-
Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugklimaanlage mit einem Kältemittelkreislauf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Der Einsatz von Kältemittellkreisläufen 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 dem Frontverdampfer als mindestens einen Innenraumverdampfer 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.
-
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 bzw. indirekt an die Luft der Fahrgastzelle abzugeben. Je nach Betriebsweise der Fahrzeugklimaanlage, ob also geheizt bzw. gekühlt wird oder welche Anzahl von Wärmeübertragern aktiv betrieben wird, variiert auch in diesem Fall die zur optimalen Betriebsweise benötigte Menge an aktivem bzw. tatsächlich benötigtem Kältemittel im Kältemittelkreislauf.
-
Eine gattungsbildende Fahrzeugklimaanlage ist aus der
DE 198 39 477 A1 bekannt, bei welcher nach einem Kältemittelkondensator und einem Flüssigkeitssammler eine erste Verzweigung des Kältemittelkreislaufes vorgesehen ist, an der das Kältemittel in einen ersten Kältemittelstrom und einen zweiten Kältemittelstrom verzweigt wird. Der erste Kältemittelstrom fließt über ein erstes Expansionsorgan einem Verdampfer als Wärmeübertrager zu, während der zweite Kältemittelstrom über ein zweites Expansionsorgan einem zusätzlichen Wärmeübertrager zufließt, der von einer Leistungselektronik beheizt wird.
-
Solche zusätzlichen Wärmeübertrager befinden sich entweder aus Gründen einer optimalen geometrischen und funktionalen Anordnung (Package) im Hinterwagen des Fahrzeugs, daneben sind aber auch Platzierungen im Vorderwagen eines Fahrzeuges bekannt, wenn der zusätzliche Wärmeübertrager als Chiller für eine wassergekühlte Batterie oder als Luftverdampfer für eine luftgekühlte Batterie aufgebaut ist, oder aus Gründen der Funktionalität im Fahrzeugmittelbereich (Heckklimatisierung).
-
Das jeweilige Expansionsorgan ist dabei zumeist zusammen mit dem Verdampfer bzw. dem zusätzlichen Wärmeübertrager untergebracht oder in direkter Nähe zu dem Verdampfer bzw. dem zusätzlichen Wärmeübertrager verbaut.
-
Daraus folgt insbesondere, dass von der Verzweigung zum zusätzlichen Wärmeübertrager bis zu dessen Expansionsorgan die Kältemittelleitung stets mit flüssigem und hochdichtem Kältemittel befüllt sein muss. Gerade dieser Leitungsabschnitt zu dem zweiten Expansionsorgan erfordert eine maximale Menge an Kältemittel, da in diesem Leitungsabschnitt das Kältemittel zumeist unterkühlt, somit flüssig und folglich mit der höchsten Dichte vorliegt. Nachteilig hierbei ist es, dass speziell für diesen Abschnitt der Füllmengenbedarf im Kältemittelkreislauf sehr hoch bzw. maximal ist.
-
Aufgabe der Erfindung ist es eine Fahrzeugklimaanlage der eingangs genannten Art mit einem geringen Füllmengenbedarf an Kältemittel anzugeben.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Fahrzeugklimaanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
-
Eine solche Fahrzeugklimaanlage mit einem Kältemittelkreislauf, welcher als Komponenten wenigstens einen Verdampfer, einen Kältemittelverdichter, einen Kältemittelkondensator oder Gaskühler, ein dem Verdampfer zugeordnetes erstes Expansionsorgan und wenigstens einen zur Kopplung mit einer Wärmequelle vorgesehener Wärmeübertrager mit zugeordnetem zweiten Expansionsventil aufweist, wobei an einer Verzweigung in dem Kältemittelkreislauf ein erster Kältemittelstrom über das erste Expansionsorgan dem Verdampfer zugeführt wird und über das zweite Expansionsorgan ein zweiter Kältemittelstrom dem Wärmeübertrager zugeführt wird, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass
- – das zweite Expansionsorgan mit einer Absperrfunktion ausgebildet ist,
- – das zweite Expansionsorgan in räumlicher Nähe zur Verzweigung angeordnet ist, und
- – ein Kältemittelleitungsabschnitt des Kältemittelkreislaufs vorgesehen ist, welcher das zweite Expansionsorgan mit dem Wärmeübertrager verbindet.
-
Durch das räumliche Trennen des zweiten Expansionsorgans von dem Wärmeübertrager durch Verlegen von dessen Einbauort direkt an die Verzweigung des Kältemittelkreislaufs steht flüssiges Kältemittel nur noch bis zum zweiten Expansionsorgan an, wenn die Funktion des Wärmeübertragers, bspw. als Chiller zur Batteriekühlung oder als Verdampfer zur Fondraumklimatisierung mittels der Absperrfunktion zu- oder abgeschaltet ist.
-
Da mit dem zweiten Expansionsorgan auch die Absperrfunktion an die Verzweigung des Kältemittelkreislaufs vorverlagert ist, wird ein Versickern von Öl über den zweiten Kältemittelstrom vermieden. Denn bei Verdichtern von Klimaanlagen tritt das Problem auf, dass Schmieröl des Verdichters in geringen Mengen in den Kältemittelkreislauf gelangt. Die Absperrfunktion kann in das zweite Expansionsorgan integriert oder auch als separates Absperrorgan realisiert werden, wobei im zweiten Fall dieses separate Absperrorgan direkt benachbart zum zweiten Expansionsorgan angeordnet ist und es dem Anwender überlassen werden kann, ob er die Absperrfunktion stromaufwärts oder stromabwärts vom Expansionsorgan vorsieht.
-
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das erste Expansionsorgan ebenfalls in räumlicher Nähe zur Verzweigung angeordnet ist, und ein weiterer Kältemittelleitungsabschnitt des Kältemittelkreislaufs vorgesehen ist, welcher das erste Expansionsorgan mit dem Verdampfer verbindet. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird also das erste Expansionsorgan ebenso in die direkte Nachbarschaft zur Verzweigung vorverlagert, so dass hierdurch eine weitere Einsparung an Kältemittel im System der Fahrzeugklimaanlage erzielt wird.
-
Die Verlegung der beiden Expansionsorgane hin zur Verzweigungsstelle führt gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung zu einer Anordnung der Einzelventile in Form eines Ventilblocks, der zwei Expansions- und Absperrfunktionen beinhaltet und an seinem Austritt die jeweiligen Wärmeübertrager, wie Verdampfer oder Chiller mit Kältemittel versorgt.
-
Ein potentieller Nachteil der Vorverlegung der Expansionsorgane an die Verzweigung in Form einer Vorverdampfung des Kältemittels zwischen Expansionsorganaustritt und dem jeweiligen Wärmeübertragereintritt kann weiterbildungsgemäß durch Vorsehen einer geeigneten Klimaleitungs- bzw. Verbindungsleitungsisolation wirksam unterbunden werden.
-
Schließlich kann in einer letzten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Klimaleitungsquerschnitt der Zuleitungen vom Gaskühler- bzw. Kondensatoraustritt zum ersten und/oder zweiten Expansionsorgan in ihrer Dimensionierung auf ein systemseitiges und funktional verträgliches Minimum reduziert, i. d. R. auf 3.5 mm bis 6 mm Innendurchmesser, je nach eingesetztem Kältemittel reduziert werden.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine einzige Figur ausführlich beschrieben. Diese 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kältemittelkreislaufes 1 einer Fahrzeugklimaanlage gemäß der Erfindung.
-
Dieser Kältemittelkreislauf 1 umfasst als Komponenten einen Verdampfer 2 zur Konditionierung des dem Fahrzeuginnenraum zugeführten Luftstroms, einen Kältemittelverdichter 3, einen Kältemittelkondensator bzw. Gaskühler 4 und ein dem Verdampfer 2 in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgeschaltetes erstes Expansionsorgan als Expansionsventil 5 mit einer Absperrfunktion. Diese Komponenten bilden einen Hauptkreislauf 1.1 der Fahrzeugklimaanlage und sind über eine Kältemittelleitung 9 miteinander verbunden.
-
Die Absperrfunktion des ersten Expansionsventils 5 wird mittels eines Absperrorgans realisiert, welches entweder in das erste Expansionsventil 5 integriert ist oder als separates Bauteil ausgeführt ist. In der Ausführung des Absperrorgans als separates Bauteil ist es direkt mit dem ersten Expansionsventil 5 gekoppelt.
-
Der Bedarf einer Absperrfunktion für das erste Expansionsventil 5 ist an die Art der Realisierung eines Wärmeübertragers 7 eines Nebenkreislaufes 1.2 als Chiller gekoppelt. So ist bspw. in einem Single-Chiller-Mode eine Verdampferdurchströmung des Verdampfers 2 nicht erforderlich.
-
Zur Bildung des Nebenkreislaufes 1.2 befindet sich zwischen dem Kältemittelkondensator/Gaskühler 4 eine Abzweigung 6, der sich das Kältemittel in einen dem ersten Expansionsventil 5 und dem Verdampfer 2 zugeführten ersten Kältemittelstrom und einen dem Nebenkreislauf 1.2 zugeführten zweiten Kältemittelstrom verzweigt. Die Abzweigung 6 kann bspw. als T-Stück ausgeführt sein.
-
Der Einfachheit halber wird bei der Beschreibung der Systemarchitektur gemäß der 1 auf die Einbindung eines internen Wärmeübertragers verzichtet, der in aktuellen Systemen mittlerweile zum Stand der Technik zählt. Entsprechendes gilt für einen Kältemittelspeicher, welcher, je nach Art des eingesetzten Kältemittels, auf der Hochdruck- oder auch auf der Niederdruckseite im Kältemittelkreislauf eingesetzt wird.
-
Der Nebenkreislauf 1.2 umfasst in Strömungsrichtung des Kältemittels ein zweites Expansionsorgan als Expansionsventil 8 mit einer Absperrfunktion und einen Wärmeübertrager 7, der mit einem Kühlmittelkreislauf 7.1 einer Hochvoltbatterie oder eines Elektromotors als Wärmequelle (nicht dargestellt) gekoppelt ist. Dieser Wärmeübertrager 7 arbeitet entweder als Verdampfer zur Kühlung eines Luftstromes als Kühlmittel bzw. als Chiller zum Kühlen von Wasser als Kühlmittel oder als Verdampfer zur Fondsraumklimatisierung (Heckklimatisierung).
-
Die Absperrfunktion des zweiten Expansionsventils 8 wird mittels eines Absperrorgans realisiert, welches entweder in das zweite Expansionsventil 8 integriert ist oder als separates Bauteil ausgeführt ist. In der Ausführung des Absperrorgans als separates Bauteil ist es direkt mit dem zweiten Expansionsventil 8 gekoppelt.
-
Mit der Absperrfunktion des zweiten Expansionsventils 8 kann somit die Funktion „Batteriekühlung” bzw. „Fondsraumklimatisierung” zugeschaltet oder abgeschaltet werden.
-
Um die Füllmenge an flüssigem und hochdichtem Kältemittel auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs 1 möglichst gering zu halten, wird das zweite Expansionsventil 8 von dem Wärmeübertrager 7 räumlich getrennt und direkt in räumliche Nähe zur Verzweigung 6 verbaut, so dass der Ausgang des die Abzweigung 6 realisierenden T-Stücks in den Nebenkreislauf 1.2 direkt mit dem zweiten Expansionsventil 8 gekoppelt ist. Das zweite Expansionsventil 8 wird in Strömungsrichtung des Kältemittels über einen Kältemittelleitungsabschnitt 9.2 mit dem Wärmeübertrager 7 verbunden. Aufgrund der reduzierten offenen Zuleitungslängen steht somit flüssiges und hochdichtes Kältemittel nur noch bis zu diesem zweiten Expansionsventil an, bevor nach diesem die Entspannung auf Niederdruckniveau bei niedriger Dichte erfolgt. Damit wird der Füllmengenbedarf an hochdichtem Kältemittel im Kältemittelkreislauf 1 reduziert.
-
Der Leitungsabschnitt 9.2 wird zur Reduktion möglicher Kälteleistungsverluste durch Austausch mit der Umgebung im Bedarfsfall mit geeignetem Isolationsmaterial umhüllt. Eine Kondensatbildung an den Leitungsoberflächen wird hierdurch ebenso unterbunden.
-
Durch die Kopplung der Absperrfunktion in Form eines Absperrorgans mit dem zweiten Expansionsventil 8 wird auch diese Absperrfunktion in Bezug auf die Strömungsrichtung des Kältemittels an die Verzweigung 6 vorverlagert, wodurch gleichzeitig ein Versickern von Öl in den Nebenkreislauf 1.2 vermieden wird. Mittels eines zwischen der Abzweigung 6 und dem zweiten Expansionsventil 8 angeordneten Siphons kann bei nicht aktiven Nebenkreislauf 1.2, also bei aktivierter Absperrfunktion eine Umverlagerung von Öl in den Nebenkreislauf 1.2 auch reduziert werden.
-
Um den Füllmengenbedarf an flüssigen und hochdichten Kältemittel in den Kältemittelkreislauf 1 weiter zu reduzieren wird zusätzlich zu der Vorverlagerung des zweiten Expansionsventils 8 mit seiner Absperrfunktion an die Verzweigung 6 auch das erste Expansionsventil 5 an diese Verzweigung 6 vorverlagert, so dass der für den ersten Kältemittelstrom vorgesehene Ausgang des die Abzweigung 6 realisierenden T-Stücks direkt mit dem ersten Expansionsventil 5 gekoppelt ist. Das erste Expansionsventil 5 wird in Strömungsrichtung des Kältemittels über einen weiteren Kältemittelleitungsabschnitt 9.1 mit dem Verdampfer 2 verbunden.
-
Auch für diesen Leitungsabschnitt 9.1 ist in Analogie zum Leitungsabschnitt 9.2 optional eine Isolation vorgesehen, um Kälteverluste und Kondensatbildung zu vermeiden.
-
Der Verdampfer 2 sowie der Wärmeübertrager 7 werden jeweils über einen Kältemittelleitungsabschnitt 9.10 und 9.20 in einer Mündungssstelle 6.0 auf der Niederdruckseite des Kältemittelverdichters 3 zusammengeführt.
-
Die beiden Expansionsorgane 5 und 6 können zusammen mit den Absperrfunktionen in einem Ventilblock zusammengefasst werden, so dass nur noch ein einziger Kältemittelleitungsabschnitt zur Verbindung des Gaskühlers/Kondensators 4 mit einem solchen Ventilblock erforderlich ist, wobei innerhalb des Ventilblocks die Aufteilung auf den ersten und zweiten Kältemittelstrom für den Verdampfer 2 bzw. den Wärmeübertrager 7 erfolgt.
-
Um den Bedarf an hochdichtem Kältemittel weiter zu reduzieren, kann der Klimaleitungsquerschnitt der Zuleitung vom Austritt des Gaskühlers bzw. Kondensators 4 zum ersten und zweiten Expansionsorgan 5 und 8 in der Dimensionierung auf ein systemseitiges und funktional verträgliches Minimum reduziert, i. d. R. auf 3.5 mm bis 6 mm Innendurchmesser, je nach eingesetztem Kältemittel reduziert werden.
-
Bei der Nutzung von Kohlendioxid (R744, CO2) als Kältemittel stellt die Füllmenge des Kältemittelkreislaufs ein kritischer Faktor dar. Solche R744-Fahrzeugklimaanlagen sind aktuell auf eine Obergrenze von 250, g/l bezogen auf das Anlageninnenvolumen, spezifiziert. Ist ein hoher Anteil. an Kältemittelleitungen bzw. Kältemittelleitungsabschnitten mit hochdichtem Kältemittel befüllt, beanspruchen solche Kältemittelleitungsabschnitte eine maximale Menge an Kältemittel. Die erfindungsgemäße Verlegung der Expansionsventile 5 und 8 an die Abzweigung 6 reduziert daher den Anteil an Kältemittelleitungsabschnitte mit hochdichtem Kältemittel.
-
Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel weist einen Verdampfer 2 und einen Wärmeübertrager 7 in einem Nebenkreislauf auf, denen jeweils ein Expansionsorgan 5 bzw. 8 vorgeschaltet ist. Die Erfindung ist natürlich auch für mehrere Wärmeübertrager in mehreren Nebenkreisläufen anwendbar.
-
Das räumliche Verlegen eines Expansionsorgans weg von einem Verdampfer kann auch mit Vorteil bei einem Kältemittelkreislauf mit nur einem Verdampfer, also ohne einen Nebenkreislauf vorgenommen werden. Hierbei wird das dem Verdampfer zugeordnete Expansionsventil stromaufwärts bis zur nächsten Komponente verlagert. Eine solche Komponente kann bspw. ein Kältemittelkondensator bzw. einen Gaskühler oder ein innerer Wärmetauscher sein. Das Expansionsventil würde direkt mit dem Ausgang des Kondensators bzw. des Gaskühlers oder mit dem Ausgang des inneren Wärmetauschers gekoppelt werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kältemittelkreislauf
- 1.1
- Hauptkreislauf
- 1.2
- Nebenkreislauf
- 2
- Verdampfer
- 3
- Kältemittelverdichter
- 4
- Kältemittelkondensator bzw. Gaskühler
- 5
- erstes Expansionsorgan, erstes Expansionsventil
- 6
- Verbindung, T-Stück
- 6.0
- Mündungsstelle
- 7
- Wärmeübertrager, Verdampfer, Chiller
- 7.1
- Kühlmittelkreislauf
- 8
- zweites Expansionsorgan, zweites Expansionsventil
- 9
- Kältemittelleitung
- 9.1
- Kältemittelleitungsabschnitt
- 9.10
- Kältemittelleitungsabschnitt
- 9.2
- weiterer Kältemittelleitungsabschnitt
- 9.20
- Kältemittelleitungsabschnitt
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
