DE102014108454B4

DE102014108454B4 - Kältemittelkreislauf mit einer Bypassleitung

Info

Publication number: DE102014108454B4
Application number: DE102014108454.3A
Authority: DE
Inventors: Werner Hünemörder
Original assignee: Denso Automotive Deutschland GmbH
Current assignee: Denso Automotive Deutschland GmbH
Priority date: 2014-06-16
Filing date: 2014-06-16
Publication date: 2021-07-01
Anticipated expiration: 2034-06-17
Also published as: DE102014108454A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kältemittelkreislauf (1) zur Klimatisierung eines Fahrzeuges, mit zumindest einem Kompressor (10) zur Komprimierung eines Kältemittels, zumindest einer Heizeinheit (20), die mit der Hochdruckseite (10A) des Kompressors (10) verbunden ist, und zumindest eine Kühleinheit (30), die mit der Niederdruckseite (10B) des Kompressors (10) verbunden ist. Im Kühlbetrieb ist ein Abschnitt (C) des Kältemittelkreislaufes (1) auf der Hochdruckseite (10A) des Kompressors (10) durch ein Steuerorgan (40) absperrbar. Des Weiteren verbindet eine Bypassleitung (50) den absperrbaren Abschnitt (C) mit einem Abschnitt (D) des Kältemittelkreislaufes (1) auf der Niederdruckseite (10B) des Kompressors (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kältemittelkreislauf mit einer Bypassleitung, welcher vorzugsweise in einem Fahrzeug eingesetzt wird.
Ein Kältemittelkreislauf in einer Kraftfahrzeugklimaanlage dient üblicherweise der Erzeugung und Aufrechterhaltung eines gleichmäßigen Raumklimas im Fahrzeuginnenraum. So werden Kältemittelkreisläufe eingesetzt, um Temperatur, Feuchtigkeit und Luftqualität zu kontrollieren. Dabei wird herkömmlicherweise die Zuluft zu dem Fahrzeuginnenraum entsprechend thermodynamisch konditioniert. Gattungsgemäße Kältemittelkreisläufe umfassen einen Verdampfer zum Verdampfen eines Kältemittels, einen Kompressor zum Verdichten des in dem Verdampfer verdampften Kältemittels, sowie einen Kondensator zum Verflüssigen des verdichteten Kältemittels, welches vom Kompressor stromabwärts in den Kondensator strömt. Diese umfassen des Weiteren einen Ausgleichsbehälter zum Zwischenspeichern von verflüssigtem Kältemittel und ein Expansionsorgan, in dem das Kältemittel stromabwärts von Kondensator und Ausgleichsbehälter expandiert und dem Verdampfer zugeführt wird, so wie es beispielsweise aus der DE 103 01 006 A1 bekannt ist.
Aktuelle Fahrzeuggenerationen verwenden Fahrzeugklimaanlagen, die mit dem Kältemittel R744 (Kohlendioxid) betrieben werden. Dabei sind diese Kohlendioxid-Fahrzeugklimaanlagen nach Vorgabe des 250 g/l Grenzwertes aus ISO 13043 mit einer maximalen Füllmenge von 250 g/l freiem Innenvolumen der Klimaanlage befüllt, um bei hohen Umgebungstemperaturen unzulässige hohe Klimaanlagenruhedrücke zu verhindern. Um ein Kältemittelverlust über die Betriebszeit der Fahrzeugklimaanlage auszugleichen, wird der Kältemittelkreislauf bis zu dieser zulässigen oberen Kältemittelmenge befüllt.
Ein Problem von Fahrzeugklimaanlagen besteht darin, dass sich Kältemittel in Abschnitten des Kältemittelkreislaufs befindet, die je nach Betriebsart der Klimaanlage nicht genutzt werden, was insbesondere bei großen Leitungslängen des Kältemittelkreislaufs zu einer insgesamt hohen erforderlichen Kältemittelmenge führt, von der nur ein Teil aktiv genutzt wird.
In der DE 10 2006 007 371 A1 wird in diesem Zusammenhang beschrieben, dass dieses Problem insbesondere die Leitung zwischen dem Niederdruckausgang eines inneren Wärmeübertragers und einem Eingangsanschluss des Expansionsventils zu tragen kommt, da in diesem Leitungsbereich die Kältemitteldichte und damit die Kältemittelmenge während des Betriebes der Anlage am Höchsten ist und sich folglich relativ viel Kältemittel in diesem Leitungsabschnitt ansammeln kann.
Weiter offenbart die DE 10 2006 007 371 A1 als Lösung dieses Problems eine Fahrzeugklimaanlage mit einem Kältemittelkreislauf und einen Ausgleichsbehälter, wobei der Ausgleichsbehälter zwischen dem Ausgang des inneren Wärmeübertragers und dem Sauganschluss des Verdichters angeordnet ist. In diesem Abschnitt des Kältemittelkreislaufes ist die Dichte des Kältemittels während des Betriebes der Klimaanlage gering, sodass der Ausgleichsbehälter das freie Innenvolumen des Kältemittelkreislaufes vergrößert.
Komplexe Kreisläufe mit vielen Betriebsmodi (zum Beispiel Wärmepumpenkreisläufe, die in H/P- oder A/C-Modi betrieben werden können) weisen unter Umständen sogar mehrere Kältemittelkreislaufabschnitte auf, die bei einigen Betriebsmodi nicht verwendet werden. Diese ungenutzten Kältemittelkreislaufabschnitte beinhalten nun eine undefinierte Menge an Kältemittel in Abhängigkeit zu der Kältemittelmenge, die sich in diesem Abschnitt vor einem Umschalten der Betriebsmodi befunden hat. Zudem ist diese undefinierte Menge an Kältemittel auch von der unvermeidbaren Leckage von Absperrventilen zeitlich abhängig. So kann beim Betrieb eines Kältemittelkreislaufes weiter davon ausgegangen werden, dass auch bei einer Sperrstellung der Ventile in geringem Maße Kältemittel durch diese hindurch strömt. Die Kältemittelmenge, die in den unbenutzten Abschnitten im ungünstigsten Fall gespeichert werden kann, muss jedoch in nachteiliger Weise berücksichtigt werden, wenn die Kältemittelmenge des Kältemittelkreislaufes definiert wird, d.h., die auf diese Weise definierte Kältemittelmenge des Kältemittelkreislaufes ist entsprechend hoch.
Kältemittelkreisläufe mit mehreren unterschiedlichen Kältemittelkreisläufen weisen zudem unterschiedliche Kältemittelmengen für unterschiedliche Betriebsmodi wie z. B. dem Kühlbetrieb oder dem Heizbetrieb auf. Folglich sind auch nachteilig große Kältemittelspeicher wie z. B. Auffangbehälter im Fahrzeug nötig, um eine ausreichende Kältemittelmenge bei allen Betriebsmodi zu gewährleisten und, um Volumenänderungen z. B. aufgrund von Temperaturänderungen oder einen Verlust von Kältemittel auszugleichen. Das Unterbringen solcher Ausgleichsbehälter zum Zwischenspeichern von Kältemittelflüssigkeit im Fahrzeug erfordert viel Platz.
Ferner wird durch den Standard ISO 13043 eine einzuhaltende Limitierung der Ladungsmenge für das Kältemittel R744 vorgeschrieben, die bei 250 g/1 liegt. Folglich muss das Innenvolumen vergrößert werden, wenn eine größere Kältemittelmenge in dem gesamten Kältemittelkreislauf gewünscht ist.
Die in Kältemittelkreisläufen Verwendung findenden Ventile wie z. B. Rückschlagventile oder Schaltventile (z. B. Dreiwegeventile) weisen über ihre gesamte Lebensdauer keine vollständige Dichtfunktion auf.
Darüber hinaus steht die Kältemittelmenge, die sich in Kältemittelkreislaufabschnitten befindet, die durch Steuerventile bei einem Betrieb abgeschaltet sind, nicht zur Nutzung im Kältemittelkreislauf bereit. Problematisch ist hierbei auch, dass sich in durch aktive Absperrventile wie z. B. einem Magnetventil abgesperrten Kältemittelabschnitten eine undefinierte Menge an Kältemittel ansammeln kann. Dies birgt die Gefahr, dass der in dem abgesperrten Abschnitt aufgebaute Kältemitteldruck nicht abgebaut werden kann. Dies kann zur Folge haben, dass sich in diesem Abschnitt ein Überdruck bilden kann, der eine Gesundheitsgefährdung für die Fahrzeuginsassen darstellt, wenn durch eine Leckage dieses Kältemittelkreislaufabschnittes aufgrund seines Überdrucks kohlendioxidhaltiges Kältemittel in die Fahrgastzelle gelangt.
Die US 5 537 831 A offenbart eine Kraftfahrzeugklimaanlage, wobei die Verschaltung der Leitungsabschnitte für verschiedene Betriebsmodi, d.h. einem Kühl- und einem Wärmepumpenbetrieb, im Wesentlichen mit einem Vierwegeventil erfolgt.
Die DE 103 01 006 A1 offenbart einen Kältemittelkreis mit einem Kühl- und einem Wärmepumpenbetrieb mit der Hauptaufgabe eines verbesserten Abtaubetriebs. Der Abschnitt von einem Schaltventil über einen Heizwärmetauscher bis zu einem Expansionsorgan kann im Kühlbetrieb über eine Bypassleitung, welche von der Zuleitung zum Heizwärmetauscher abzweigt, mit einer Drossel mit dem Niederdruckbereich verbunden werden.
Die DE 10 2011 108 729 A1 offenbart einen Kältemittelkreis mit mehreren Kühlmittelkreisen, bei welchem eine Verbindung vom Akkumulator zum Wärmetauscher dann vorgesehen ist, wenn das Ventil zum Hochdruckbereich geschlossen ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, einen optimierten Kältemittelkreislauf bereitzustellen, der eine bessere Nutzung der Kältemittelmenge in dem Kältemittelkreislauf ermöglicht.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Der erfindungsgemäße Kältemittelkreislauf weist unter anderem eine Bypassleitung auf, die zum Druckausgleich bzw. zum Abtransportieren von in einem abgesperrten Abschnitt kondensierten Kältemittel, jedoch nicht zum betriebsgemäßen Transport von Kältemittel verwendet wird. Dies reduziert die zur Klimatisierung eines Fahrzeuges erforderliche Gesamt-Kältemittelmenge in dem Kältemittelkreislauf, indem das Kältemittel in abgesperrten Kältemittelkreislaufabschnitten den aktiven Kältemittelkreislaufabschnitten wieder zugeführt wird.
Die Bypassleitung kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform permanent vorgesehen sein.
Mit der Bypassleitung kann ein unbenutzter Abschnitt des Kältemittelkreislaufs mit der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes verbunden sein. In diesem Abschnitt verbleibendes Kältemittel wird verdampfen und der Abschnitt wird ausschließlich mit Kältemittel mit einer niederen Dichte gefüllt werden.
Dadurch kann teures Kältemittel z. B. R1234yf eingespart werden. Ferner wird dadurch das Einhalten von Standards zur Limitierung einer maximalen Kältemittelmenge für z. B. das Kältemittel R744 erreicht.
Der erfindungsgemäße Kältemittelkreislauf kann ferner die Gehäusemaße und das Gewicht durch einen kleinen Kältemittelspeicher in geeigneter Weise reduzieren.
Zudem ist es gemäß dem erfindungsgemäßen Kältemittelkreislauf nicht mehr unbestimmt, wie viel Kältemittel in einem abgesperrten Abschnitt des Kältemittelkreislaufes vorhanden ist.
Weiter werden durch den kostengünstigen erfindungsgemäßen Kältemittelkreislauf zusätzliche teure aktive Schaltorgane durch das Bereitstellen eines ausschließlich passiven Elementes vermieden. Dadurch wird die Lebensdauer des Kältemittelkreislaufes erhöht.
Der erfindungsgemäße Kältemittelkreislauf weist mit der Bypassleitung ebenso eine Vorkehrung zur Reduzierung der Auswirkung von Ventilleckagen im Kältemittelkreislauf auf.
Insbesondere weist der Kältemittelkreislauf zumindest einen Kompressor zur Komprimierung eines Kältemittels, zumindest eine Heizeinheit, die mit der Hochdruckseite des Kompressors verbunden ist, zumindest eine Kühleinheit, die mit der Niederdruckseite des Kompressors verbunden ist, auf, wobei für einen Kühlbetrieb ein Abschnitt des Kältemittelkreislaufes auf der Hochdruckseite des Kompressors durch ein Steuerorgan absperrbar ist, und wobei eine Bypassleitung den absperrten Abschnitt mit einem Abschnitt des Kältemittelkreislaufes auf der Niederdruckseite des Kompressors verbindet.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Kältemittelkreislauf ein überkritisches Kältemittel, insbesondere Kohlendioxid (CO₂), auf.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Kältemittelkreislauf ferner ein Expansionsorgan auf der Auslassseite der Heizeinheit auf, wobei ein Abzweig der Bypassleitung auf der Auslassseite des Expansionsorgans erfolgt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Bypassleitung ferner derart konfiguriert, dass bei einem Heizbetrieb zwischen der Auslassseite des Expansionsorgans und der Niederdruckseite des Kompressors bei einem hohen Strömungswiderstand ein Druckverlust entsteht.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Bypassleitung derart konfiguriert, dass bei einem Heizbetrieb ein Druckverlust in der Bypassleitung derart auftritt, dass ein Mengenstrom des Kältemittels (d. h. ein Volumenstrom oder ein Massenstrom) durch die Bypassleitung kleiner ist als durch den vollständigen Kältemittelkreislauf.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Bypassleitung einen Mengenstrom durch die Bypassleitung auf, der kleiner oder gleich 10 % des durch den vollständigen Kältemittelkreislauf fließenden Mengenstroms beträgt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Bypassleitung eine Kapillare auf.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Bypassleitung eine Drossel oder eine Engstelle oder ein Ventil auf.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Kältemittelkreislauf ferner ein Steuerorgan, ein Expansionsorgan und Ventile aufweist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Heizeinheit als ein Kondensator, die Kühleinheit als ein Verdampfer, sowie die Steuerorgane als Dreiwegeventile, die Expansionsorgane als Expansionsventile und die Ventile als Rückschlagventile ausgebildet.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird durch Anspruch 1 eine Bypassleitung vorgeschlagen, die einen absperrbaren Abschnitt des Kältemittelkreislaufes auf der Hochdruckseite des Kompressors mit einem Abschnitt auf der Niederdruckseite des Kompressors verbindet.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Bypassleitung eine kostengünstige und robuste Lösung für die vorstehend erläuterten Probleme darstellt.
Durch die Bypassleitung kann eine Reduzierung des Gehäuses und eines Gewichtes durch einen kleineren Kältemittelspeicher erreicht werden. Ein zusätzlicher Platzbedarf im Fahrzeug für größere Ausgleichstanks ist folglich nicht nötig.
Weiterhin vorteilhaft ist, dass die bevorzugte Ausgestaltung der Bypassleitung als ein passives Element realisiert ist, sodass zusätzliche aktive Elemente im Kältemittelkreislauf vermieden werden. Derartige zusätzliche Ventile würden einen Kostenfaktor darstellen. Durch den Einsatz eines passiven Elements kann ferner die Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Kältemittelkreislaufes erhöht werden.
Ferner befinden sich bei der bevorzugten Ausgestaltung des Kältemittelkreislaufes die beiden Enden der Bypassleitung bei einem Heizbetrieb auf der Niederdruckseite, sodass nur ein geringer Mengenstrom an Kältemittel durch die Bypassleitung entstehen kann.
Ferner bringt die Erfindung den Vorteil mit sich, dass durch das Bereitstellen von normalerweise abgesperrten Kältemittelabschnitten im Kältemittelkreislauf die Gesamt-Kältemittelmenge reduziert werden kann. Dies bringt eine Kostenersparnis mit sich, da ein Kältemittel wie z.B. R1234yf sehr kostenintensiv ist.
Auch ist durch die Erfindung das Einhalten von vorgegebenen Standards wie z.B. der ISO 13043 zur Limitierung der Ladungsmenge für R744 effektiv möglich.
Aufgrund des Druckausgleichs, der durch die Bypassleitung stattfindet, bauen sich die hohen Drücke in den abgesperrten Abschnitten ab. Somit kann auch eine Wahrscheinlichkeit einer Gefährdung der Fahrzeuginsassen reduziert werden, da die Druckbelastung der abgesperrten Abschnitte durch das Kältemittel stark verringert wird.
Die vorstehend beschriebenen Merkmale und Funktionen der vorliegenden Erfindung sowie weitere Aspekte und Merkmale werden nachfolgend anhand einer detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren weiter beschrieben.
Figurenliste
Hierbei zeigt:

1 schematisch einen Kältemittelkreislauf zur Klimatisierung eines Fahrzeuges;
2 schematisch einen Kühlbetrieb des Kältemittelkreislaufes zur Klimatisierung eines Fahrzeuges von 1;
3 schematisch einen Heizbetrieb des Kältemittelkreislaufes zur Klimatisierung eines Fahrzeuges von 1.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 veranschaulicht schematisch einen Kältemittelkreislauf 1 zur Klimatisierung eines Fahrzeuges. Der Kältemittelkreislauf 1 weist mit einem überkritischen Kältemittel gefüllte Abschnitte auf, die die Komponenten des Kältemittelkreislaufes 1 miteinander verbinden. Im Kältemittelkreislauf 1 zirkuliert, angetrieben von dem Kompressor 10, das Kältemittel. Das Kältemittel kann vorzugsweise Kohlendioxid (CO₂) sein.
Der Kältemittelkreislauf 1 ist in zwei Abschnitte aufgeteilt: Der Abschnitt zwischen der Auslassseite 10A des Kompressors 10 und dem Expansionsorgan 60 (auch als Expansionsventil bezeichnet) wird bei dem Heizbetrieb im folgenden als Hochdruckseite bezeichnet. Der Abschnitt zwischen der Auslassseite 10A des Kompressors 10 und dem Expansionsorgan 65 wird beim Kühlbetrieb als Hochdruckseite bezeichnet. Der Abschnitt vor der Einlassseite 10B des Kompressors 10 wird im folgenden als Niederdruckseite bezeichnet.
Der Kompressor 10 weist eine Auslassseite 10A und eine Einlassseite 10B auf. Im Kompressor 10 wird das gasförmige Kältemittel verdichtet und dadurch stark erwärmt. Das Kältemittel zirkuliert von der Auslassseite 10A zur Einlassseite 10B des Kompressors 10 durch die Komponenten des Kältemittelkreislaufes 1.
Die Auslassseite 10A des Kompressors 10 ist mit einem Steuerorgan 40 verbunden. Das Steuerorgan 40 ist in Form eines Ventils regelbar oder steuerbar und ermöglicht bei einer Schaltstellung, dass die Auslassseite 10A des Kompressors 10 über das Steuerorgan 40 mit einer Einlassseite 20B eines Wärmeübertragers 20 verbunden ist. Der Wärmeübertrager 20 kann insbesondere eine Heizeinheit und das Steuerorgan 40 kann insbesondere ein Dreiwegeventil sein.
Die Heizeinheit 20 wird durch das vom Kompressor 10 kommende erwärmte Kältemittel durchströmt, wobei das heiße Kältemittelgas die Heizeinheit 20 aufheizt. Die Heizeinheit 20 wird mit Luft durchströmt, wobei die Heizeinheit 20 die Wärme an die diese durchströmende Luft abgibt.
Die Auslassseite 20A der Heizeinheit 20 ist über ein Expansionsorgan 60 mit einem Ventil 70 verbunden. Das Expansionsorgan 60 kann insbesondere ein Expansionsventil und das Ventil 70 kann insbesondere ein Rückschlagventil sein. Das Ventil 70 erlaubt einen Kältemittelstrom nur in eine Richtung. Das Ventil 70 ist mit einer Einlassseite 100B eines Wärmeübertragers 100 verbunden. Der Wärmeübertrager 100 fungiert beim Heizbetrieb als Verdampfer sein, wobei das Kältemittel unter Hochdruck durch den Verdampfer geleitet wird. Das Steuerorgan 40 ermöglicht bei einer weiteren Schaltstellung, dass die Auslassseite 10A des Kompressors 10 über das Steuerorgan 40 mit der Einlassseite 100B des Wärmeübertragers 100 verbunden ist. Der in 1 mit C gekennzeichnete Abschnitt ist in der letztgenannten Schaltstellung von dem Kältemittelkreislauf 1 getrennt. In dem Abschnitt C des Kältemittelkreislaufes 1 befindet sich nach wie vor Kältemittel.
Die Auslassseite 100A des Wärmeübertragers 100 kann bei dieser bevorzugten Ausführungsform über einen inneren Wärmeübertrager 90 mit einem Steuerorgan 45 verbunden sein, wobei das Steuerorgan 45 mehrere Schaltstellungen einnehmen kann. Das Steuerorgan 45 kann insbesondere ein Dreiwegeventil sein. Bei einer Schaltstellung des Steuerorgans 45 wird die Auslassseite 100A des Wärmeübertragers 100 über den inneren Wärmeübertrager 90 und das Steuerorgan 45 über ein Expansionsorgan 65 mit der Einlassseite eines Wärmeübertragers 30 verbunden. Der Wärmeübertrager 30 kann insbesondere eine Kühleinheit sein. Da das Expansionsorgan 65 direkt vor der Kühleinheit 30 sitzt, passiert die Entspannung des Kältemittels in die Kühleinheit 30 hinein, wobei Verdunstungskälte entsteht. Die Verdunstungskälte wird verwendet, um durch die Kühleinheit 30 strömende Luft vor Eintritt in die Fahrgastzelle abzukühlen.
Die Auslassseite der Kühleinheit 30 ist in dieser Schaltstellung des Steuerorgan 45 über ein optionales Ventil 75, einem Akkumulator 80 und dem inneren Wärmeübertrager 90 mit der Einlassseite 10B des Kompressors 10 verbunden.
Der Akkumulator 80 dient als Kältemittelpuffer im Kältemittelkreislauf. Der innere Wärmeübertrager 90 erhöht durch die weitere Abkühlung des Kältemittels nach dem Wärmeübertrager 100 die Effizienz des Kältemitterkreislaufs 1.
Bei einer weiteren Schaltstellung des Steuerorgans 45 ist die Auslassseite 100A des Wärmeübertragers 100 über den inneren Wärmeübertrager 90, über das Steuerorgan 45 über den Akkumulator 80, wiederum über den inneren Wärmeübertrager 90 mit der Einlassseite 10B des Kompressors 10 verbunden. Die Steuerorgane 40 und 45 sind im Kältemittelkreislauf 1 vorhanden, um einen Heizbetrieb und einen Kühlbetrieb zu realisieren.
Die Heizeinheit 20 und die Kühleinheit 30 sind in einem Luftkanal des Fahrzeuges angebracht. Anströmende Luft wird durch die Kühleinheit 30 transportiert. Ferner wird durch eine verstellbare Klappe die durch die Kühleinheit 30 transportierte Luft entweder durch die Heizeinheit 20 transportiert oder neben der Heizeinheit 20 vorbei geleitet, sodass ein Heizbetrieb oder ein Kühlbetrieb realisiert werden kann. Die transportierte Luft gelangt im Anschluss durch z.B. Lüftungsschlitze in die Fahrgastzelle.
Der Wärmeübertrager 100 wird entweder durch den Fahrtwind oder mit Hilfe von durch Motoren M angetriebenen Lüftern mit Luft durchströmt. Dadurch wird dem Kältemittel in dem Wärmeübertrager 100 Wärme entzogen.
Eine Bypassleitung 50 ist zwischen der Hochdruckseite 10A des Kompressors 10 und der Niederdruckseite 10B des Kompressors 10 vorgesehen. Wie in 1 dargestellt verbindet die Bypassleitung 50 den Abschnitt C mit dem Abschnitt D (Niederdruckseite) des Kältemittelkreislaufes 1.
Es wird angemerkt, dass die Bypassleitung 50 insbesondere eine Kapillare sein kann, die als ein längliches Rohr mit kleinem Innendurchmesser (kleiner Innenbohrung) ausgebildet ist. Die Kapillare weist insbesondere ein großes Verhältnis ihrer Länge in Achsrichtung zu ihrem Innendurchmesser auf. Dies führt beim Heizbetrieb insbesondere dazu, dass zwischen der Auslassseite 60A des Expansionsorgans 60 und der Niederdruckseite 10B des Kompressors 10 aufgrund des hohen Strömungswiderstands ein erheblicher Druckverlust über die Länge der Kapillare entsteht. Der Massenstrom durch die Kapillare ist im Vergleich zu den übrigen Leitungen des Kältemittelkreislaufs gering. Somit wird beim Heizbetrieb eine Verringerung des Wirkungsgrades des Kältemittelkreislaufes 1 wirkungsvoll begrenzt.
Im Kühlbetrieb stellt die Kapillare eine Verbindung zwischen dem abgesperrten Abschnitt C und der Niederdruckseite her. Ein Abfließen des in C befindlichen Kältemittels ist somit möglich. Durch geeignete Dimensionierung der Kapillare kann eine gewünschte Größe für den Massenstrom und somit auch die gewünschte Zeit zum Abfließen Abdurch die Kapillare eingestellt werden.
Ferner kann die Bypassleitung 50 auch derart realisiert sein, dass sie eine Drossel aufweist, wobei durch die Drossel der Strömungswiderstand der Bypassleitung 50 geeignet eingestellt werden kann. Beispielsweise kann der Strömungswiderstand der Drossel derart eingestellt werden, dass der Verlust des Wirkungsgrads des Kältemittelkreislaufs 1 ausreichend gering ist, beispielsweise weniger als 2 %, während trotzdem ein Ausgleich des Druckunterschieds über die Bypassleitung 50 angemessen schnell erfolgt. Die Drosselfunktion ermöglicht es somit, dass nur eine geringe Kältemittelmenge über die Bypassleitung 50 mit Drossel abfließt, während trotzdem der Großteil des Kältemittels auf der Hochdruckseite den normalen Weg über den Wärmeübertrager 100 nimmt.
Abhängig von dem durch den Bediener der Klimaanlage eingestellten Betrieb kann die Klimaanlage entweder im Kühlbetrieb zum Kühlen der Fahrgastzelle oder im Heizbetrieb zum Erwärmen der Fahrgastzelle betrieben werden. Beim Kühlbetrieb wird die zur Fahrgastzelle des Fahrzeuges strömende Luft gekühlt. Beim Heizbetrieb wird die zur Fahrgastzelle des Fahrzeuges strömende Luft erwärmt.
Bei dem Kühlbetrieb und dem Heizbetrieb der Klimaanlage sind abwechselnd Abschnitte des Kältemittelkreislaufes 1 mit der Heizeinheit 20 bzw. der Kühleinheit 30 vom Kältemittelkreislauf 1 abgesperrt bzw. zugeschaltet. Entweder wird die Heizeinheit vom Kältemittelkreislauf 1 abgesperrt und die Kühleinheit dem Kältemittelkreislauf 1 zugeschaltet oder es wird die Heizeinheit dem Kältemittelkreislauf 1 zugeschaltet und die Kühleinheit vom Kältemittelkreislauf 1 abgesperrt.
2 veranschaulicht schematisch den Kühlbetrieb des Kältemittelkreislaufes 1 von 1 zur Klimatisierung eines Fahrzeuges.
In der 2 ist die Strömungsrichtung des Kältemittels im Kältemittelkreislauf 1 beim Kühlbetrieb durch Pfeile veranschaulicht. Bei dem beschriebenen Kühlbetrieb befindet sich zwischen der Auslassseite 100A des Wärmeübertragers 100 und der Einlassseite der Kühleinheit 30 das Kältemittel in einem weitgehend flüssigen Zustand mit geringem Dampfgehalt. Die Kühleinheit 30 ist durch einen Verdampfer realisiert, der in die Fahrgastzelle strömende Luft durch ein Gebläse mit Verdunstungskälte abkühlt. Die Heizeinheit 20 ist im Kühlbetrieb durch eine Klappe bedeckt und vom Kühlmittelkreislauf abgesperrt.
Beim Auswählen des Kühlbetriebs, d. h. beim Einstellen der Klimaanlage des Fahrzeuges auf Kühlung durch den Fahrzeuginsassen oder durch eine Steuereinheit wird eine zuvor in dem Abschnitt C befindliche unbekannte Menge an Kältemitteldampf und Kältemittelflüssigkeit mit hoher Dichte vom Kältemittelkreislauf 1 abgesperrt. Somit wird bei dem Kühlbetrieb durch das Steuerorgan 40 der Abschnitt C des Kältemittelkreislaufes 1 vom Kältemittelkreislauf 1 abgetrennt. Das Steuerorgan 40 verbindet folglich die Auslassseite 10A des Kompressors 10 mit der Einlassseite 100B des Wärmeübertragers 100. Der Wärmeübertrager 100 ist insbesondere ein an der Fahrzeugfront angebrachter Kondensator, der mit Luft durchströmt wird. Durch die Luftströmung wird dem Kältemittel in dem Wärmeübertrager 100 Wärme entzogen. Der das Kältemittel abkühlende Luftstrom kann auch durch motorbetriebene Kondensatorlüfter M oder Motorlüfterkühler erzielt werden.
In dem Abschnitt C befindet sich zur Zeit der Abschaltung des Abschnittes C nicht für den Betrieb zur Verfügung stehendes Kältemittel. Aus Sicherheitsgründen muss im schlimmsten Fall davon ausgegangen werden, dass sich die maximal mögliche Kältemittelmenge in dem abgesperrten Abschnitt befindet.
Bei dem in der 2 veranschaulichten Kühlbetrieb ist das Steuerorgan 45 derart geschaltet, dass es den Kältemittelstrom von der Auslassseite 100A des Wärmeübertragers 100 mit der Kühleinheit 30 verbindet. Das Kältemittel fliest dabei von der Auslassseite 100A des Wärmeübertragers 100 über den inneren Wärmeübertrager 90 durch das Steuerorgan 45 über das Expansionsorgan 65 in die Kühleinheit 30. Von der Kühleinheit 30 strömt das Kältemittel sodann über das Ventil 75 über den Akkumulator 80 und den inneren Wärmeübertrager 90 zur Einlassseite 10B des Kompressors 10. An der Auslassseite 10A des Kompressors 10 wird das Kältemittel komprimiert und über das geschaltete Steuerorgan 40 direkt an die Einlassseite 100B des Wärmeübertrager s 100 geleitet.
An der Auslassseite 10A des Kompressors 10 befindet sich das Kältemittel unter Hochdruck (Hochdruckseite). Weiterhin befindet sich durch das Absperren des Abschnitts C verbleibendes Kältemittel in diesem Abschnitt C. Obwohl der Abschnitt C vom Kältemittelkreislauf 1 abgesperrt ist, kann ungünstigerweise durch das Steuerorgan 40 und das Ventil 70 Kältemittel in den abgesperrten Abschnitt C gelangen.
Bei dem Kühlbetrieb ermöglicht die Bypassleitung 50 ein kontrolliertes Abströmen des sich in dem abgesperrten Abschnitt C befindenden Kältemittels hoher Dichte hin zu der Niederdruckseite D des Kältemittelkreislaufes 1. Die Bypassleitung 50 verbindet den abgesperrten Abschnitt C mit der Niederdruckseite. Aufgrund der sich einstellenden Druckdifferenz wird eine Teilmenge des Kältemittels selbstständig von dem abgesperrten Abschnitt C hin zu der Niederdruckseite abfließen. Dort steht es sodann dem Kältemittelkreislauf 1 wieder zur Verfügung. Das eine Ende der Bypassleitung 50 ist vorteilhafterweise zwischen dem Expansionsorgan 60 und dem Ventil 70 an den Kältemittelkreislauf 1 angeschlossen. Das andere Ende der Bypassleitung 50 ist mit der Niederdruckseite verbunden.
Auch ist bekannt, dass durch das Steuerorgan 40 und das Ventil 70 keine vollständige Dichtung erreicht werden kann, da das Steuerorgan 40 und das Ventil 70 bei dieser Schaltstellung der Hochdruckseite 10A des Kompressors 10 ausgesetzt sind. Folglich kann es trotz des Absperrens des Abschnitts C passieren, dass Kältemittel von der Hochdruckseite in den abgesperrten Abschnitt C gelangt. Die Bypassleitung 50 bringt den Vorteil mit sich, dass in dem abgesperrten Abschnitt C kondensiertes Kältemittel über die Bypassleitung 50 abgeführt werden kann.
Die Bypassleitung 50 ermöglicht ferner ein Bereitstellen des sich in dem abgesperrten Abschnitt befindenden Kältemittels zu dem aktiven Kältemittelkreislauf 1 auf der Niederdruckseite. Das wieder über die Bypassleitung 50 zur Verfügung gestellte Kältemittel aus dem abgesperrten Abschnitt C steht beim Kühlbetrieb somit wieder an der Einlassseite 10B des Kompressors 10 zur Verfügung. In den in 2 durch eine dickere Leitung veranschaulichten Abschnitten des Kältemittelkreislaufes 1 befindet sich flüssiges Kältemittel.
3 veranschaulicht schematisch den Heizbetrieb des Kältemittelkreislaufes 1 von 1 zur Klimatisierung eines Fahrzeuges.
In der 3 ist die Strömungsrichtung des Kältemittels im Kältemittelkreislauf 1 beim Heizbetrieb durch Pfeile veranschaulicht. Bei dem beschriebenen Heizbetrieb befindet sich zwischen der Auslassseite 20A der Heizeinheit 20 und der Einlassseite 100B des Wärmeübertragers 100 das Kältemittel in einem weitgehend flüssigen Zustand.
Der Einfachheit halber werden bei der nachstehend erläuterten 3 die Beschreibungen der Komponenten weggelassen, die in Bezug auf die 1 und 2 schon vorstehend beschrieben worden sind. Beim Heizbetrieb sind die Steuerorgane 40 und 45 derart geschalten, dass der Abschnitt C dem Kältemittelkreislauf 1 zugeschaltet ist und der Abschnitt D des Kältemittelkreislaufes 1 abgesperrt ist. Das komprimierte Kältemittel wird von der Auslassseite 10A des Kompressors 10 über das Steuerorgan 40 zur Einlassseite 20B der Heizeinheit 20 transportiert, um sodann über das Expansionsorgan 60 und das Ventil 70 hin zu der Einlassseite 100B des äußeren Wärmeübertragers 100 transportiert zu werden. Von der Auslassseite 100A des äußeren Wärmeübertragers 100 gelangt das abgekühlte Kältemittel über den inneren Wärmeübertrager 90 über das Steuerorgan 45 zu dem Akkumulator 80 zur Einlassseite 10B bzw. Ansaugseite des Kompressors 10. Die Komponenten Expansionsorgan 65, die Kühleinheit 30 und das Ventil 75 sind wie in 3 schematisch dargestellt vom Kältemittelkreislauf 1 abgesperrt. In dem beim Heizbetrieb abgesperrten Abschnitt befindet sich Kältemitteldampf mit einer geringen Dichte, wobei die Menge an Kältemittel, die in diesem Abschnitt gespeichert ist, gering ist.
Vorteilhafterweise ist das eine Ende der Bypassleitung 50, wie in den 1 und 2 beispielhaft veranschaulicht, stromabwärts des Expansionsorgans 60 angebracht. Das andere Ende der Bypassleitung 50 ist mit der Niederdruckseite 10B vor dem Kompressor 10, d. h. in einem Abschnitt zwischen dem Expansionsorgan 65 und dem Kompressor 10 verbunden.
Bei dem Heizbetrieb wird das Kältemittel durch das Expansionsorgan 60 an der Auslassseite 60A expandiert. Das Kältemittel gelangt an der Auslassseite 60A an eine Abzweigung vor dem Ventil 70. Der Großteil des Kältemittel-Mengenstroms wird über das Ventil 70 hin zur Einlassseite 100B des Wärmeübertragers 100 transportiert. Der Druckverlustbeiwert zwischen den beiden Enden der Bypassleitung 50 ist größer als der Druckverlustbeiwert stromabwärts von einem Abschnitt nach dem Ventil 70 bis zu Ende der Bypassleitung 50 im Niederdruckbereich.
Die Bypassleitung 50 ist derart konfiguriert, dass beim Heizbetrieb ein Druckverlust bei hohem Strömungswiderstand zwischen der Auslassseite 60A des Expansionsorgans 60 und der Niederdruckseite 10B des Kompressors 10 entsteht. Das heißt, dass beim Heizbetrieb eine geringe Menge an Kältemittel stromabwärts des Expansionsorgans 60 nicht an der Einlassseite 100B des Wärmeübertragers 100 zur Verfügung steht, sondern über die Bypassleitung 50 zur Niederdruckseite 10B des Kompressors 10 abgeleitet wird. Hierbei befinden sich beide Enden der Bypassleitung 50 auf der Niederdruckseite. Folglich findet nur ein geringfügiger Kältemittelstrom zwischen der Auslassseite 60A des Expansionsorgans 60 und der Niederdruckseite 10B des Kompressors 10 statt, wobei der Großteil an Kältemittel von der Auslassseite 60A des Expansionsorgans 60 zur Einlassseite 100B des Wärmeübertragers 100 transportiert wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Bypassleitung 50 derart realisiert, dass der Mengenstrom durch die Bypassleitung 50 kleiner oder gleich 10 % des durch den vollständigen Kältemittelkreislauf 1 fließenden Mengenstroms beträgt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Bypassleitung 50 derart konfiguriert, dass sie mit einem aktiven Schaltorgan zwischen Hochdruckseite und Niederdruckseite ausgestattet ist. Das aktive Schaltorgan kann in einer offenen Schaltstellung den Durchfluss von Kältemittel durch die Bypassleitung 50 ermöglichen. Bei einer geschlossenen Schaltstellung wird ein Durchfluss des Kältemittels durch die Bypassleitung 50 unterbunden. Das eine Ende der Bypassleitung 50 ist wie weiter oben beschrieben mit der Niederdruckseite des Kältemittelkreislaufes 1 verbunden. Das andere Ende der Bypassleitung 50 ist stromaufwärts des Steuerorgans 40 und stromabwärts der Heizeinheit 20 mit dem absperrbaren Abschnitt C verbunden.
Während des Heizbetriebs bleibt das aktive Schaltorgan geschlossen. Dabei wird verhindert, dass von der Hochdruckseite Kältemittel über die Bypassleitung 50 zur Niederdruckseite abfließt.
Beim Umschalten in den Kühlbetrieb, bei dem das Steuerorgan 40 derart geschaltet wird, dass es das erwärmte Kältemittel von der Auslassseite 10A des Kompressors 10 zur Einlassseite 100B des äußeren Wärmeübertragers 100 weiterleitet, wird gleichzeitig das aktive Ventil geöffnet.
Bei noch einer weiteren Ausführungsform wird anstelle des aktiven Schaltorgans in der Bypassleitung 50 ein passives selbststeuerndes Kugelrückschlagventil bzw. ein Feder-Rückstellventil eingesetzt. Da bei dem Kühlbetrieb zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite die Druckdifferenz gering ist, bleibt das passive selbststeuernde Kugelrückschlagventil in einer offenen Schaltposition. Ein Druckausgleich bzw. Abfließen von sich im abgesperrten Abschnitt C befindendem Kältemittel und der Niederdruckseite ist ermöglicht.
Beim Umschalten des Steuerorgans 40 in den Heizbetrieb wird der zuvor abgesperrte Abschnitt C der Hochdruckseite zugeschaltet. An dem passiven selbststeuernden Kugelrückschlagventil liegt folglich einseitig ein hoher Druck an, sodass das passive selbststeuernde Kugelrückschlagventil in die Sperrposition verfahren wird. Ein Druckausgleich zwischen Hochdruckseite und Niederdruckseite und ein Abfließen von Kältemittel über die Bypassleitung 50 wird somit unterbunden.
Die Erfindung lässt neben den erläuterten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. So kann der Kältemittelkreislauf 1 weitere Wärmeübertrager und Ventile aufweisen. Ferner kann die Bypassleitung 50 an anderen als den beschriebenen bevorzugten Positionen mit dem Kältemittelkreislauf 1 verbunden sein.
Zudem ist es möglich, dass anstelle der hier verwendeten Ventile 70 und 75 jede beliebige Art von sperrbaren Ventilen zum Einsatz kommt. Die hier verwendeten Steuerorgane 40 und 45 können sowohl elektromagnetische Ventile als auch mechanisch betätigte pneumatische oder hydraulische Ventile sein. Der Kompressor 10 kann durch jede Art von Pumpe mit Kompressionseffekt realisiert sein und ist nicht auf die hier verwendete Ausführungsform beschränkt. Auch ist die Verwendung von anderen Kältemitteln als Kohlendioxid denkbar. Obschon der Akkumulator 80 und der innere Wärmeübertrager 90 hier verwendet werden, können diese optional im Kältemittelkreislauf 1 weggelassen werden.
Obwohl sich alle Ausführungsformen des Kältemittelkreislaufes 1 auf eine Klimatisierung eines Fahrzeuges beziehen, kann der Kältemittelkreislauf 1 auch in anderen Anwendungsgebieten wie beispielsweise bei Zügen, Booten, Flugzeugen oder Häusern verwendet werden.
Bezugszeichenliste

1: Kältemittelkreislauf
10: Kompressor
10A: Auslassseite des Kompressors
10B: Einlassseite des Kompressors
20: Heizeinheit
20A: Auslassseite der Heizeinheit
20B: Einlassseite der Heizeinheit
30: Kühleinheit
40: Steuerorgan
45: Steuerorgan
50: Bypassleitung
60: Expansionsorgan
60A: Auslassseite des Expansionsorgans
65: Expansionsorgan
70: Ventil
75: Ventil
80: Akkumulator
90: Innerer Wärmeübertrager
100: Wärmeübertrager
100A: Auslassseite
100B: Einlassseite

Claims

Kältemittelkreislauf (1) zur Klimatisierung eines Fahrzeuges, der aufweist: zumindest einen Kompressor (10) zur Komprimierung eines Kältemittels; zumindest eine Heizeinheit (20), die mit der Hochdruckseite (10A) des Kompressors (10) verbunden ist; zumindest eine Kühleinheit (30), die mit der Niederdruckseite (10B) des Kompressors (10) verbunden ist, wobei für einen Kühlbetrieb ein Abschnitt (C) des Kältemittelkreislaufes (1), welcher bei einem Heizbetrieb auf der Hochdruckseite (10A) des Kompressors (10) zugeschaltet ist, durch ein Steuerorgan (40) absperrbar ist, und wobei eine Bypassleitung (50) beim Kühlbetrieb den absperrbaren Abschnitt (C) mit einem Abschnitt (D) des Kältemittelkreislaufes (1) auf der Niederdruckseite (10B) des Kompressors (10) verbindet, wobei der Kältemittelkreislauf (1) ferner ein Expansionsorgan (60) auf der Auslassseite (20A) der Heizeinheit (20) aufweist, und wobei ein Abzweig der Bypassleitung (50) auf der Auslassseite (60A) des Expansionsorgans (60) erfolgt.
Kältemittelkreislauf (1) gemäß Anspruch 1, wobei das Kältemittel ein überkritisches Kältemittel, insbesondere Kohlendioxid (CO₂), aufweist oder aus diesem besteht.
Kältemittelkreislauf (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Bypassleitung (50) derart konfiguriert ist, dass bei einem Heizbetrieb zwischen der Auslassseite (60A) des Expansionsorgans (60) und der Niederdruckseite (10B) des Kompressors (10) bei einem hohen Strömungswiderstand ein Druckverlust entsteht.
Kältemittelkreislauf (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Bypassleitung (50) eine Kapillare aufweist.
Kältemittelkreislauf (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Bypassleitung (50) eine Drossel oder eine Engstelle oder ein Ventil aufweist.
Kältemittelkreislauf (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Kältemittelkreislauf (1) ferner ein Steuerorgan (45), ein Expansionsorgan (65) und zumindest ein Schaltorgan zur Durchflusssteuerung der Bypassleitung (50) aufweist.
Kältemittelkreislauf (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Heizeinheit (20) ein Kondensator ist, die Kühleinheit (30) ein Verdampfer ist, die Steuerorgane (40, 45) Dreiwegeventile sind, die Expansionsorgane (60, 65) Expansionsventile sind, und das zumindest eine Schaltorgan ein Rückschlagventil ist.