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Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugklimaanlage mit einem als Wärmepumpenkreislauf mit Heizfunktion und als Kältekreislauf mit Kühl- und Entfeuchtungsfunktion betreibbaren Kältemittelkreislauf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Fahrzeugklimaanlage.
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Es ist bekannt, dass Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge mit einer Klimaanlage ausgestattet werden, die von einem Kältebetrieb in einen Wärmebetrieb und umgekehrt geschaltet werden können.
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Ferner sind Fahrzeugklimaanlagen bekannt, deren Kältemittelkreislauf einen als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildeten indirekten Kondensator aufweist, der im Wärmebetrieb über einen kondensatorseitigen Kühlmittelkreislauf und dem dort stromabwärts integrierten Heizungswärmeübertrager die Luft des Fahrzeuginnenraums erwärmt. Elektrifizierte Fahrzeuge benötigen neben mindestens einem Frontverdampfer einen separaten Kühlmittelkreislauf zur Konditionierung und Temperierung des in der Regel als Hochvoltbatterie realisierten Energiespeichers der Leistungselektronik und der E-Maschinen. Ein solcher Kühlmittelkreislauf kann mittels eines Wärmeübertragers mit dem Kältemittelkreislauf gekoppelt werden, wobei ein solcher Wärmeübertrager seinerseits ebenfalls als Verdampfer zum Kühlen eines Luftstromes bzw. als sogenannter Chiller zum Kühlen von Wasser ausgebildet ist.
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Auch der Einsatz des Kältemittelkreislaufs einer 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.
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Aus der gattungsbildenden
DE 11 2014 005 360 T5 ist eine Fahrzeugklimaanlage mit einem Kältemittelkreislauf mit integrierter Wärmepumpe, einem Heizungskreislauf und einem Kühlmittelkreislauf bekannt. Der Heizungskreislauf umfasst einen in einem Klimagerät angeordneten Heizungswärmetauscher, einen Kühlmittel-Kältemittel-Wärmetauscher zur thermischen Kopplung mit dem Kühlmittelkreislauf sowie eine Heizungspumpe. Der Kältemittelkreislauf umfasst einen Inverter als Wärmequelle, einen Niedertemperaturkühler, welcher luftseitig mit einem Kondensator des Kältemittelkreislaufs gekoppelt ist, und eine Kühlmittelpumpe. Ein Abschnitt des Heizungskreislaufs zwischen der Druckseite der Heizungspumpe und dem Kühlmittel-Kältemittel-Wärmetauscher kann einem Abschnitt des Kühlmittelkreislaufs parallel geschaltet werden. So kann ein Teilstrom des Kühlmittels aus dem Heizungskreislauf über ein schaltbares Ventilorgan in den Kühlmittelkreislauf abgezweigt werden, so dass dieser Teilstrom zusammen mit dem Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs zunächst der Kühlmittelpumpe zugeführt und anschließend über die Wärmequelle, den Niedertemperaturkühler und schließlich über ein weiteres schaltbares Ventilorgan wieder in den Heizungskreislauf zurückgeführt wird.
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Ferner ist auch eine Fahrzeugklimaanlage mit einer integrierten Wärmepumpe zum Kühlen und Heizen aus der
DE 101 63 607 A1 bekannt, bei welcher im Wärmepumpenbetrieb die Energie indirekt über Wärmeträgerflüssigkeiten in den Luftstrom für die Fahrzeugkabine eingebracht wird. Dies wird mit einem Flüssigkeits-Luft-Wärmetauscher, dem sog. Heizungswärmeübertrager im Klimagerät des Fahrzeugs realisiert, indem zum Heizen des Luftstromes das Kältemittel abgekühlt und ggf. kondensiert und zum Kühlen des Luftstromes das Kältemittel verdampft und erwärmt wird. Bei dieser bekannten Fahrzeugklimaanlage wird im Kälteanlagenbetrieb das von einem Kältemittelverdichter verdichtete Kältemittel über einen Gaskühler und einen inneren Wärmetauscher über ein erstes Expansionsventil in einen Verdampfer entspannt. Anschließend strömt das Kältemittel zurück über die Niederdruckseite zum Kältemittelverdichter. Im Heizbetrieb wird das von dem Kältemittelverdichter verdichtete Kältemittel über einen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmetauscher geführt, wo ein Teil der Wärme des Kältemittels auf einen Kühlmittelkreislauf zum Heizen der Fahrgastzelle übertragen wird, und strömt anschließend über den inneren Wärmetauscher in das erste Expansionsventil und wird dabei in den Verdampfer entspannt. Anschließend wird das Kältemittel mittels eines zweiten Expansionsventil in einen Kältemittel-Wärmemittel-Wärmetauscher zur Wärmeaufnahme entspannt, wo dem Kältemittel Wärme aus dem Kühlwasser zugeführt wird. Schließlich strömt das Kältemittel über die Niederdruckseite und den inneren Wärmetauscher zurück zum Kältemittelverdichter.
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Der Reheat-Betrieb einer Fahrzeugklimaanlage zeichnet sich dadurch aus, dass die Luft, welche über das Klimagerät und den dort untergebrachten Wärmeübertragern in die Fahrgastzelle einströmt, zunächst entfeuchtet (also abgekühlt) und im Anschluss auf die gewünschte Ausblastemperatur erwärmt wird. In der Regel erfolgt der Reheat-Betrieb bei einer Umgebungstemperatur von ca. 5 bis 25 °C und entsprechend erhöhter relativer Luftfeuchtigkeit.
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Verbrennungsmotorisch angetriebene Fahrzeuge führen ca. 50 % der anfallenden Abwärme über das Kühlwasser an die Umgebung ab. Diese Abwärme wird auch zum Beheizen des Fahrzeugs genutzt, insbesondere auch im Reheat-Betrieb.
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Elektrofahrzeuge führen ihre Abwärme zu annähernd 100 % über das Kühlwasser ab, jedoch auf deutlich geringerem Temperaturniveau. In der Regel ist dieses Temperaturniveaus so gering, dass die Abwärme nur bedingt bzw. nicht zum Heizen genutzt werden kann. Daher muss elektrisch geheizt werden.
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Eine energieeffiziente Methode besteht darin, die erforderliche Heizwärme mittels eines Wärmepumpenprozesses bereitzustellen. Hierbei erfolgt die Verdampfung des Kältemittels bekannterweise im Verdampfer des Klimagerätes oder bspw. zusätzlich über mindestens einen Wasser-Kältemittel-Wärmeübertrager, dem sogenannten Chiller, der entweder zur Kühlung eines Energiespeichers eingesetzt oder zur Wärmeentnahme aus weiteren Elektronikkomponenten genutzt werden kann, um einen Wärmeprozess zu betreiben. Die Kondensation des Kältemittels für den Heizbetrieb erfolgt nicht im Kondensator der Fahrzeugfront, sondern entweder in einem inneren Kondensator/Gaskühler über das Kühlwasser des Heizungskreises oder in einem mit Luft beaufschlagten Heizregister im Klimagerät. In beiden Fällen wird die Luft nach dem Verdampfer wieder erwärmt.
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Idealerweise entspricht die von dem mindestens einen Verdampfer aufgenommene Wärme zusammen mit der über den Verdichter ins Kältemittel eingetragenen Leistung exakt dem in das und anschließend vom Kühlwasser (über den Heizungswärmeübertrager) oder dem Heizregister übertragenen Wärmestrom, der zur Einstellung der erforderlichen Komfortwärme für die Kabinenzuluft unter Berücksichtigung der auftretenden Wärmeübergangsverluste aufzubringen ist.
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So müsste bei einem Heizleistungsdefizit eine weitere Wärmequelle, zum Beispiel ein Chiller benutzt werden und bei einem Heizleistungsüberschuss eine weitere Wärmesenke (Kondensator/Gaskühler) bereitgestellt werden.
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Da es sich bei einem Wärmepumpenprozess um einen geschlossenen Kreisprozess handelt, muss die einer Fahrzeugklimaanlage durch Verdichter und Wärmezufuhr an dem mindestens einen Verdampfer zugeführte Leistung am Kondensator wieder abgeführt werden. Besteht auf Seiten von Kälte- und Wärmebedarf ein betragsmäßiges Ungleichgewicht, wobei in der Regel ein Leistungsüberschuss auf der Heißseite besteht, wird das System der Fahrzeugklimaanlage instabil und der Hochdruck steigt, bis es zur Systemabregelung aufgrund des Erreichens der Hochdruckgrenze bis im äußersten Fall zu sogenannten Hochdruckausstiegen und Abschalten der Klimaanlage kommen kann.
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Alternativ wäre es möglich, den Kondensator bzw. Gaskühler als zusätzliche Wärmesenke neben dem Heizgaskühler bzw. Heizgaskondensator bereitzustellen. Jedoch ist in diesem Fall mit einem rapiden Einbruch des Hochdrucks zu rechnen, da sich das Druckniveau im System auf den sich durch die Umgebungstemperatur vorgegebenen Kondensationsdruck einstellen wird, der seinerseits unterhalb des Drucks, der zum Eintrag von Wärme in den Luftstrom durch ein Heizregister oder ihn das Kühlwasser erforderlich ist, sich einstellen würde.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Fahrzeugklimaanlage der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein stabiler und gut regelbarer Wärmepumpenprozess erzielt wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Fahrzeugklimaanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Eine solche Fahrzeugklimaanlage mit einem als Wärmepumpenkreislauf mit Heizfunktion und als Kältekreislauf betreibbaren Kältemittelkreislauf mit Kühl- und Entfeuchtungsfunktion umfasst:
- - einen Verdampfer, einen Kältemittelverdichter, einen Kältemittelkondensator oder einen Gaskühler, ein dem Verdampfer zugeordnetes Expansionsventil und einen Kältemittel-Heizmittel-Wärmetauscher zur Bildung eines Heizungskreislaufes, wobei die aufgeführten Komponenten den Kältemittelkreislauf bilden,
- - einen in dem Heizungskreislauf angeordneten Heizungswärmetauscher zur Durchführung der Heizfunktion,
- - einen in dem Heizungskreislauf angeordnete Heizungspumpe, und
- - einen Kühlmittelkreislauf mit einem mit einer Wärmequelle gekoppelten Wärmeübertrager, einem Niedertemperaturkühler und einer Kühlmittelpumpe. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass
- - zum Abzweigen wenigstens eines Heizmittel-Teilluftstromes in den Kühlmittelkreislauf ein den Niedertemperaturkühler aufweisender Kühlmittelkreislaufabschnitt des Kühlmittelkreislaufes mit einem die Heizungspumpe aufweisenden Heizungskreislaufabschnitt des Heizungskreislaufes parallel geschaltet ist,
- - an einem ein Ende des Heizungskreislaufabschnittes in Strömungsrichtung markierenden Abzweigpunkt des Heizungskreislaufes zwischen der Heizungspumpe und dem Kältemittel-Heizmittel-Wärmetauscher ein Misch- oder Umschaltventil angeordnet ist,
- - das Misch- oder Umschaltventil mittels einer Abführleitung mit einem den Anfang des Kühlmittelkreislaufabschnittes zwischen dem Niedertemperaturkühler und dem Wärmeübertrager markierenden Zuführpunkt des Kühlmittelkreislaufs verbunden ist, und
- - ein das Ende des Kühlmittelkreislaufabschnittes markierender Abzweigpunkt zwischen dem Niedertemperaturkühler und der Kühlmittelpumpe mittels einer Rückführleitung mit einem den Anfang des Heizungskreislaufabschnittes markierenden Rückführpunkt des Heizungskreislaufes verbunden ist, wobei die Rückführleitung die Saugdruckseiten der Heizungspumpe und der Kühlmittelpumpe verbindet.
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Bei dieser erfindungsgemäßen Fahrzeugklimaanlage wird im Wärmepumpenprozess die überschüssige Energie im Heizungskreis durch über den Kühlmittelkreislauf zugeführtes kaltes bzw. kühles Kühlmittel in den Heizungskreis abgeführt.
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Damit bleibt der Wärmepumpenprozess stabil und gut regelbar. Das Hochdruckniveau kann stabil auf einem Zielwert gehalten werden. Es sind weder Druckanstiege noch Systemabschaltungen aufgrund eines zu hohen Systemdrucks zu erwarten. Es kann weiterhin Wärme im vollen Umfang aus dem Kältemittelkreislauf in den Heizungskreislauf übertragen werden, da der Abgabewärmestrom entsprechend einer Sollwertvorgabe geregelt werden kann.
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Es ist sowohl eine Abführleitung zum Abführen eines Heizmittel-Teilstromes des Heizungskreislaufes , welche in Strömungsrichtung den Heizungskreislaufabschnitt endseitig mit dem Kühlmittelkreislaufabschnitt anfangsseitig verbindet, als auch eine Rückführleitung zum Rückführen eines dem abgeführten Heizmittel-Teilstrom entsprechenden Teilstromes in den Heizungskreislauf vorgesehen.
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Eine solche erfindungsgemäße Fahrzeugklimaanlage ist geeignet für den Einsatz in allen Fahrzeugtypen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine einzige Figur ausführlich beschrieben. Diese 1 zeigt eine Fahrzeugklimaanlage gemäß der Erfindung.
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Die Fahrzeugklimaanlage 1 gemäß 1 umfasst einen Kältemittelkreislauf 2, einen Heizungskreislauf 8 und einen Kühlmittelkreislauf 10.
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Der Kältemittelkreislauf 2 besteht aus einem Verdampfer 3, einem Kältemittelverdichter 4, einem Kältemittelkondensator oder Gaskühler 5, einem als Expansionsventil ausgebildeten Expansionsorgan 6 und einem Kältemittel-Heizmittel-Wärmetauscher 7.
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Der Heizungskreislauf 8 besteht aus dem Kältemittel-Heizmittel-Wärmetauscher 7, mit Wasser als Heizmittel, einer Heizungspumpe 15, einem Heizelement 19 und einem Heizungswärmetauscher 9.
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Der Verdampfer 3 und der Heizungswärmetauscher 9 sind in einem Klimagerät 1.1 der Fahrzeugklimaanlage 1 untergebracht.
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Das von dem Kältemittelverdichter 4 verdichtete Kältemittel wird im Kälteanlagebetrieb des Kältemittelkreislaufes 2 über ein geöffnetes Umschaltventil 20 dem Kältemittelkondensator oder Gaskühler 5, der im Frontbereich des Fahrzeugs angeordnet ist, zugeführt und nach Kondensation über das Expansionsventil 6 in den Verdampfer 3 entspannt. In der Regel ist dem Kältemittelkondensator oder Gaskühler 5 ein Rückschlagventil nachgeschaltet, welches ein Rückfließen von Kältemittel in den Kältemittelkondensator oder Gaskühler 5 verhindert. Die dem Kältemittel mittels des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers 5 entzogene Wärme wird über einen Luftstrom L2 in die Fahrzeugumgebung abgeführt. Der dem Verdampfer 3 zugeführte Luftstrom L1 wird von diesem gekühlt und der Fahrgastzelle des Fahrzeugs zugeführt. Hierzu wird eine Luftklappe 1.11 des Klimagerätes 1.1 so gestellt, dass dieser Luftstrom L1 nicht oder nicht vollständig über den Heizungswärmetauscher 9 geführt wird.
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Für den Heiz- und Reheat-Betrieb der Fahrzeugklimaanlage 1 wird das verdichtete Kältemittel bei geschlossenem Umschaltventil 20 über ein geöffnetes Umschaltventil 21 dem Kältemittel-Heizmittel-Wärmetauscher 7 zugeführt, der als Kältemittel-Wasser-Wärmetauscher ausgeführt ist. Dieser Kältemittel-Wasser-Wärmetauscher bildet stromabwärts mit dem Heizelement 19, dem in dem Klimagerät 1.1 angeordneten Heizungswärmetauscher 9, der Heizungspumpe 15 und einem Mischventil (Umschaltventil) 14 den Heizungskreislauf 8.
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Im Reheat-Betrieb der Fahrzeugklimaanlage 1 wird die von dem Verdampfer 3 an das Kältemittel abgegebene Wärme über den Kältemittel-Wasser-Wärmetauscher 7 auf den Heizungskreislauf 8 übertragen, so dass der der Fahrgastzelle zugeführte Luftstrom L1 nach einer Kühlung an dem Verdampfer 3 an dem Heizungswärmetauscher 9 wieder erwärmt wird. Hierzu nimmt die Luftklappe 1.11 des Klimagerätes 1.1 die in der 1 dargestellte Stellung ein, so dass der Luftstrom L1 vollständig über diesen Heizungswärmetauscher 9 geführt wird.
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Der Kühlmittelkreislauf 10 umfasst in Strömungsrichtung einen Wärmeübertrager 12, einen Niedertemperaturkühler 13 und eine Kühlmittelpumpe 16. Der Wärmeübertrager 12 ist mit einer Wärmequelle 11 wärmegekoppelt. Solche Wärmequellen 11 sind bspw. eine Hochvoltbatterie und/oder elektrische Komponenten, wie Elektromotoren und Leistungselektroniken.
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Um im Reheat-Betrieb der Fahrzeugklimaanlage 1 einen Leistungsüberschuss auf der Heißseite des Kühlmittelkreislaufes 2 zu vermeiden, wird dem Heizungskreislauf 8 aus dem Kühlmittelkreislauf 10 kaltes bzw. kühles Wasser dem Heizungskreislauf 8 zugemischt. Damit kann Wärme im Reheat-Betrieb des Kältemittelkreislaufes 2 in vollem Umfang über den Kältemittel-Wärmemittel-Wärmetauscher 7 vollständig in den Heizungskreislauf 8 übertragen und ein konstantes Temperaturniveau eingeregelt werden.
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Gemäß 1 wird diese Wasserzumischung dadurch realisiert, dass ein Kühlmittelkreislaufabschnitt 10.1, der den Niedertemperaturkühler 13 umfasst, einem die Heizungspumpe 15 umfassenden Heizungskreislaufabschnitt 8.1 parallel geschaltet wird. Hierzu ist in einem das Ende des Heizungskreislaufabschnittes 8.1 in Strömungsrichtung markierenden Abzweigpunkt 8.11 des Heizungskreislaufes 8 zwischen der Heizungspumpe 15 und dem Kältemittel-Heizmittel-Wärmetauscher 7 ein Mischventil 14 angeordnet, mit welchem zumindest ein Heizmittel-Teilstrom des Heizmittels, vorliegend Wasser, über eine Abführleitung 17 einem den Anfang des Kühlmittelkreislaufabschnittes 10.1 in Strömungsrichtung markierenden Zuführpunkt 10.11 des Kühlmittelkreislaufs 10 demselben zugeführt wird. Dort vermischt sich dieser Heizmittel-Teilstrom mit dem Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufes 10, welches stromabwärts des Kühlmittelkreislaufes 10 dem Niedertemperaturkühler 13 zugeführt wird. In Strömungsrichtung des Kühlmittelkreislaufes 10 wird nach dem Niedertemperaturkühler 13 an einem das Ende des Kühlmittelkreislaufabschnittes 10.1 in Strömungsrichtung markierenden Abzweigpunkt 10.12 des Kühlmittelkreislaufes 10 über eine Rückführleitung 18 ein dem zugeführten Heizmittel-Teilstrom des Heizmittels entsprechender Teilstrom an kühlem bzw. kaltem Wasser wieder dem Heizungskreislauf 8 in einem den Anfang des Heizungskreislaufabschnittes 8.1 markierenden Rückführpunkt 8.12 des Heizungskreislaufes 8 demselben wieder zugeführt. Die Rückführleitung 18 verbindet dabei die Saugdruckseiten der Heizungspumpe 15 und der Kühlmittelpumpe 16. Dies hat zur Folge, dass die von dem Heizmittel-Teilstrom mitgeführte Wärme aus dem Heizungskreislauf 8 auf den Kühlmittelkreislauf 10 übertragen wird. Da die Temperatur des Kühlmittels des Kühlmittelkreislaufes 10 wesentlich niedriger ist als diejenige des Heizmittels des Heizungskreislaufes 8 ist auch die Temperatur des aus dem Kühlmittelkreislauf 10 in den Heizungskreislauf 8 zurückgeführten Teilstromes wesentlich geringer als diejenige des Heizmittels, wodurch sich die Temperatur des Heizmittels in dem Heizungskreislauf 8 absenkt.
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Das Mischventil 14 kann regelbar ausgeführt werden, so dass sich hierdurch der an den Kühlmittelkreislauf 10 abgegebene Wärmestrom regeln lässt.
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Anstelle des Mischventils 14 kann auch ein Umschaltventil vorgesehen werden, welches mittels eines PWM-Signals zur Regelung des Wärmestroms gesteuert werden kann.
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Bezugszeichen
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- 1
- Fahrzeugklimaanlage
- 1.1
- Klimagerät der Fahrzeugklimaanlage 1
- 1.11
- Luftklappe
- 2
- Kältemittelkreislauf der Fahrzeugklimaanlage 1
- 3
- Verdampfer des Kältemittelkreislaufes 2
- 4
- Kältemittelverdichter des Kältemittelkreislaufes 2
- 5
- Kältemittelkondensator, Gaskühler
- 6
- Expansionsorgan, Expansionsventil
- 7
- Kältemittel-Heizmittel-Wärmetauscher, Kältemittel-Wasser-Wärmetauscher
- 8
- Heizungskreislauf
- 8.1
- Heizungskreislaufabschnitt
- 8.11
- Abzweigpunkt des Heizungskreislaufes 8
- 8.12
- Rückführpunkt des Heizungskreislaufes 8
- 9
- Heizungswärmetauscher des Heizungskreislaufes 8
- 10
- Kühlmittelkreislauf
- 10.1
- Kühlmittelkreislaufabschnitt
- 10.11
- Zuführpunkt des Kühlmittelkreislaufes 10
- 10.12
- Abzweigpunkt des Kühlmittelkreislaufes 10
- 11
- Wärmequelle
- 12
- Wärmeübertrager des Kühlmittelkreislaufes 10
- 13
- Niedertemperaturkühler des Kühlmittelkreislaufes 10
- 14
- Mischventil, Umschaltventil
- 15
- Heizungspumpe des Heizungskreislaufes 8
- 16
- Kühlmittelpumpe des Kühlmittelkreislaufes 10
- 17
- Abführleitung
- 18
- Rückführleitung
- 19
- Heizelement des Heizungskreislaufes 8
- 20
- Umschaltventil des Kühlmittelkreislaufes 2
- 21
- Umschaltventil des Kühlmittelkreislaufes 2
