf (4) einen Kühlflüssigkeits-/Umgebungsluftwärmetauscher (8) aufweist, über den Wärme an die Umgebungsluft abgegeben wird.
Kältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (4) thermisch mit mindestens einer zu kühlenden elektrischen Komponente, insbesondere einem Hochvoltspeicher oder einer Leistungselektronik, gekoppelt ist.
Kältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (4) thermisch mit einem Ladeluftkühler gekoppelt ist, der zur Kühlung der einem Verbrennungsmotor des Fahrzeugs zuzuführenden Luft vorgesehen ist.
Kältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Nachkühler (5) in Fahrtrichtung (9) des Fahrzeugs betrachtet vorderhalb, oberhalb, unterhalb oder seitlich des Kühlflüssigkeits-/Umgebungsluftwärmetauschers (8) angeordnet ist, so dass Umgebungsluft nach dem Durchströmen des Nachkühlers (5) den Kühlflüssigkeits-/Umgebungsluftwärmetauscher (8) durchströmt.
Kältemittelkreislauf nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass, in Fahrtrichtung (9) des Fahrzeugs betrachtet, vorderhalb oder hinterhalb des Nachkühler (5), insbesondere hinterhalb des Kühlflüssigkeits-/Umgebungsluftwärmetauschers (8), ein Gebläse (10) angeordnet ist.