DE102014003907A1

DE102014003907A1 - Fahrzeugklimaanlage mit einem Kältemittelkreislauf mit Wärmepumpenfunktionalität

Info

Publication number: DE102014003907A1
Application number: DE102014003907.2A
Authority: DE
Inventors: Dirk Schroeder; Klaus Strasser; Ruben Gonzalez; Christian Rebinger
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-03-19
Filing date: 2014-03-19
Publication date: 2015-09-24
Anticipated expiration: 2034-03-20
Also published as: DE102014003907B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugklimaanlage mit einem als Wärmepumpenkreislauf mit Heizfunktion und als Kältekreislauf betreibbaren Kältemittelkreislauf (1), welcher als Komponenten wenigstens einen Verdampfer (2), einen Kältemittelverdichter (3), einen Kältemittelkondensator (4), ein dem Verdampfer (2) zugeordnetes Expansionsventil (5), wenigstens einen zur Kopplung mit einem Kühlmittelkreislauf (6) einer Wärmequelle vorgesehener Wärmeübertrager (7) mit zugeordnetem Expansionsventil (8) und einen Wärmepumpen-Kondensator (10) aufweist, wobei diese Komponenten mittels einer Kältemittelleitung (9) verbunden sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kältemittelkondensator (4) in einem ersten Leitungsabschnitt (9.1) der Kühlmittelleitung (9) angeordnet ist, wobei der erste Leitungsabschnitt (9.1) in Fließrichtung des Kältemittels mit einem ersten Abzweigventil (4.1) beginnt und mit einem ersten Absperrventil (4.2) endet und der Kältemittelkondensator (4) zwischen dem ersten Abzweigventil (4.1) und dem ersten Sperrventil (4.2) angeordnet ist, der Wärmepumpen-Kondensator (10) in einem zweiten Leitungsabschnitt (9.2) der Kühlmittelleitung (9) angeordnet ist, wobei der zweite Leitungsabschnitt (9.2) in Fließrichtung des Kältemittels mit einem zweiten Abzweigventil (10.1) beginnt und mit einem zweiten Absperrventil (10.2) endet und der Wärmepumpen-Kondensator (10) zwischen dem zweiten Abzweigventil (10.1) und dem zweiten Sperrventil (10.2) angeordnet ist, und der erste oder der zweite Leitungsabschnitt (9.1, 9.2) derart ausgebildet ist, dass die Innenvolumina des ersten und zweiten Leitungsabschnittes (9.1, 9.2) aneinander angeglichen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugklimaanlage mit einem als Wärmepumpenkreislauf mit Heizfunktion und als Kältekreislauf betreibbaren Kältemittelkreislauf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Der Einsatz von Kältemittelkreisläufen in Fahrzeugklimaanlagen ist bekannt, wobei manche Varianten eine 2-Verdampferanlage vorsehen, nämlich einen Frontverdampfer und einen Heckanlagenverdampfer. Je nach Verschaltung und aktivem Betrieb der jeweiligen Wärmeübertragung variiert der Bedarf an benötigtem aktivem Kältemittel im Kältemittelkreislauf.
Elektrifizierte Fahrzeuge benötigen neben mindestens einem Frontverdampfer einen separaten Kühlmittelkreislauf zur Konditionierung und Temperierung des in der Regel als Hochvoltbatterie realisierten Energiespeichers. Ein solcher Kühlmittelkreislauf wird mittels eines Wärmeübertragers mit dem Kältemittelkreislauf gekoppelt, wobei ein solcher Wärmeübertrager seinerseits ebenfalls als Verdampfer zum Kühlen eines Luftstromes bzw. als sogenannter Chiller zum Kühlen von Wasser ausgebildet ist.
Es sind darüber hinaus Ausführungen bekannt, die den Hochvoltspeicher per Luftstrom konditionieren. Dessen Abkühlung erfolgt per luftseitig geschalteten Verdampfer, analog dem Innenraum-Wärmeübertrager. Eine weitere bekannte Ausführung ist eine Hochvoltspeicher-Direktkonditionierung mit Kältemittel, das ohne Zwischenkälteträger direkt in die Batterie geführt wird und deren Abwärme aufnimmt.
Auch der Einsatz des Kältemittelkreislaufs der Fahrzeugklimaanlage in einem Wärmepumpenbetrieb zum Aufheizen der Fahrgastzelle ist bekannt. In seiner Funktion als Wärmepumpe ist der Kältemittelkreislauf in der Lage, einen Luft- oder auch Wasserstrom bzw. Kühlmittelstrom zu erwärmen und diese Wärme direkt oder indirekt an die Luft der Fahrgastzelle abzugeben. Je nach Betriebsweise der Fahrzeugklimaanlage, ob also geheizt bzw. gekühlt wird oder welche Anzahl von Wärmeübertrager aktiv betrieben werden, variiert auch in diesem Fall die zur optimalen Betriebsweise benötigte Menge an aktivem oder tatsächlich benötigtem Kältemittel im Kältemittelkreislauf.
Die unterschiedlichen Betriebsweisen einer solchen Kälteanlage können somit je nach Verschaltung der Komponenten unterschiedliche Kältemittelfüllmengen als Optimum benötigen.
Bei einer gattungsbildenden Fahrzeugklimaanlage gemäß der DE 10 2011 118 162 A1 wird dieses Problem dadurch gelöst, dass Kältemittel aus den nichtaktiven Bereichen abgesaugt und in aktive Bereiche des Kältemittelkreislaufs durch die Schaltung einer Verbindung der nichtaktiven Bereiche mit der aktiven Niederdruckseite eingespeist wird. Insbesondere wird in bestimmten Betriebsmodi bei einem Kältemittelüberschuss Kältemittel verlagert. Damit soll durch Absaugen und Auslagern von Kältemittel aus aktiven Bereichen bzw. in inaktive Bereiche des Kältemittelkreislaufs oder Komponenten desselben eine Regelungsmöglichkeit der aktiven Kältemittelfüllmenge realisiert werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine alternative Lösung zu derjenigen gemäß der DE 10 2011 118 162 A1 anzugeben, mit der insbesondere für jeden Betriebsmodus der Fahrzeugklimaanlage die notwendige Kältemittelmenge zur Verfügung gestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Fahrzeugklimaanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Eine solche Fahrzeugklimaanlage mit einem als Wärmepumpenkreislauf mit Heizfunktion und als Kältekreislauf betreibbaren Kältemittelkreislauf, welcher als Komponenten wenigstens einen Verdampfer, einen Kältemittelverdichter, einen Kältemittelkondensator, ein dem Verdampfer zugeordnetes Expansionsventil, wenigstens einen zur Kopplung mit einem Kühlmittelkreislauf einer Wärmequelle vorgesehener Wärmeübertrager mit zugeordnetem Expansionsventil und einen Wärmepumpen-Kondensator aufweist, wobei diese Komponenten mittels einer Kältemittelleitung verbunden sind, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass

– der Kältemittelkondensator in einem ersten Leitungsabschnitt der Kühlmittelleitung angeordnet ist, wobei der erste Leitungsabschnitt in Fließrichtung des Kältemittels mit einem ersten Abzweigventil beginnt und mit einem ersten Absperrventil endet und der Kältemittelkondensator zwischen dem ersten Abzweigventil und dem ersten Sperrventil angeordnet ist,
– der Wärmepumpen-Kondensator in einem zweiten Leitungsabschnitt der Kühlmittelleitung angeordnet ist, wobei der zweite Leitungsabschnitt in Fließrichtung des Kältemittels mit einem zweiten Abzweigventil beginnt und mit einem zweiten Absperrventil endet und der Wärmepumpen-Kondensator zwischen dem zweiten Abzweigventil und dem zweiten Sperrventil angeordnet ist, und
– der erste oder der zweite Leitungsabschnittes derart ausgebildet ist, dass die Innenvolumina des ersten und zweiten Leitungsabschnittes aneinander angeglichen sind.

Bei dieser erfindungsgemäßen Fahrzeugklimaanlage wird die Aufgabe in überraschend einfacher Weise dadurch gelöst, dass die beiden Leitungsabschnitte in Bezug auf ihre Innenvolumina angeglichen werden. Damit wird sowohl beim Kältemittelkreislauf für den Kühlbetrieb der Fahrzeugkabine und bspw. einer Batterie als auch im Wärmepumpenbetrieb immer der nahezu gleiche Bedarf an Füllmenge an Kältemittel im Kältemittelkreislauf bzw. für die jeweils gewählte Verschaltung des Systems sichergestellt.
Die beiden Leitungsabschnitte werden hinsichtlich ihrer Innenvolumina bevorzugt jeweils am Austritt der ihnen zugeordneten Wärmeübertrager, also des Kältemittelkondensators bzw. des Wärmepumpenkondensators angeglichen.
Der erste Leitungsabschnitt der Kühlmittelleitung mit dem Kältemittelkondensator ist bevorzugt in dem den Vorderwagen des Fahrzeugs durchströmenden Luftstrom angeordnet.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Angleichung der Innenvolumina der beiden Leitungsabschnitte dadurch realisiert, dass der Leitungsquerschnitt des ersten oder des zweiten Leitungsabschnittes einen Wert aufweist, mit welchem die Innenvolumina des ersten und zweiten Leitungsabschnittes aneinander angeglichen sind.
Alternativ kann die Angleichung der Innenvolumina derart erfolgen, dass ein Sammelbehälter vorgesehen ist, der in Fließrichtung des Kältemittels entweder am Ausgang des Kältemittelkondensators oder am Ausgang des Wärmepumpen-Kondensators angeordnet ist. Ein solcher Sammelbehälter ist zusätzlich zu den bereits standardmäßig in dem Kältemittelkondensator bzw. in dem Wärmepumpenkondensator integrierten Kältemittelspeichern vorgesehen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
1 ein Prinzipschaltbild eines Kältemittelkreislaufs einer Fahrzeugklimaanlage gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung, und
2 ein Prinzipschaltbild eines Kältemittelkreislaufs einer Fahrzeugklimaanlage gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung.
Die 1 und 2 zeigen jeweils eine Fahrzeugklimaanlage eines Fahrzeugs (nicht dargestellt) mit einem Kältemittelkreislauf 1 mit identischer Grundstruktur.
Der Kältemittelkreislauf 1 dieser 1 und 2 umfasst als Komponenten einen Verdampfer 2 als Innenwärmetauscher, einen Kältemittelverdichter 3, einen Kältemittelkondensator 4 als Außenwärmetauscher, einen Wärmepumpen-Kondensator 10 als Innenheizkondensator, der bspw. zusammen mit dem Verdampfer 2 ein Klimagerät bildet, ein dem Verdampfer 2 in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgeschaltetes Expansionsventil 5. Ferner umfasst der Kältemittelkreislauf 1 eine Reihenschaltung aus einem Wärmeübertrager 7 als weiteren Verdampfer und einem dem Wärmeübertrager 7 zugeordneten Expansionsventil 8, die parallel zur Reihenschaltung aus dem Expansionsventil 5 und dem Verdampfer 2 in dem Kältemittelkreislauf 1 angeordnet sind. Dieser Wärmeübertrager 7 ist mit einem Kühlmittelkreislauf 6 einer Wärmequelle (nicht dargestellt) gekoppelt, die bspw. eine Hochvoltbatterie oder ein Elektromotor darstellen kann. Dieser Wärmeübertrager 7 arbeitet ebenfalls als Verdampfer zur Kühlung eines Luftstromes als Kühlmittel oder als Chiller zum Kühlen von Wasser als Kühlmittel. Die aufgeführten Komponenten sind zur Bildung des Kältemittelkreislaufes 1 über eine Kältemittelleitung 9 miteinander verbunden.
Der Kältemittelkondensator 4 ist in einem ersten Leitungsabschnitt 9.1 der Kältemittelleitung 9 angeordnet, wobei ein dem Kältemittelkondensator 4 vorgeschaltetes erstes Abzweigventil 4.1 den Zufluss von Kältemittel zu dem Kältemittelkondensator 4 freigibt und ein dem Kältemittelkondensator 4 nachgeschaltetes erstes Sperrventil 4.2 nachgeschaltet ist. Dieser erste Leitungsabschnitt 9.1 erstreckt sich daher zwischen dem ersten Abzweigventil 4.1 und dem ersten Sperrventil 4.2, wobei der erste Leitungsabschnitt 9.1 der Kühlmittelleitung 9 mit dem Kältemittelkondensator 4 bevorzugt in dem den Vorderwagen des Fahrzeugs durchströmenden Luftstrom angeordnet ist.
Der Wärmepumpen-Kondensator 10 ist in einem zweiten Leitungsabschnitt 9.2 der Kältemittelleitung 9 angeordnet, wobei ein dem Wärmepumpen-Kondensator 10 vorgeschaltetes zweites Abzweigventil 10.1 den Zufluss von Kältemittel zu dem Wärmepumpen-Kondensator 10 freigibt und ein dem Wärmepumpen-Kondensator 10 nachgeschaltetes zweites Sperrventil 10.2 nachgeschaltet ist. Dieser zweite Leitungsabschnitt 9.2 erstreckt sich daher zwischen dem zweiten Abzweigventil 10.1 und dem zweiten Sperrventil 10.2.
Die beiden Sperrventile 4.2 und 10.2 können auch als Rückschlagventile ausgebildet sein.
Der Kältemittelverdichter 3 ist an seinem hochdruckseitigen Ausgang über einen Leitungsabschnitt 9.3 der Kältemittelleitung 9 mit dem ersten Abzweigventil 4.1 und dem zweiten Abzweigventil 10.1 verbunden ist, während die Niederdruckseite des Kältemittelverdichters 3 über einen Leitungsabschnitt 9.5 an den Verdampfer 2 und über einen Leitungsabschnitt 9.6 an den Wärmeübertrager 7 angeschlossen ist. Das dem Verdampfer 2 zugeordnete Expansionsventil 5 und das dem Wärmeübertrager 7 zugeordnete Expansionsventil 6 sind über einen Leitungsabschnitt 9.4 mit dem ersten und zweiten Absperrventil 9.12 und 9.22 verbunden.
Im Folgenden werden die Kältemittelkreisläufe 1 gemäß den 1 und 2 hinsichtlich der beiden Leitungsabschnitte 9.1 und 9.2 im Einzelnen erläutert, deren Innenvolumina aneinander angeglichen sind.
Um die Innenvolumina der beiden Leitungsabschnitte 9.1 und 9.2 aneinander anzugleichen, d. h. so aneinander anzugleichen, dass diese identische Innenvolumina aufweisen, wird gemäß 1 der Leitungsquerschnitt des ersten oder zweiten Leitungsabschnittes 9.1 oder 9.2 vergrößert oder verkleinert. Die Vergrößerung oder Verkleinerung des Leitungsquerschnittes betrifft entweder die Abschnitte 9.11 und 9.12 zwischen dem ersten Abzweigventil 4.1 und dem Kältemittelkondensator 4 bzw. zwischen dem Kältemittelkondensator 4 und dem Sperrventil 4.2 oder die Abschnitte 9.21 und 9.22 zwischen dem zweiten Abzweigventil 10.1 und dem Wärmepumpen-Kondensator 10 bzw. zwischen dem Wärmepumpen-Kondensator 10 und dem zweiten Sperrventil 10.2.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die aneinander anzugleichenden Leitungsabschnitte jeweils am Austritt der in ihnen angeordneten Wärmeübertrager, also des Kältemittelkondensators 4 bzw. des Wärmepumpenkondensators 10 angeordnet werden. Dementsprechend ist in 1 schematisch angedeutet, dass der Abschnitt 9.22 des zweiten Leitungsabschnittes 9.2 zwischen dem Wärmepumpen-Kondensator 10 und dem zweiten Sperrventil 10.2 einen anderen Leitungsquerschnitt aufweist als der Abschnitt 9.12 des ersten Leitungsabschnittes 9.1. Die Leitungsquerschnitte der beiden Abschnitte 9.11 und 9.21 können dagegen identisch sein. Dabei ist der Leitungsquerschnitt des Abschnittes 9.22 derart gewählt, dass sich gleiche Innenvolumina der Leitungsabschnitte 9.1 und 9.2 einschließlich der jeweiligen Wärmeübertrager, also des Kältemittelkondensators 4 und des Wärmepumpenkondensators 10 ergeben. Dabei kann dieser Abschnitt 9.22 einen größeren oder einen kleineren Leitungsquerschnitt als der Abschnitt 9.12 aufweisen.
Anstelle des Abschnittes 9.22 kann auch der Abschnitt 9.12 des ersten Leitungsabschnittes 9.1 in seinem Leitungsquerschnitt so verändert werden, dass sich identische Innenvolumina der Leitungsabschnitte 9.1 und 9.2 ergeben.
Schließlich ist es auch möglich, sowohl den Abschnitt 9.21 als auch den Abschnitt 9.22 des zweiten Leitungsabschnittes 9.2 mit Leitungsquerschnitten auszubilden, so dass sich das Innenvolumen des zweiten Leitungsabschnittes 9.2 an das Innenvolumen des ersten Leitungsabschnittes 9.1 angleicht. Umgekehrt ist es auch möglich, die beiden Abschnitte 9.11 und 9.12 des ersten Leitungsabschnittes 9.1 zur Angleichung an das Innenvolumen des zweiten Leitungsabschnittes 9.2 mit einem entsprechenden Leitungsquerschnitt auszubilden.
Die Angleichung der Innenvolumina der beiden Leitungsabschnitte 9.1 und 9.2 erfolgt gemäß 2 nicht durch eine Anpassung der Leitungsquerschnitte, sondern indem entweder in dem ersten Leitungsabschnitt 9.1 oder in dem zweiten Leitungsabschnitt 9.2 ein zusätzlicher Sammelbehälter 4.3 oder 10.3 zu den bereits standardmäßig in dem Kältemittelkondensator 4 und in dem Wärmepumpen-Kondensator 10 integrierten Kältemittelspeichern verwendet wird, der entweder in Fließrichtung des Kältemittels direkt am Wärmetauscheraustritt des Kältemittelkondensators 4 oder direkt am Wärmetauscheraustritt des Wärmepumpen-Kondensators 10 angeordnet ist.
Die 2 zeigt zwei Varianten dieser Art der Angleichung der Innenvolumina der beiden Leitungsabschnitte 9.1 und 9.2. In einer ersten Variante ist nur im ersten Leitungsabschnitt 9.1 ein Sammelbehälter 4.3 vorgesehen, dessen Volumen so gewählt ist, dass das Innenvolumen des ersten Leitungsabschnittes 9.1 mit dem Innenvolumen des zweiten Leitungsabschnittes 9.2 übereinstimmt. In einer zweiten Variante ist ein solcher Sammelbehälter 10.3 nur in dem zweiten Leitungsabschnitt 9.2 vorgesehen. In diesem Fall ist das Volumen des Sammelbehälters 10.3 so gewählt, dass das Innenvolumen des zweiten Leitungsabschnittes 9.2 mit dem Innenvolumen des ersten Leitungsabschnittes 9.1 übereinstimmt.
Die beschriebene Fahrzeugklimaanlage gemäß den 1 und 2 ist unabhängig von der Wahl des eingesetzten Kältemittels. Sowohl chemische Betriebsstoffe, wie bspw. R134a und R1234yf, aber auch natürliche Kältemittel, z. B. R744, können von der oben beschriebenen Modifikation oder Anpassung der Kälteanlage profitieren.
Das System mit R744-Kältemittel ist bevorzugt als Anlage mit niederdruckseitigem Hauptkältemittelspeicher ausgebildet, wobei auch analog zu R134a-Füllmengendiskrepanzen bevorzugt durch Vergrößerung dessen Innenvolumens oder durch stromabwärts verbaute Zusatzvolumina bzw. Anheben der Leitungsdimensionen (Anhebung) kompensiert werden.
Bezugszeichenliste

1: Kältemittelkreislauf
2: Verdampfer
3: Kältemittelverdichter
4: Kältemittelkondensator
4.1: erstes Abzweigventil des ersten Leitungsabschnittes 9.1
4.2: erstes Absperrventil des ersten Leitungsabschnittes 9.1
4.3: Sammelbehälter des ersten Leitungsabschnittes 9.1
5: Expansionsventil
6: Kühlmittelkreislauf
7: Wärmeübertrager
8: Expansionsventil
9: Kältemittelleitung
9.1: erster Leitungsabschnitt der Kältemittelleitung 9
9.2: zweiter Leitungsabschnitt der Kältemittelleitung 9
9.3: Leitungsabschnitt der Kältemittelleitung 9
9.4: Leitungsabschnitt der Kältemittelleitung 9
9.5: Leitungsabschnitt der Kältemittelleitung
9.6: Leitungsabschnitt der Kältemittelleitung 9
10: Wärmepumpen-Kondensator
10.1: zweites Abzweigventil des zweiten Leitungsabschnittes 9.2
10.2: zweites Absperrventil des zweiten Leitungsabschnittes 9.2
10.3: Sammelbehälter des zweiten Leitungsabschnittes 9.2

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011118162 A1 [0007, 0008]

Claims

Fahrzeugklimaanlage mit einem als Wärmepumpenkreislauf mit Heizfunktion und als Kältekreislauf betreibbaren Kältemittelkreislauf (1), welcher als Komponenten wenigstens einen Verdampfer (2), einen Kältemittelverdichter (3), einen Kältemittelkondensator (4), ein dem Verdampfer (2) zugeordnetes Expansionsventil (5), wenigstens einen zur Kopplung mit einem Kühlmittelkreislauf (6) einer Wärmequelle vorgesehener Wärmeübertrager (7) mit zugeordnetem Expansionsventil (8) und einen Wärmepumpen-Kondensator (10) aufweist, wobei diese Komponenten mittels einer Kältemittelleitung (9) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass – der Kältemittelkondensator (4) in einem ersten Leitungsabschnitt (9.1) der Kühlmittelleitung (9) angeordnet ist, wobei der erste Leitungsabschnitt (9.1) in Fließrichtung des Kältemittels mit einem ersten Abzweigventil (4.1) beginnt und mit einem ersten Absperrventil (4.2) endet und der Kältemittelkondensator (4) zwischen dem ersten Abzweigventil (4.1) und dem ersten Sperrventil (4.2) angeordnet ist, – der Wärmepumpen-Kondensator (10) in einem zweiten Leitungsabschnitt (9.2) der Kühlmittelleitung (9) angeordnet ist, wobei der zweite Leitungsabschnitt (9.2) in Fließrichtung des Kältemittels mit einem zweiten Abzweigventil (10.1) beginnt und mit einem zweiten Absperrventil (10.2) endet und der Wärmepumpen-Kondensator (10) zwischen dem zweiten Abzweigventil (10.1) und dem zweiten Sperrventil (10.2) angeordnet ist, und – der erste oder der zweite Leitungsabschnitt (9.1, 9.2) derart ausgebildet ist, dass die Innenvolumina des ersten und zweiten Leitungsabschnittes (9.1, 9.2) aneinander angeglichen sind.
Fahrzeugklimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitungsquerschnitt des ersten oder des zweiten Leitungsabschnittes (9.1, 9.2) einen Wert aufweist, mit welchem die Innenvolumina des ersten und zweiten Leitungsabschnittes (9.1, 9.2) aneinander angeglichen sind.
Fahrzeugklimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sammelbehälter (4.3, 10.3) vorgesehen ist, der Fließrichtung des Kältemittels entweder am Ausgang des Kältemittelkondensators (4) oder am Ausgang des Wärmepumpen-Kondensators (10) angeordnet ist.