-
Die Erfindung betrifft einen Kältemittelverdichter einer Klimaanlage für ein Fahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung eine Fahrzeugklimaanlage mit einem erfindungsgemäßen Kältemittelverdichter.
-
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 Kältemittelkreislauf als Wärmepumpen-Kreislauf so geführt, dass der Reihe nach in Fließrichtung des Kältemittels ein Kompressor, ein Kondensator, ein Expansionsventil und ein Verdampfer durchströmt werden können.
-
Bekannte Wärmepumpen- und Kältekreiskonzepte bestehen kältemittelkreisseitig im Wesentlichen aus einem Kompressor, Ventilen und verschiedenen direkten Kältemittel-Luft- und indirekten Kältemittel-Wasser-Wärmeübertragern auf der Hoch- und Niederdruckseite. Eine weitere wesentliche Komponente ist der Kältemittelsammler als Ausgleichsvolumen innerhalb des Kältemittelkreises. Es ist bekannt, einen solchen Kältemittelsammler in Kältemittelflussrichtung nach dem Wärmeübertrager im Anschluss an den direkten oder indirekten Wärmeübertrager auf der Hochdruckseite vorzusehen, wie dies bspw. aus der
DE 10 2010 042127 A1 bekannt ist.
-
Auch ist es bspw. aus der
DE 10 2012 208 992 A1 bekannt, den Kältemittelsammler auf der Niederdruckseite in Kältemittelfließrichtung direkt vor dem Verdichter/Kompressor anzuordnen.
-
Bei einer Positionierung des Kältemittelsammlers auf der Niederdruckseite in Kältemittelflussrichtung direkt vor dem Kompressor besteht jedoch vor allem im Wärmepumpenbetrieb einer entsprechenden Klimaanlage die Gefahr der Eisbildung an der Außenseite des Kältemittelsammlers. Soll bei einem Kaltstart die Umgebungsluft oder die geringe Abwärme der Batterie als Wärmequelle für den Wärmepumpenprozess verwendet werden, so sinken die Verdampfungstemperatur und der daran gekoppelte Verdampfungsdruck im Kältemittelkreislauf entsprechend ab. Sinkt die Verdampfungstemperatur des Kältekreisprozesses dauerhaft unter 0 °C, so hat aufgrund der systembedingt geringen Überhitzung auch das im Kältemittelsammler befindliche Kältemittel eine Temperatur von unter 0 °C. Die Feuchtigkeit der den Niederdrucksammler umgebenden Luft führt dazu, dass sich an der Sammleroberfläche eine Eisschicht bildet, welche das Betriebsverhalten desselben wesentlich verschlechtert.
-
Im Klimaanlagenbetrieb wird durch den vor dem Kompressor angeordneten Kältemittelsammler eine zusätzliche Wärmemenge in den Kältemittelkreis eingetragen. Für einen effizienten Betrieb sollte dieser Wärmeeintrag jedoch so gering wie möglich gehalten werden.
-
Bei Fahrzeugen mit elektrischen Antrieben wird sowohl für die Klimatisierung als auch für eine direkte oder indirekte Kühlung von elektrischen Komponenten ein elektrischer Verdichter, bspw. ein Scroll-Verdichter mit einstellbarer Drehzahl verwendet. Die Kühlung des Elektromotors sowie der Leistungselektronik im Kompressorgehäuse des Verdichters erfolgt mittels des angesaugten Kältemittels, welches direkt über die elektrische Antriebskomponente sowie die zugehörige Leistungselektronik strömt. Dabei nimmt das Kältemittel die entsprechende Abwärme der elektrischen Komponenten auf. Anschließend tritt das Kältemittel in den Verdichter, d.h. in Scroll-Scheiben oder in eine Verdichterschnecke ein, in welcher der eigentliche Kompressionsprozess stattfindet.
-
Durch die Wärmeaufnahme des Kältemittels von den elektrischen Komponenten des Verdichters werden diese Komponenten gekühlt und das Kältemittel dadurch entsprechend erwärmt. Da das Kältemittel den Verdampfer in der Regel im gasförmigen Zustand verlässt, wird es im Kältemittelverdichter weiter überhitzt. Dabei sinkt jedoch die Dichte am Eintritt in die Verdichterschnecke bzw. in die Scroll-Scheiben des Kältemittelverdichters. Um einen effizienten Betrieb zu gewährleisten und einen möglichst großen Massenstrom zu fördern, ist die Überhitzung möglichst klein zu halten, was jedoch aufgrund der Wärmeaufnahme des Kältemittels an den elektrischen Komponenten des Kältemittelverdichters verhindert wird.
-
Aus der
DE 10 2012 206 308 A1 ist ein Hybridfahrzeug oder ein elektrisches Fahrzeug mit einer einen Kältemittelverdichter aufweisenden Klimaanlage bekannt, wobei der Kältemittelverdichter zusammen mit einem inneren Wärmeübertrager, einem Niederdrucksammler, einem äußeren Wärmeübertrager und einem Expansionsventil einen Kältemittelkreislauf bildet. Der Kältemittelverdichter weist einen Motor als elektrischen Antrieb für den Verdichter auf, der in einem Teilraum eines Gehäuses des Kältemittelverdichters angeordnet ist. Der eigentliche Verdichter ist in einem weiteren Teilraum des Gehäuses des Kältemittelverdichters angeordnet und mit dem den elektrischen Antrieb aufnehmenden Teilraum zur Zuführung von zu verdichtendem gasförmigen Kältemittel verbunden. Der Niederdrucksammler ist mit dem Gehäuse des Kältemittelverdichters verbunden und durch eine Gehäusewand von dem den elektrischen Antrieb aufnehmenden Teilraum getrennt.
-
Bei diesem bekannten Kältemittelverdichter gemäß der
DE 10 2012 206 308 A1 wird das Kältemittel aus dem inneren Wärmeübertrager über eine Verbindungsleitung dem Niederdrucksammler zugeführt, wo sich das Kältemittel in einem unteren Abschnitt in seiner flüssigen Phase und in einem oberen Abschnitt in seiner gasförmigen Phase sammelt. Im unteren Bereich des mit dem Niederdrucksammler verbundenen Kältemittelverdichters verbindet ein Verbindungskanal den Innenraum des Niederdrucksammlers mit dem den elektrischen Antrieb aufnehmenden Teilraum des Kältemittelverdichters. Im Bodenbereich des Kältemittelverdichters ist eine Aufladeeinrichtung mit einem Wärmetauscher angeordnet, mit welcher zum einen der elektrische Antrieb des Kältemittelverdichters gesteuert wird und zum anderen eine Hochspannungsbatterie aufgeladen wird. Der Wärmetauscher dient dazu, diese Aufladeeinrichtung zu kühlen. Dies wird dadurch erreicht, dass über den im unteren Bereich des Niederdrucksammlers vorgesehenen Verbindungskanal Kältemittel in der flüssigen Phase in den den elektrischen Antrieb aufnehmenden Teilraum des Kältemittelverdichters fließt, nämlich in den Bodenbereich, mit welchem die Aufladeeinrichtung thermisch verbunden ist.
-
Neben dem Verbindungskanal im unteren Bereich des Niederdrucksammlers ist im oberen Bereich ein weiterer Verbindungskanal vorgesehen, welcher das Innere des Niederdrucksammlers mit dem den elektrischen Antrieb aufnehmenden Teilraum des Kältemittelverdichters verbindet. Über diesen weiteren Verbindungskanal strömt Kältemittel in der Gasphase, welches sich im oberen Bereich des Niederdrucksammlers sammelt, in den den elektrischen Antrieb aufnehmenden Teilraum des Kältemittelverdichters. Das in diesen Teilraum strömende gasförmige Kältemittel fließt weiter in den den eigentlichen Verdichter aufnehmenden Teilraum des Kältemittelverdichters, wo es verdichtet wird.
-
Bei diesem aus der
DE 10 2012 206 308 A1 bekannten Kältemittelverdichter dient das in dem den Antrieb aufnehmenden Teilraum gesammelte flüssige Kältemittel zur Kühlung der Aufladeeinrichtung, die in Kontakt mit der Außenseite eines Bodenabschnittes des Gehäuses des Kältemittelverdichters steht. Das gesammelte flüssige Kältemittel wird aufgrund dieses von der Aufladeeinrichtung kommenden Wärmeeintrages erwärmt und fließt aus diesem Teilraum im gasförmigen Zustand direkt in den den eigentlichen Verdichter aufnehmenden Teilraum des Kältemittelverdichters. Ein direkter Verbindungskanal zwischen dem Innenraum des Niederdrucksammlers und dem den eigentlichen Verdichter aufnehmenden Teilraum ist nicht vorgesehen.
-
Bei einem solchen bekannten Kältemittelverdichter besteht jedoch die Gefahr, dass das Kältemittel aufgrund der zugeführten Wärme der Aufladeeinrichtung überhitzt wird und somit ein effizienter Betrieb der Klimaanlage verhindert wird.
-
Aus der
DE 694 11 503 T2 ist eine Klimaanlage für Fahrzeuge mit einer Zusatzeinrichtung zur Kühlung eines Verdichters bekannt. Um in einem Störfall eine Überhitzung des Verdichters zu verhindern, wird das in einem Hochdrucksammler gesammelte flüssige Kältemittel über eine Bypass-Leitung direkt einem an der Niederdruckseite des Verdichters angeordneten Niederdrucksammler zugeführt. Der Hochdruck- und der Niederdrucksammler sind in einer Komponente integriert, so dass in einem unteren Bereich der Hochdrucksammler und in einem darüber angeordneten Bereich der Niederdrucksammler mit einer Ventileinrichtung angeordnet ist. Über eine Steigleitung kann mittels der Ventileinrichtung flüssiges Kältemittel aus dem Hochdrucksammler in den Niederdrucksammler gesaugt werden, so dass dieses Kältemittel über den Kältemittelkreislauf dem Kältemittelverdichter zur Verfügung steht und dieser mit diesem Kältemittel aus dem Hochdrucksammler gekühlt wird.
-
Aufgabe der Erfindung ist es einen elektrisch angetriebenen Kältemittelverdichter der eingangs genannten Art anzugeben, dessen elektrischen Komponenten ohne die oben genannten Nachteile gekühlt werden können.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Kältemittelverdichter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
-
Ein solcher Kältemittelverdichter einer Klimaanlage für ein Fahrzeug, der zusammen mit wenigstens einem inneren Wärmeübertrager, einem Niederdrucksammler, einem äußeren Wärmeübertrager und einem Expansionsventil einen Kältemittelkreislauf der Klimaanlage bildet, zeichnet sich dadurch aus, dass
- - der Kältemittelverdichter einen elektrischen Antrieb und einen Verdichterbereich aufweist, wobei der elektrische Antrieb in einem Teilraum eines Gehäuses des Kältemittelverdichters und der Verdichterbereich in einem Teilraum angeordnet ist,
- - der Niederdrucksammler mit dem Gehäuse des Kältemittelverdichters verbunden ist,
- - ein erstes Verbindungsmittel vorgesehen ist, welches durch eine den Innenraum des Niederdrucksammlers von dem Teilraum trennenden Gehäusewand im Bodenbereich geführt ist und mit welchem das in dem Niederdrucksammler gesammelte flüssige Kältemittel in den Teilraum des Gehäuses zur Kühlung des elektrischen Antriebs zugeführt wird,
- - ein zweites Verbindungsmittel vorgesehen ist, welches im oberen Bereich der den Innenraum des Niederdrucksammlers von dem Teilraum trennenden Gehäusewand angeordnet ist und mit welchem gasförmiges Kältemittel aus dem Teilraum des Gehäuses in den Niederdrucksammler geführt wird, und
- - ein Verbindungsrohr vorgesehen ist, welches den Niederdrucksammler mit dem Teilraum des Kältemittelverdichters verbindet.
-
Bei diesem erfindungsgemäßen Kältemittelverdichter erfolgt die Kühlung von dessen elektrischen Komponenten mit dem im Niederdrucksammler gesammelten flüssigen Kältemittel. Hierzu wird der Niederdrucksammler mit dem Gehäuse des Kältemittelverdichters mechanisch verbunden, so dass mittels den ersten und zweiten Verbindungsmitteln ein Austausch zwischen dem Inneren des Niederdrucksammlers sowie den elektrischen Komponenten des Kältemittelverdichters stattfinden kann. Das an diesen elektrischen Komponenten erwärmte flüssige Kältemittel fließt anschließend als gasförmiges Kältemittel wieder zurück in den Niederdrucksammler und von dort in den Verdichterbereich des Kältemittelverdichters.
-
Dadurch dass die Abwärme der elektrischen Komponenten des Kältemittelverdichters nicht direkt von dem gasförmigen Kühlmittel aufgenommen wird, sondern von dem in den Niederdrucksammler gesammelten flüssigen Kühlmittel, wird eine Überhitzung des Kältemittels beim Eintritt in den Verdichterbereich, also bspw. in die Verdichterschnecke des Kältemittelverdichters verhindert, wodurch eine Effizienzsteigerung und die Förderung eines höheren Massenstroms aufgrund der geringeren Saugdichte erreicht wird.
-
Die Verwendung des in dem Niederdrucksammler gesammelten flüssigen Kältemittels zur Kühlung der elektrischen Komponenten des Kältemittelverdichters stellt einen zusätzlichen Wärmeeintrag in den Niederdrucksammler dar und führt daher zur Vermeidung von Vereisung an der Außenseite des Niederdrucksammlers im Falle eines Wärmepumpenbetriebes des Kältemittelkreislaufes.
-
Ein weiterer Vorteil dieses erfindungsgemäßen Kältemittelverdichters ergibt sich durch die Zusammenführung eines Kältemittelverdichters und eines Niederdrucksammlers in einem Bauteil, da der Verschlauchungsaufwand reduziert und auch die Herstellung dieses erfindungsgemäßen Kältemittelverdichters vereinfacht wird.
-
Der erfindungsgemäße Kältemittelverdichter kann mit Vorteil in einer Klimaanlage für Fahrzeuge, insbesondere für Kraftfahrzeuge eingesetzt werden.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine einzige Figur ausführlich beschrieben. Diese 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Klimaanlage 10 für ein Fahrzeug, in welcher ein Kältemittelverdichter 1 gemäß der Erfindung eingesetzt ist.
-
Diese Klimaanlage 10 gemäß 1 umfasst einen elektrisch angetriebenen Kältemittelverdichter 1, in welchen ein Niederdrucksammler 2 gemäß der Erfindung integriert ist, eine wenigstens einen inneren Wärmeübertrager 6 sowie ein Expansionsventil 4 umfassende Klimatisierungsvorrichtung 7 sowie einen äußeren Wärmeübertrager 3, wobei diese Komponenten einen Kältemittelkreislauf 5 bilden. Der äußere Wärmeübertrager 3 bildet zusammen mit einer Kühlvorrichtung 8 einen Kühlmittelkreislauf 9. Diese Kühlvorrichtung 8 umfasst auch einen Fahrzeugkühler mit einem Kühlgebläse, so dass im Klimaanlagenbetrieb des Kältemittelkreislaufes 5 das Kältemittel die über den inneren Wärmetauscher 6 als Verdampfer aus dem Fahrzeuginnenraum aufgenommene Wärme auf das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufes 5 überträgt, welches seinerseits diese Wärme aus dem Fahrzeuginnenraum an die Umgebung des Fahrzeugs abgibt. In diesem Betriebsmodus übernimmt der äußere Wärmeübertrager 3 die Funktion eines Kondensators.
-
In einem Wärmepumpenbetrieb der Klimaanlage 10 übernimmt der äußere Wärmeübertrager 3 die Funktion eines inneren Wärmeübertragers, um den Fahrgastinnenraum zu heizen, indem die Kühlvorrichtung 8 die Heizfunktion ausführt. In 1 ist jedoch nur der Kälteanlagenbetrieb dargestellt.
-
Der elektrisch angetriebene Kältemittelverdichter 1 umfasst ein Gehäuse 1.1, welches zwei voneinander getrennte Teilräume aufweist, nämlich einen Teilraum 1.2, in welchem eine Antriebskomponente, also bspw. ein Elektromotor 1.4 und dessen Leistungselektronik 1.5 angeordnet sind. In einem weiteren Teilraum 1.3 befindet sich der eigentliche Verdichterbereich, also bspw. eine Verdichterschnecke bzw. Scroll-Scheiben 1.6. Der in diesem Kältemittelverdichter 1 integrierte Niederdrucksammler 2 umfasst ein Gehäuse 2.3, welches an das Gehäuse 1.1 des Kältemittelverdichters 1, benachbart zum Teilraum 1.2 angeflanscht bzw. angebaut ist.
-
Der Innenraum des Niederdrucksammlers 2 ist über ein erstes rohrförmiges Verbindungsmittel 2.1 mit dem Teilraum 1.2 verbunden, wobei dieses Verbindungsmittel 2.1 durch eine den Innenraum des Niederdrucksammlers 2 von dem Teilraum 1.2 trennende Gehäusewand im Bodenbereich geführt ist. So kann das im Bodenbereich des Niederdrucksammlers 2 gesammelte flüssige Kältemittel in den Teilraum 1.2 mit den elektrischen Komponenten 1.4 und 1.5 fließen und dort die Abwärme dieser elektrischen Komponenten 1.4 und 1.5 durch Verdampfen aufnehmen. Das gasförmige Kältemittel wird über ein zweites rohrförmiges Verbindungsmittel 2.2 wieder zurück in den Innenraum des Niederdrucksammlers 2 geführt, wobei dieses Verbindungsmittel 2.2 im oberen Bereich der den Innenraum des Niederdrucksammlers 2 von dem Teilraum 1.2 trennenden Gehäusewand angeordnet ist. Dieses aus dem Teilraum 1.2 kommende gasförmige Kältemittel wird direkt in den Teilraum 1.3 geführt, wo es verdichtet wird.
-
Das Kältemittel aus der Klimatisierungsvorrichtung 7 fließt über eine Eintrittsöffnung 2.4 in den Niederdrucksammler 2 und wird zusammen mit dem gasförmigen Kältemittel aus dem Teilraum 1.2 über ein durch die Gehäusewand des Gehäuses 2.3 des Niederdrucksammlers 2 geführtes Verbindungsrohr 2.5 in den Teilraum 1.3 des Kältemittelverdichters 1 über eine Eintrittsöffnung 1.7 geführt. Über eine Austrittsöffnung 1.8 des Teilraumes 1.3 wird das gasförmige und verdichtete Kältemittel über den äußeren Wärmetauscher 3 wieder zurück in den Kältemittelkreislauf 5 geführt.
-
Im Klimaanlagenbetrieb der Klimaanlage 10 wird mittels eines solchen Kältemittelverdichters 1 mit integriertem Niederdrucksammler 2 ein reduzierter Wärmeeintrag aufgrund einer geringeren treibenden Temperaturdifferenz erreicht.
-
Im Wärmepumpenbetrieb, wenn also der innere Wärmeübertrager 6 die Funktion eines Kondensators und der äußere Wärmeübertrager 3 die Funktion eines Verdampfers übernimmt, führt der zusätzliche Wärmeeintrag durch die Abwärme der elektrischen Komponenten 1.4 und 1.5 des Kältemittelverdichters 1 zur Vermeidung von Vereisung an der Außenseite des Kältemittelsammlers 2.
-
Da die Funktion des Kältemittelverdichters 1 und die Funktion des Niederdrucksammlers 2 in einer Komponente zusammengeführt sind, wird die Anzahl der hierfür erforderlichen Komponenten als auch die Anzahl der erforderlichen Arbeitsschritte zur Fertigung dieser Komponente reduziert.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kältemittelverdichter der Klimaanlage 10
- 1.1
- Gehäuse des Kältemittelverdichters 1
- 1.2
- Teilraum des Gehäuses 1.1
- 1.3
- Teilraum des Gehäuses 1.1
- 1.4
- elektrischer Antrieb des Kältemittelverdichters 1
- 1.5
- Leistungselektronik des elektrischen Antriebs 1.1
- 1.6
- Verdichterbereich, Verdichterschnecke, Scroll-Scheiben
- 1.7
- Eintrittsöffnung
- 1.8
- Austrittsöffnung
- 2
- Niederdrucksammler, Kältemittelsammler der Klimaanlage 10
- 2.1
- Verbindungsmittel
- 2.2
- Verbindungsmittel
- 2.3
- Gehäuse des Niederdrucksammlers 2
- 2.4
- Eintrittsöffnung des Niederdrucksammlers 2
- 2.5
- Verbindungsrohr
- 2.6
- Gehäusewand
- 3
- äußerer Wärmeübertrager der Klimaanlage 10
- 4
- Expansionsventil
- 5
- Kältemittelkreislauf der Klimaanlage 10
- 6
- innerer Wärmeübertrager der Klimatisierungsvorrichtung 7
- 7
- Klimatisierungsvorrichtung der Klimaanlage 10
- 8
- Kühlvorrichtung der Klimaanlage 10
- 9
- Kühlmittelkreislauf der Klimaanlage 10
- 10
- Klimaanlage eines Fahrzeugs
