DE102015007565B3

DE102015007565B3 - Anlage zum Temperieren des Innenraums eines Kraftfahrzeugs und zugehöriges Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102015007565B3
Application number: DE102015007565.9A
Authority: DE
Inventors: Dirk Schroeder; Helmut Rottenkolber; Wolfgang Loewel
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2015-06-12
Filing date: 2015-06-12
Publication date: 2016-11-17
Anticipated expiration: 2035-06-13

Abstract

Anlage (1, 15, 18) zum Temperieren des Innenraums eines Kraftfahrzeugs, die entweder als Kälteanlage oder als Wärmepumpe betreibbar ist, mit einem Verdichter (2), einem Kondensator (3), einem (Heiz-)Kondensator (10), einem inneren Wärmeübertrager (4) mit einer Hochdruckpassage (6) und einer Niederdruckpassage (5) für ein Kältemittel, einem Expansionsorgan (7) und einem als Chiller ausgebildeten Verdampfer (8), sowie mit einem weiteren Expansionsorgan (20) und einem (Innenraum-)Verdampfer (21), wobei die Anlage (1, 15, 18) zum Auslagern von Kältemittel eine als Kapillarleitung ausgebildete Auslagerungsleitung (11, 16, 19) aufweist, die mittels eines Absperrventils (12) gesteuert geöffnet oder geschlossen werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Temperieren des Innenraums eines Kraftfahrzeugs, die entweder als Kälteanlage oder als Wärmepumpe betreibbar ist, mit einem Verdichter, einem Kondensator, einem inneren Wärmeübertrager mit einer Hochdruckpassage und einer Niederdruckpassage für ein Kältemittel, einem Expansionsorgan und einem Verdampfer.
Eine derartige Anlage eignet sich insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug mit geringer Abwärmeentwicklung wie ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug.
Es sind bereits Anlagen vorgeschlagen worden, die einerseits als Kälteanlage und andererseits als Wärmepumpe betreibbar sind. Bei einem Fahrzeug, bei dem keine ausreichende Abwärme zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums zur Verfügung steht, kann eine derartige Anlage als Wärmepumpe betrieben werden. Dabei wird dieser aus der Umgebungsluft oder aus einer anderen Abwärmequelle Wärme für die Beheizung des Fahrzeuginnenraums zur Verfügung gestellt.
Eine derartige Anlage, die beispielsweise aus der DE 10 2011 118 162 A1 bekannt ist, kann in verschiedenen Betriebsarten betrieben werden. In einem Kälteanlagenbetrieb kann sie über den Verdampfer zur Abkühlung und zum Entfeuchten des Kabinenzuluftstroms und zur Wärmeabgabe an die Umgebungsluft am Kondensator eingesetzt werden. In der Betriebsart als Wärmepumpe kann Wärme aus der Umgebungsluft am jetzt als Verdampfer arbeitenden Kondensator aufgenommen und an einem Heizkondensator der Anlage an einen Luftstrom oder auch an Kühlwasser als Wärmesenke abgegeben werden.
In der genannten Druckschrift DE 10 2011 118 162 A1 wird bereits das Problem angesprochen, dass bei dem Betrieb als Kälteanlage oder als Wärmepumpe jeweils unterschiedliche optimale Kältemittelfüllmengen benötigt werden. Daher wird vorgeschlagen, die Anlage mit einer absperrbaren Bypassleitung vorzusehen. Durch das Vorsehen wenigstens eines Ventils, das vorzugsweise stufenlos einstellbar ist, kann die Kältemittelfüllmenge reguliert werden. Allerdings haben sich derartige Bypassleitungen in der Praxis nicht durchgesetzt, da die benötigten stufenlos einstellbaren Ventile, die die geforderte Genauigkeit aufweisen, zu höheren Kosten führen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zum Temperieren des Innenraums eines Kraftfahrzeugs anzugeben, die das Auslagern von Kältemittel ermöglicht und einfach und kostengünstig aufgebaut ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Anlage der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass sie zum Auslagern von Kältemittel eine als Kapillarleitung ausgebildete Auslagerungsleitung aufweist, die mittels eines Absperrventils gesteuert geöffnet oder geschlossen werden kann.
Die Kapillarleitung kann einen geringen Durchmesser aufweisen, der z. B. 1 bis 2 mm betragen kann.
Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Leitung für Kältemittel wird zum Auslagern des Kältemittels eine Kapillarleitung verwendet, die sich durch einen besonders geringen Leitungsdurchmesser auszeichnet, was wiederum Gewichts- und Kostenvorteile zur Folge hat. Die geringe Bauteilsteifigkeit erlaubt weiterhin einen vereinfachten Toleranzausgleich durch manuelles Verbiegen während der Montage. Üblicherweise kann ein Toleranzausgleich in starren Leitungen nur über kostspielige Schlauchabschnitte erzielt werden. Um das Kältemittel auszulagern, wird das der Kapillarleitung zugeordnete Absperrventil mittels eines Steuergeräts bei Bedarf gesteuert geöffnet oder geschlossen. Im Gegensatz zu den im Stand der Technik verwendeten, in Bypassleitungen eingesetzten Ventilen, deren Öffnungsquerschnitt präzise eingestellt werden kann, wird erfindungsgemäß stattdessen ein einfaches und kostengünstiges Absperrventil eingesetzt, das lediglich eine geöffnete Stellung und eine geschlossene Stellung aufweist. Im geöffneten Zustand kann Kältemittel in die Auslagerungsleitung strömen, im geschlossenen Zustand wird das Auslagern des Kältemittels verhindert. Das Absperrventil ist idealerweise, jedoch nicht zwangsläufig, bidirektional dichtend ausgeführt.
Bei der erfindungsgemäßen Anlage wird es bevorzugt, dass sie eine Steuerungseinrichtung aufweist, die dazu ausgebildet ist, das Absperrventil getaktet zu schalten. Somit kann durch eine Reihe von aufeinanderfolgenden Takten, währenddessen das Absperrventil geöffnet ist, Kältemittel in die als Kapillarleitung ausgebildete Auslagerungsleitung einströmen. Durch das getaktete Schalten kann die Menge des auszulagernden Kältemittels besonders präzise festgelegt werden. Das getaktete Schalten erfolgt einfach über gesteuertes Ein- oder Ausschalten.
Bei der erfindungsgemäßen Anlage wird es bevorzugt, dass die Steuerungseinrichtung so ausgebildet ist, dass Kältemittel im Wärmepumpenbetrieb ausgelagert wird. In dieser Betriebsart wird weniger Kältemittel benötigt, so dass es über die Kapillarleitung in einen inaktiven Bereich der Klimaanlage ausgelagert werden kann. Im Fall eines mit der Wärmequelle Wasser arbeitenden Wärmepumpensystems kann der Kondensator einen inaktiven Anlagenbereich darstellen.
Um zu ermitteln, ob Bedarf an einer Auslagerung oder einer Rückholung von Kältemittel in bzw. aus inaktiven Abschnitten der Klimaanlage besteht, wird in der Klimaanlage integrierte Sensorik herangezogen. Dabei werden Informationen über den Zustand des Kältemittels am Austritt des mit der Wärmesenke verbundenen Wärmeübertragers ausgewertet. Ein Beispiel für derartige Informationen ist die Unterkühlung, die in die Entscheidung, ob eine Auslagerung oder eine Rückholung ausgelöst wird, einfließt.
Bei der erfindungsgemäßen Anlage kann die Auslagerungsleitung an unterschiedlichen Stellen angeordnet sein. Dabei mündet sie stets in den Abschnitt des Kondensators, der stromaufwärts mit einem Absperrventil und stromabwärts mit einem Rückschlagventil separiert sein kann, wobei dieser Bereich der Anlage, wie bereits erwähnt, während der Durchführung eines Wärmepumpenprozesses in der Klimaanlage keine aktive Funktion besitzt.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung kann die Auslagerungsleitung nach dem Heizkondensator, vor einem Rückschlagventil, angeordnet sein.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung kann die Auslagerungsleitung vor der Hochdruckpassage des inneren Wärmeübertragers angeordnet sein.
Gemäß einer dritten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anlagen kann die Auslagerungsleitung nach der Hochdruckpassage des inneren Wärmeübertragers angeordnet sein.
Der Querschnitt der Kapillarleitung kann bei der erfindungsgemäßen Anlage 1 bis 2 mm betragen und bewirkt einen bereits über den Strömungsquerschnitt reduzierten und gebremsten und damit leichter kontrollierbaren Kältemittelfluss über die Auslagerungsleitung. Alle drei beschriebenen Ausgestaltungen haben aufgrund der gewählten Position innerhalb des Kältekreises nur geringe thermische Anforderungen an das Bauteil „Absperrventil”.
Insbesondere die zweite und die dritte Ausgestaltung weisen noch den Vorteil auf, dass beim Auslagerungsventil keine bidirektionale Dichtheit erforderlich ist. Ein Aufdrücken des Ventils hat einen vernachlässigbaren Einfluss auf den Anlagenbetrieb, vorausgesetzt, dass für diesen Leitungsabschnitt auf die Kapillarleitung anstelle einer „Standardklimaleitung” zurückgegriffen wird. Bei der beschriebenen ersten Gestaltung kann der Fall auftreten, dass Kältemittel in den (Heiz-)Kondensatorabschnitt umgelagert werden kann und gegebenenfalls für den Kältekreislauf nicht zur Verfügung steht. Sollte kein bidirektional dichtes Bauteil vorhanden sein, muss in den Umverlagerungsstrang ein entsprechende Mehrkosten verursachendes Rückschlagventil vorgesehen werden.
Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass es eine Anlage der beschriebenen Art aufweist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
1 die wesentlichen Komponenten. einer erfindungsgemäßen Anlage gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anlage; und
3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anlage.
Die in 1 gezeigte Anlage 1 dient zum Temperieren des Innenraums eines Kraftfahrzeugs und kann entweder als Kälteanlage oder als Wärmepumpe betrieben werden. Nachfolgend werden die wesentlichen Komponenten der Anlage 1 erläutert. Die Anlage 1 umfasst einen Verdichter 2, dem für den Kälteanlagenprozess ein als Kondensator 3 wirkender Wärmetauscher zugeordnet ist. Daneben umfasst die Anlage 1 einen inneren Wärmeübertrager 4 mit einer Hochdruckpassage 6 und einer Niederdruckpassage 5 für ein Kältemittel, sowie ein Expansionsorgan 20 und einen Verdampfer 21. Für den Wärmepumpenbetrieb umfasst die Anlage 1 ferner einen Heizkondensator 10, dessen Abwärme einem Heizungswärmetauscher 22 zugeführt wird. Daneben sind ein Expansionsorgan 7 und ein als Verdampfer arbeitender Chiller 8 vorhanden.
Bei dem Betrieb als Wärmepumpe gelangt Kältemittel von dem Verdichter 2 durch ein geöffnetes Ventil 9 zu einem (Heiz-)Kondensator 10 und weiter durch die Hochdruckpassage 6 des inneren Wärmeübertragers 4 zu dem Expansionsorgan 7 und zu dem Verdampfer bzw. Chiller 8, bevor es wieder dem Verdichter 2 zugeführt wird.
Zum Auslagern von Kältemittel ist eine Auslagerungsleitung 11 vorgesehen, die als Kapillarleitung ausgebildet ist. Der Abgang der Auslagerungsleitung 11 ist nach dem (Heiz-)Kondensator 10 vor einem Rückschlagventil 17 angeordnet. In der Auslagerungsleitung 11 befindet sich ein Absperrventil 12, das an eine schematisch dargestellte Steuerungseinrichtung 13 angebunden und über diese betätigbar ist. Die Steuerungseinrichtung 13 wird dabei mit Systeminformationen der Anlage 1 versorgt, wodurch ein gegebenenfalls bestehender Bedarf einer Auslagerung von Kältemittel festgestellt werden kann. Durch getaktetes Öffnen bzw. Schließen des Absperrventils 12 kann die Auslagerungsleitung 11 geöffnet bzw. geschlossen werden, um Kältemittel über die Auslagerungsleitung 11 in ein Totvolumen in und um den Kondensator 3 auszulagern.
Wenn die Anlage 1 als Kälteanlage betrieben wird, strömt Kältemittel durch den Verdichter 2 über ein Ventil 14 zu dem Kondensator 3, dem hochdruckseitigen Abschnitt 6 des inneren Wärmeübertragers 4, dem Expansionsorgan 20 zu dem Verdampfer 21, von dort zu dem niederdruckseitigen Abschnitt 5 des inneren Wärmeübertragers 4 zurück zum Verdichter 2. Zusätzlich kann der Bedarf bestehen, über das Expansionsorgan 7 und den Chiller 8 Kältemittel abzukühlen, welches wiederum für die Kühlung beispielsweise einer Hochvoltkomponente (Batterie) zur Verfügung gestellt wird.
2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel und zeigt eine Anlage 15, die im Wesentlichen wie die in 1 gezeigte Anlage 1 aufgebaut ist. Auf eine nochmalige Erläuterung übereinstimmender Komponenten wird daher verzichtet. Die Funktion der Anlage 15, die wahlweise entweder als Kälteanlage oder als Wärmepumpe betrieben werden kann, entspricht der Funktion der in 1 gezeigten Anlage 1.
Abweichend davon umfasst die Anlage 15 eine bevorzugt als Kapillarleitung ausgeführte Auslagerungsleitung 16, die vor der Hochdruckpassage 6 des inneren Wärmeübertragers 4 angeordnet ist.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer Anlage 18, die im Wesentlichen wie die in den 1 und 2 gezeigten Anlagen 1, 15 aufgebaut ist. Abweichend davon weist die Anlage 18 eine Auslagerungsleitung 19 auf, die als Kapillarleitung ausgebildet ist und einen Querschnitt von 2 mm aufweist. Die Auslagerungsleitung 19 ist nach der Hochdruckpassage 6 des inneren Wärmeübertragers 4 angeordnet und dient zum temporären Auslagern von Kältemittel in das bereits erwähnte Totvolumen um den Kondensator 3, beispielsweise wenn während des Betriebs der Anlage 18 als Wärmepumpe eine geringere Füllmenge erforderlich ist.
Eine Rückholung von ausgelagertem Kältemittel aus dem erwähnten Totvolumen kann durch Öffnen des Ventils 23, angesteuert über das Steuergerät 13, erfolgen, um inaktives Kältemittel wieder aktiv dem Prozess „Wärmepumpe” zuzuführen.
Analog zu dem Auslagerungsprozess im Wärmepumpenbetrieb kann diese Methodik durch Verbinden einer beschriebenen Kapillarleitung von der Wärmesenke des Modus „Kälteanlage” mit dem Totvolumen im Abschnitt des (Heiz-)Kondensators 10 genutzt und das Kältemittel ebenso umgelagert werden. Diese Funktion stellt die umgekehrte Funktionalität des ausführlich beschriebenen Auslagerungsvorgangs für den Wärmepumpenbetrieb dar. Bei Bedarf kann die Rückholung des Kältemittels, veranlasst über das Steuergerät 13, durch gezieltes Öffnen des Absperrventils 24 erfolgen.

Claims

Anlage (1, 15, 18) zum Temperieren des Innenraums eines Kraftfahrzeugs, die entweder als Kälteanlage oder als Wärmepumpe betreibbar ist, mit einem Verdichter (2), einem Kondensator (3), einem (Heiz-)-Kondensator (10), einem inneren Wärmeübertrager (4) mit einer Hochdruckpassage (6) und einer Niederdruckpassage (5) für ein Kältemittel, einem Expansionsorgan (7) und einem als Chiller ausgebildeten Verdampfer (8), sowie mit einem weiteren Expansionsorgan (20) und einem (Innenraum-)Verdampfer (21), wobei die Anlage (1, 15, 18) zum Auslagern von Kältemittel eine als Kapillarleitung ausgebildete Auslagerungsleitung (11, 16, 19) aufweist, die mittels eines Absperrventils (12) gesteuert geöffnet oder geschlossen werden kann.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Steuerungseinrichtung (13) aufweist, die dazu ausgebildet ist, das Absperrventil (12) getaktet zu schalten.
Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (13) dazu ausgebildet ist, das Absperrventil (12) so zu schalten, dass Kältemittel im Wärmepumpenbetrieb ausgelagert wird.
Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslagerungsleitung (11) nach dem (Heiz-)Kondensator (10), vor einem Rückschlagventil (17), angeordnet ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslagerungsleitung (16) vor der Hochdruckpassage (6) des inneren Wärmeübertragers (4) angeordnet ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslagerungsleitung (19) nach der Hochdruckpassage (6) des inneren Wärmeübertragers (4) angeordnet ist.
Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Kapillarleitung 1 bis 2 mm beträgt.
Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Anlage (1, 15, 18) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.