DE102015103681A1

DE102015103681A1 - Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs und Verfahren zum Betreiben des Klimatisierungssystems

Info

Publication number: DE102015103681A1
Application number: DE102015103681.9A
Authority: DE
Inventors: Navid Durrani; Roberto Della Rovere; Marc Graaf
Original assignee: Halla Visteon Climate Control Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2016-09-15
Also published as: KR20160110063A; US20160265819A1; US10571164B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Klimatisierungssystem (1) zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs. Das Klimatisierungssystem weist einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter (2), einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (3) zur Enthitzung des Kältemittels nach der Verdichtung, sowie einem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) und einem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (8) sowie mindestens einen Kühlmittelkreislauf auf. Der Kühlmittelkreislauf ist dabei mit einem Heizwärmeübertrager (13) zur Erwärmung eines dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms und der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (3) ist als eine Komponente des den Heizwärmeübertrager (13) aufweisenden Kühlmittelkreislaufs ausgebildet. Das Klimatisierungssystem (1) ist für einen Betrieb im Kälteanlagenmodus, im Wärmepumpenmodus sowie im Nachheizmodus zum Heizen, Kühlen und Entfeuchten der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft ausgebildet, wobei der Kältemittelkreislauf eine Ventilanordnung (4, 4') zum Umschalten des Klimatisierungssystems (1) zwischen verschiedenen Betriebsmodi aufweist. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben des Klimatisierungssystems.

Description

Die Erfindung betrifft ein Klimatisierungssystem zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs. Das Klimatisierungssystem weist einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter, einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager zur Enthitzung des Kältemittels nach der Verdichtung, sowie zwei Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und mindestens einen Kühlmittelkreislauf auf. Im Kühlmittelkreislauf ist ein Heizwärmeübertrager zur Erwärmung eines dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms angeordnet. Der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ist als eine Komponente des den Heizwärmeübertrager aufweisenden Kühlmittelkreislaufs ausgebildet. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben des Klimatisierungssystems.
Zum Stand der Technik gehörende Klimatisierungssysteme mit den Funktionen Heizen, Kühlen und Entfeuchten dienen dem Konditionieren der in den Fahrgastraum von Kraftfahrzeugen mit Elektro- und Hybridantrieb sowie verbrennungsmotorischem Antrieb einzuleitender Luft. Gattungsgemäße Klimatisierungssysteme mit einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager beziehungsweise Heizwärmeübertrager, welche die Heizleistung aus dem Kühlmittelkreislauf eines effizienten Verbrennungsmotors oder eines Hybridantriebs beziehen, erreichen zum einen bei geringen Umgebungstemperaturen, zum Beispiel weniger als –10 °C, nicht mehr das für eine komfortable Aufheizung des Fahrgastraums erforderliche Temperaturniveau. Für diese Fahrzeuge ist der Einsatz von Zuheizkonzepten notwendig. Zum anderen wird dem Kühlmittel Wärme entzogen, sodass der Verbrennungsmotor längere Zeit bei geringen Temperaturen betrieben wird, was sich negativ auf die Abgasemissionen und den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Aufgrund des intermittierenden Betriebes des Verbrennungsmotors bei Hybridfahrzeugen wird bei längeren Fahrten keine ausreichend hohe Kühlmitteltemperatur mehr erreicht. Infolgedessen wird der Start-Stop-Betrieb des Verbrennungsmotors bei geringen Umgebungstemperaturen ausgesetzt. Der Verbrennungsmotor wird nicht abgeschaltet.
Zudem besteht der Trend zur vollständigen Elektrifizierung des Antriebs, wie zum Beispiel bei mit Batterien oder Brennstoffzellen angetriebenen Fahrzeugen. Dabei entfällt die Abwärme des Verbrennungsmotors als mögliche Wärmequelle für die Erwärmung der Luft. Die in der Batterie des Fahrzeugs speicherbare Energiemenge ist außerdem geringer als die in Form von flüssigem Kraftstoff innerhalb des Kraftstofftanks speicherbare Energiemenge. Damit hat die für die Klimatisierung des Fahrgastraums eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs benötigte Leistung zudem einen wesentlichen Einfluss auf die Reichweite des Fahrzeugs.
In der EP 2 629 040 A2 wird eine kompakte Wärmepumpenanlage für ein Kraftfahrzeug mit einer Wärmeübertragereinheit, aufweisend einen Kondensator, einen integrierten Sammler sowie einen Unterkühlungs-Wärmeübertrager eines Kältemittelkreislaufs offenbart. Die Wärmeübertrager-Einheit verbindet den Kältemittelkreislauf mit einem Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf. Der Kältemittelkreislauf weist zudem einen als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager auf, welcher eine Verbindung zu einem Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf darstellt. Der Kältemittelkreislauf verbindet folglich den Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf mit dem Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf. Der Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf ist insbesondere zur Wärmeabfuhr von Komponenten einer Antriebseinheit ausgebildet, wobei die Wärme im Verdampfer vom Kühlmittel an das Kältemittel übertragen wird. Das Kältemittel gibt die vom Niedertemperatur-Kühlmittel aufgenommene im Kondensator beziehungsweise Unterkühlungs-Wärmeübertrager an das Hochtemperatur-Kühlmittel wieder ab. Das Hochtemperatur-Kühlmittel überträgt die aufgenommene Wärme beispielsweise entweder an einen dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstrom oder an die Umgebungsluft.
Die zu übertragende Wärme wird folglich vom Niedertemperatur-Kühlmittel vollständig an das Kältemittel und vom Kältemittel vollständig an das Hochtemperatur-Kühlmittel abgegeben.
Bei der bekannten Wärmepumpenanlage werden die Enthitzungswärme und die Kondensationswärme sowie die Unterkühlungswärme des Kältemittels vollständig an das Hochtemperatur-Kühlmittel übertragen. Die Wärme kann anschließend beim Durchströmen eines Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers vom Kühlmittel an die in den Fahrgastraum zuführende Luft abgegeben werden. Die Wärme könnte beispielsweise auch an die Umgebung abgeleitet oder zur Erwärmung der Batterie genutzt werden.
Dabei wird die Wärme jeweils indirekt über einen oder mehrere Kühlmittelkreisläufe übertragen. Bei dem Prinzip der indirekten Wärmeübertragung hängt die Effizienz des Gesamtsystems maßgeblich von der Rücklauftemperatur des Kühlmittels am Eintritt in den kühlmittelgekühlten Kondensator/Gaskühler ab. Bei einer Ausbildung des kühlmittelgekühlten Kondensators/Gaskühlers als Gegenstrom-Wärmeübertrager kann das Kältemittel maximal bis zur Eintrittstemperatur des Kühlmittels in den Kondensator/Gaskühler abgekühlt werden. Mit größer werdender Rücklauftemperatur des Kühlmittels wird folglich auch die Austrittstemperatur des Kältemittels aus dem Kondensator/Gaskühler größer. Besonders bei einem Betrieb eines Klimatisierungssystems im Wärmepumpenmodus werden bei sehr geringen Temperaturen der Umgebungsluft im Bereich von –15°C bis –20°C Rücklauftemperaturen des Kühlmittels im Bereich von etwa 55°C bis 60°C angestrebt, um den Fahrgastraum in möglichst kurzer Zeit auf angenehme Temperaturen zu temperieren. In einem solchen Betriebszustand weist das Kältemittel beim Verlassen des Kondensators/Gaskühlers eine maximale Temperatur über 55°C auf. Um das Klimatisierungssystem jedoch auf eine sehr effiziente Weise betreiben zu können, muss das Kältemittel auf eine Temperatur weit unterhalb einer Rücklauftemperatur des Kühlmittels von 55°C abgekühlt werden.
Aus der US 8,156,754 B2 geht ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf hervor, welcher über einen kühlmittelgekühlten Wärmeübertrager mit einem Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf verbunden ist. Beim Durchströmen des kühlmittelgekühlten Wärmeübertragers wird das aus dem Verdichter des Kältemittelkreislaufs ausströmende heiße gasförmige Kältemittel enthitzt, bevor das Kältemittel nach dem Austreten aus dem kühlmittelgekühlten Wärmeübertrager in einen Kondensator/Gaskühler einströmt. Beim Durchströmen des Kondensators/Gaskühlers wird weitere Wärme vom Kältemittel an die Umgebungsluft abgeführt. Das Kältemittel wird verflüssigt.
Die im kühlmittelgekühlten Wärmeübertrager an das Kühlmittel abgegebene Wärme ist dabei zum einen vom Wirkungsgrad des Wärmeübertragers und zum anderen vom Temperaturniveau des Kühlmittels abhängig. Es besteht die Möglichkeit, die Enthitzungswärme und die Kondensationswärme des Kältemittels als sogenannte Wärmelasten, auf zwei Wärmeübertrager zu verteilen. Damit kann einerseits eine höhere Leistung des Klimatisierungssystems erzielt werden und andererseits kann der Kondensator/Gaskühler mit geringeren Abmessungen dimensioniert werden. Die über den kühlmittelgekühlten Wärmeübertrager vom Kältemittel an das Kühlmittel übertragene Wärme wird in einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager an die Umgebungsluft abgegeben und damit aus dem System abgeleitet. Die an die Umgebungsluft abgegebene Wärme ist folglich nicht zum Aufheizen des Fahrgastraums einzusetzen. Darüber hinaus ist das Klimatisierungssystem nach der US 8,156,754 B2 nicht mit einer Wärmepumpenfunktionalität ausgebildet, mit welcher der Fahrgastraum bei fehlender oder ungenügend vorhandener Motorabwärme, insbesondere bei geringen Umgebungstemperaturen, aufgewärmt werden kann. Sowohl der Kondensator/Gaskühler als auch der Verdampfer werden mit Umgebungsluft beaufschlagt.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Systeme sind jeweils mit einem lediglich in einem Betriebsmodus betreibbaren Kältemittelkreislauf ausgebildet. Die Kältemittelkreisläufe weisen dabei keine Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Erwärmen eines dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms auf. Die Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager werden zudem stets mit Umgebungsluft beaufschlagt, welche nach der Abkühlung in den Fahrgastraum beziehungsweise nach der Erwärmung in die Umgebung abgeleitet wird. Damit ist die vom Kältemittel abgeführte Wärme nicht direkt für den dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstrom nutzbar.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Klimatisierungssystems für ein Kraftfahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf mit Heizfunktionalität. Das System soll zudem für den kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Wärmepumpenmodus sowie den Nachheizmodus zum Heizen, Kühlen und Entfeuchten der zu konditionierenden Luft des Fahrgastraumes ausgelegt sein. Dabei soll der Betrieb auch in Umgebungen mit Wärmequellen geringer Kapazität, insbesondere mit geringer Abwärme des Antriebs des Kraftfahrzeugs, wie zum Beispiel bei energieeffizienten verbrennungsmotorischen Antrieben und Hybridantrieben aus Verbrennungsmotor und Elektromotor oder bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, alle Anforderungen an ein komfortables Klima im Fahrgastraum erfüllend, möglich sein. Der Komfort soll unabhängig vom Betriebsmodus stets aufrechtzuerhalten sein, insbesondere soll ein Verlust an Wärmeleistung vermieden werden. Der Kältemittelkreislauf soll dabei aus einer minimalen Anzahl an Komponenten einfach aufgebaut sein und in verschiedenen Betriebsmodi betreibbar sein. Das System soll auch in bereits bestehende Kraftfahrzeugarchitekturen einsetzbar sein.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand und das Verfahren mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Klimatisierungssystem zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs gelöst. Das Klimatisierungssystem weist einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter, einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager zur Enthitzung des Kältemittels nach der Verdichtung, sowie einem ersten und einem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager auf. Das Klimatisierungssystem ist zudem mit mindestens einem Kühlmittelkreislauf ausgebildet, welcher einen Heizwärmeübertrager zur Erwärmung eines dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms aufweist. Dabei ist der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager als eine Komponente des den Heizwärmeübertrager aufweisenden Kühlmittelkreislaufs ausgebildet.
Nach der Konzeption der Erfindung ist das Klimatisierungssystem für einen Betrieb im Kälteanlagenmodus, im Wärmepumpenmodus sowie im Nachheizmodus zum Heizen, Kühlen und Entfeuchten der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft ausgebildet. Der Kältemittelkreislauf weist erfindungsgemäß eine Ventilanordnung zum Umschalten des Klimatisierungssystems zwischen den verschiedenen Betriebsmodi auf.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Ventilanordnung in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildet. Die Ventilanordnung ist dabei in Strömungsrichtung des Kältemittels je nach Betriebsmodus vorteilhaft zwischen dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager oder zwischen dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager angeordnet. Das Kältemittel wird dabei zur Enthitzung und zur Wärmeabgabe an ein Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs durch den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager sowie zur Verflüssigung und zur Wärmeabgabe an Luft durch einen der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager geleitet.
Der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager wird somit neben den Kältemittel-Luft-Wärmeübertragern zusätzlich zur Wärmeabgabe vom Kältemittel genutzt. Das im Kühlmittelkreislauf zirkulierende Kühlmittel dient als zusätzliche Wärmesenke für das Kältemittel. Die vom Kältemittel abzuführende Wärme wird dabei auf den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und einen der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager aufgeteilt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager abhängig vom Betriebsmodus des Klimatisierungssystems als Verdampfer oder als Verflüssiger des Kältemittels betreibbar ausgebildet. Unter der Verflüssigung des Kältemittels ist dabei der Übergang vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand zu verstehen. Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im unterkritischen Bereich wird das Kältemittel bei der Verflüssigung enthitzt und anschließend bei im Wesentlichen konstanter Temperatur kondensiert, der Wärmeübertrager wird als Kondensator bezeichnet. Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im überkritischen Bereich wird das Kältemittel unter einer gleitenden Temperatur verflüssigt. Der Wärmeübertrager wird als Gaskühler bezeichnet.
Der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager ist für den Betrieb im Kälteanlagenmodus sowie im Nachheizmodus bevorzugt als Verdampfer des Kältemittels zum Kühlen und/oder Entfeuchten der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft und für den Betrieb im Wärmepumpenmodus als Verflüssiger des Kältemittels zur Erwärmung der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft betreibbar ausgebildet.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager abhängig vom Betriebsmodus des Klimatisierungssystems als Verdampfer oder als Verflüssiger des Kältemittels betreibbar ausgebildet. Der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager ist dabei vorzugsweise für den Betrieb im Kälteanlagenmodus sowie im Nachheizmodus als Verflüssiger des Kältemittels betreibbar und für den Betrieb im Wärmepumpenmodus als Verdampfer des Kältemittels ausgebildet.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager mit Umgebungsluft, Umluft aus dem Fahrgastraum oder einer Mischung aus Umgebungsluft und Umluft aus dem Fahrgastraum beaufschlagbar ausgebildet sind. Unter Umgebungsluft ist dabei Frischluft aus der Umgebung zu verstehen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs und der Heizwärmeübertrager des Kühlmittelkreislaufs in Strömungsrichtung der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft nacheinander angeordnet und somit mit der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft nacheinander beaufschlagbar.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager sowie ein erstes Expansionsorgan, welches dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zugeordnet ist, vom Kältemittel bidirektional durchströmbar.
Die Ventilanordnung ist bevorzugt als ein Vier-Wege-Ventil ausgebildet. Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung weist die Ventilanordnung vier Absperrventile auf, wobei zwei Absperrventile mit einer NO-Charakteristik und zwei Absperrventile mit einer NC-Charakteristik ausgebildet sind. Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die Ventilanordnung aus zwei Drei-Wege-Ventilen ausgebildet, wobei ein erstes Drei-Wege-Ventil einen Einlass und zwei Auslässe sowie ein zweites Drei-Wege-Ventil zwei Einlässe und einen Auslass aufweisen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Kältemittelkreislauf mit einem inneren Wärmeübertrager ausgebildet, welcher einerseits zwischen einem Sammler und dem Verdichter und andererseits zwischen dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und dem ersten Expansionsorgan angeordnet ist. Der innere Wärmeübertrager ist vorteilhaft einerseits vom Kältemittel bidirektional durchströmbar ausgebildet.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Kältemittelkreislauf einen sich von einem Abzweig bis zu einer Mündungsstelle erstreckenden Strömungspfad auf. Der bevorzugt mit einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung von einem Kühlmittel an das Kältemittel und einem zweiten Expansionsorgan ausgebildete Strömungspfad ist vorteilhaft parallel zum zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zur Konditionierung der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft angeordnet. Der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager wird bevorzugt als Verdampfer des Kältemittels betrieben.
Die Aufgabe wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs gelöst. Nach der Konzeption der Erfindung wird das Klimatisierungssystem zwischen einem Betrieb im Kälteanlagenmodus oder im Wärmepumpenmodus oder im Nachheizmodus zum Konditionieren der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft mit einer in einem Kältemittelkreislauf ausgebildeten Ventilanordnung umgeschaltet. Dabei wird das Kältemittel nach dem Verdichten in einem Verdichter und vor dem Einströmen in die Ventilanordnung zumindest teilweise enthitzt oder enthitzt und zumindest teilweise verflüssigt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Kältemittel beim Durchströmen eines Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers zumindest teilweise enthitzt oder enthitzt und zumindest teilweise verflüssigt, wobei Wärme vom Kältemittel an das Kühlmittel übertragen wird und die vom Kühlmittel aufgenommene Wärme je nach Bedarf in einem Heizwärmeübertrager an die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft abgegeben wird.
Die vom Kältemittel abzugebende Wärme wird dabei bevorzugt zu einem Teil auf den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und zu einem zweiten Teil auf einen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager aufgeteilt.
Das erfindungsgemäße Klimatisierungssystem und das Verfahren zum Betreiben des Klimatisierungssystems weisen zusammenfassend diverse Vorteile auf:

– Kältemittelkreislauf mit einer minimalen Anzahl an Umschaltventilen und Expansionsventilen, folglich mit einer minimalen Komplexität und damit verbundenen minimalen Herstellungs- und Wartungskosten,
– große Flexibilät und Einsatzmöglichkeiten durch Betrieb in mindestens sechs unterschiedlichen Betriebsmodi,
– geringe Wärmeverluste innerhalb der Ventilanordnung zum Umschalten zwischen den Betriebsmodi und damit Steigerung der Effizienz beim Betrieb,
– Kältemittelkreislauf mit dem Kältemittel Kohlendioxid, auch als R744 bezeichnet, betreibbar,
– Kältemittelkreislauf mit einem inneren Wärmeübertrager, welcher im Wärmepumpenmodus nicht zur Wärmeübertragung genutzt wird, und
– unter minimalem Aufwand in bereits bestehende, auch mit konventionellem Klimagerätdesign ausgebildete Fahrzeugarchitekturen einsetzbar.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1a: Klimatisierungssystem mit Kältemittelkreislauf beim Betrieb im Kälteanlagenmodus sowie
1b: Druck-Enthalpie-Diagramm des Betriebs des Kältemittelkreislaufs im Kälteanlagenmodus aus 1a,
2: Klimatisierungssystem mit Kältemittelkreislauf beim Betrieb im Modus zur Kühlung einer Komponente des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs,
3: Klimatisierungssystem mit Kältemittelkreislauf beim kombinierten Betrieb im Kälteanlagenmodus und im Modus zur Kühlung einer Komponente des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs,
4: Klimatisierungssystem mit Kältemittelkreislauf beim Betrieb im Nachheizmodus,
5: Klimatisierungssystem mit Kältemittelkreislauf beim kombinierten Betrieb im Nachheizmodus und im Modus zur Kühlung einer Komponente des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs,
6a: Klimatisierungssystem mit Kältemittelkreislauf beim Betrieb im Wärmepumpenmodus sowie
6b: Druck-Enthalpie-Diagramm des Betriebs des Kältemittelkreislaufs im Wärmepumpenmodus aus 6a,
7a: Ventilanordnung zum Umschalten des Kältemittelkreislaufs zwischen verschiedenen Betriebsmodi des Klimatisierungssystems mit vier Absperrventilen und
7b: Ventilanordnung zum Umschalten des Kältemittelkreislaufs zwischen verschiedenen Betriebsmodi des Klimatisierungssystems mit zwei Drei-Wege-Ventilen.
In 1a ist ein Klimatisierungssystem 1 mit einem Kältemittelkreislauf beim Betrieb im Kälteanlagenmodus dargestellt. Aus 1b geht das zum Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Kälteanlagenmodus gehörende Druck-Enthalpie-Diagramm hervor. Dabei sind die Änderungen der Zustände beim Durchströmen der einzelnen Komponenten des Kältemittelkreislaufs mit den Bezugszeichen der Komponenten gezeigt.
Der Kältemittelkreislauf weist einen Verdichter 2 zum Komprimieren des angesaugten Kältemittels, einen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 3, auch als kühlmittelgekühlter Wärmeübertrager bezeichnet, zum Enthitzen des Kältemittels sowie eine Ventilanordnung 4, 4' zum Umschalten des Kältemittelkreislaufs zwischen verschiedenen Betriebsmodi des Klimatisierungssystems 1 auf. Das Kältemittel wird im Verdichter 2 von einem Verdampfungsdruck auf einen Kondensationsdruck beziehungsweise von einem Niederdruck auf einen Hochdruck verdichtet und strömt gasförmig, heiß und überhitzt aus dem Verdichter 2 aus. Beim Durchströmen des als Enthitzer beziehungsweise Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 3 wird Wärme vom Kältemittel an ein in einem Kühlmittelkreislauf, insbesondere in einem Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf, in Strömungsrichtung 14 zirkulierendes Kühlmittel übertragen. Die im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 3 an das Kühlmittel übertragene Wärme wird vom Kühlmittelkreislauf zu mindestens einer Wärmesenke transportiert, beispielsweise dem dem Fahrgastraum zuführenden Luftmassenstrom und/oder der Umgebungsluft. Nach einer alternativen Ausführungsform kann die an das Kühlmittel übertragene Wärme auch von mehreren, das heißt mindestens zwei, Kühlmittelkreisläufen zu der mindestens einen Wärmesenke transportiert werden. Der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 3 ist vorteilhaft als Gegenstrom-Wärmeübertrager ausgebildet. Mittels der in Strömungsrichtung des Kältemittels dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 3 nachfolgend angeordneten Ventilanordnung 4, 4' wird die Strömungsrichtung des Kältemittels durch den Kältemittelkreislauf abhängig vom Betriebsmodus des Kältemittelkreislaufs eingestellt. Die Ventilanordnung 4, 4' wird dabei von einem Massenstrom des Kältemittels mit hoher Temperatur und einem Massenstrom des Kältemittels mit niederer Temperatur beaufschlagt, was zu einer unerwünschten Wärmeübertragung zwischen den beiden unterschiedlich temperierten Massenströmen führen kann. Infolge der Ausbildung der Ventilanordnung 4, 4' nach dem Ausströmen des Kältemittels aus dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 3 wird diese unerwünschte Wärmeübertragung, welche als Wärmeverlust die Effizienz des Kältemittelkreislaufs und damit des Klimatisierungssystems 1 beeinträchtigt, minimiert. Beim Durchströmen des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 3 wird das Kältemittel enthitzt, sodass die Temperaturdifferenz als Antriebskraft der Wärmeübertragung zwischen den unterschiedlich temperierten Massenströmen, verringert wird.
Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Kälteanlagenmodus nach 1a wird, wie bereits erwähnt, die Enthitzungswärme und ein Teil der Kondensationswärme oder zumindest ein Teil der Enthitzungswärme des Kältemittels im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 3 an das Kühlmittel übertragen. Die im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 3 in den Kühlmittelkreislauf eingespeiste Wärme wird anschließend vom Kühlmittel an die Umgebungsluft abgegeben. Auf diese Weise lässt sich aus dem Kältemittelkreislauf ein größerer Teil an Wärme abführen als mit herkömmlichen Klimatisierungssystemen, was zu einer höheren Effizienz beim Betrieb im Kälteanlagenmodus führt. Die Verwendung von zwei Wärmeübertragern zur Wärmeabgabe des Kältemittels bei der Enthitzung und der Kondensation ermöglicht einen größeren Austauschgrad der Wärmeübertragung im Kälteanlagenmodus, was einerseits eine höhere übertragbare Wärme beziehungsweise eine bessere Ausnutzung der Enthalpie der Verflüssigung bewirken kann. Andererseits können die Wärmeübertrager kleiner dimensioniert werden, was bei gleicher übertragbarer Wärme zur Verringerung von Kosten und Gewicht geführt.
Nach dem Ausströmen aus der Ventilanordnung 4, 4' wird das Kältemittel zum ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5, welcher insbesondere beim Betrieb im Kälteanlagenmodus als Kondensator/Gaskühler betrieben wird, geleitet. Der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 wird bevorzugt mit in Strömungsrichtung 16 geleiteter Umgebungsluft beaufschlagt. Die Strömungsrichtung des Kältemittels ist dabei mit durchgezogenen Pfeilen gekennzeichnet. Anschließend strömt das Kältemittel durch den inneren Wärmeübertrager 6 zu einem ersten Expansionsorgan 7, welches beispielsweise als Expansionsventil ausgebildet ist. Beim Durchströmen des ersten Expansionsorgans 7 wird das Kältemittel auf Verdampfungsdruck entspannt und nachfolgend durch einen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 8 geführt. Der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 8 wird beim Betrieb im Kälteanlagenmodus als Verdampfer betrieben und dient zum Abkühlen beziehungsweise zum Entfeuchten des dem Fahrgastraum zuzuführenden in Strömungsrichtung 15 geleiteten Luftmassenstroms. Der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 8 kann dabei mit Frischluft aus der Umgebung, Umluft aus dem Fahrgastraum oder einer Mischung aus Frischluft und Umluft beaufschlagt werden.
Erfolgt die Verflüssigung des Kältemittels bei unterkritischem Betrieb, wie zum Beispiel mit dem Kältemittel R134a oder bei bestimmten Umgebungsbedingungen mit Kohlendioxid, wird der Wärmeübertrager, hier der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 3, als Kondensator bezeichnet. Ein Teil der Wärmeübertragung findet bei konstanter Temperatur statt. Bei überkritischem Betrieb beziehungsweise bei überkritischer Wärmeabgabe im Wärmeübertrager nimmt die Temperatur des Kältemittels stetig ab. In diesem Fall wird der Wärmeübertrager auch als Gaskühler bezeichnet. Überkritischer Betrieb kann unter bestimmten Umgebungsbedingungen oder Betriebsweisen des Kältemittelkreislaufes zum Beispiel mit dem Kältemittel Kohlendioxid auftreten. Ein überkritischer Betrieb mit Kohlendioxid als Kältemittel geht aus dem Druck-Enthalpie-Diagramm nach 1b hervor.
Nach dem Austritt aus dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 8 wird das Kältemittel durch die Ventilanordnung 4, 4' in den Sammler 9 geleitet, in welchem das zwei Phasen aufweisende Kältemittel in eine dampfförmige und eine flüssige Phase getrennt wird. Das dampfförmige Kältemittel wird vom Verdichter 2 angesaugt und dabei durch den inneren Wärmeübertrager 6 geführt. Unter dem inneren Wärmeübertrager 6 ist ein kreislaufinterner Wärmeübertrager zu verstehen, welcher der Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel bei Hochdruck und dem Kältemittel bei Niederdruck dient. Dabei wird beispielsweise einerseits das flüssige Kältemittel bei Hochdruck zwischen den Vorgängen der Kondensation und der Expansion, das heißt nach dem Ausströmen aus dem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5, weiter abgekühlt und andererseits das Sauggas bei Niederdruck vor dem Eintreten in den Verdichter 2 überhitzt.
Der Kältemittelkreislauf weist zudem einen zum Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 8 strömungstechnisch parallel geschalteten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 10 auf, welcher innerhalb eines Strömungspfades 17 mit einem zusätzlichen zweiten Expansionsorgan 12 und einem Rückschlagventil 11 ausgebildet ist. Der Strömungspfad 17 erstreckt sich dabei von einem zwischen dem inneren Wärmeübertrager 6 und dem ersten Expansionsorgan 7 angeordneten Abzweig 18 bis zu einer zwischen dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 8 und der Ventilanordnung 4, 4' angeordneten Mündungsstelle 19. Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im reinen Kälteanlagenmodus ist das Expansionsorgan 12 geschlossen, sodass der Strömungspfad 17 und damit auch der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 10 nicht von Kältemittel durchströmt werden.
Das Klimatisierungssystem 1 weist luftseitig zudem einen dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 8 in Strömungsrichtung 15 nachgeschalteten Heizwärmeübertrager 13 auf. Der Heizwärmeübertrager 13 ist als eine Komponente des Kühlmittelkreislaufs ausgebildet, welche auch den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 3 umfasst und wird beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Kälteanlagenmodus nicht mit Kühlmittel beaufschlagt.
2 zeigt das Klimatisierungssystem 1 mit dem Kältemittelkreislauf beim Betrieb im Modus zur Kühlung einer Komponente des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs, beispielsweise der Batterie. Der Unterschied zum Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Kälteanlagenmodus nach 1a besteht in der Durchströmung der Niederdruckseite. Das Kältemittel strömt nach dem Austritt aus dem inneren Wärmeübertrager 6 über den Abzweig 18 durch den Strömungspfad 17 zum Mündungsstelle 19 und damit durch das zweite Expansionsorgan 12 zum Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 10 und das Rückschlagventil 11. Das zweite Expansionsorgan 12 ist folglich geöffnet, das hindurchströmende Kältemittel wird auf einen Niederdruck beziehungsweise einen Verdampfungsdruck entspannt, während das erste Expansionsorgan 7 geschlossen ist. Der als Verdampfer des Kältemittels betriebene Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 10 wird gleichzeitig in Strömungsrichtung 20 mit Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs, insbesondere eines Niedertemperatur-Kühlmittelkreislaufs, beaufschlagt. Das Kältemittel nimmt die Wärme vom Kühlmittel auf, welches dabei abgekühlt wird, um anschließend beispielsweise die Kühlung einer Komponente des Antriebsstrangs zu gewährleisten. Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Modus zur Kühlung einer Komponente des Antriebsstrangs ist das Expansionsorgan 7 geschlossen, sodass der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 8 nicht mit Kältemittel durchströmt wird.
Die in Strömungsrichtung 16 über den Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 geleitete Luft wird nach der Aufnahme der Wärme aus dem Kältemittelkreislauf in die Umgebung geleitet. Alternativ kann die beim Überströmen des als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 5 erwärmte Luft je nach Bedarf auch in den Fahrgastraum geleitet werden. Dabei kann der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 mit Frischluft aus der Umgebung, Umluft aus dem Fahrgastraum oder einer Mischung aus Frischluft und Umluft beaufschlagt werden.
Aus 3 geht das Klimatisierungssystem 1 mit dem Kältemittelkreislauf beim kombinierten Betrieb im Kälteanlagenmodus und im Modus zur Kühlung einer Komponente des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs hervor. Der Unterschied zum Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Kälteanlagenmodus nach 1a besteht, wie schon beim Modus nach 2, in der Durchströmung der Niederdruckseite. Das Kältemittel strömt, wie beim Modus nach 2, über den Abzweig 18 durch den Strömungspfad 17 zum Mündungsstelle 19 und damit durch das zweite Expansionsorgan 12 zum Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 10 und das Rückschlagventil 11. Das zweite Expansionsorgan 12 ist folglich geöffnet, das hindurchströmende Kältemittel wird auf Niederdruck beziehungsweise Verdampfungsdruck entspannt. Der als Verdampfer des Kältemittels betriebene Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 10 wird gleichzeitig in Strömungsrichtung 20 mit Kühlmittel des bevorzugt als Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf ausgebildeten Kühlmittelkreislaufs durchströmt, welches Wärme vom Kühlmittel aufnimmt und dabei abgekühlt wird, um beispielsweise die Kühlung einer Komponente des Antriebsstrangs zu gewährleisten. Auch das erste Expansionsorgan 7 ist geöffnet. Beim Durchströmen des ersten Expansionsorgans 7 wird das Kältemittel ebenfalls auf Verdampfungsdruck entspannt und nachfolgend durch den als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 8 geführt, welcher zum Abkühlen beziehungsweise Entfeuchten des dem Fahrgastraum zuzuführenden in Strömungsrichtung 15 geleiteten Luftmassenstroms dient.
Der Massenstrom des Kältemittels wird auf der Niederdruckseite, insbesondere am Abzweig 18, folglich in einen ersten Teilmassenstrom durch den Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 8 und einen zweiten Teilmassenstrom durch den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 10 geleitet. Nach Aufnahme von Wärme aus dem dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstrom und aus dem Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf werden die Teilmassenströme an der Mündungsstelle 19 wieder vereint und zur Ventilanordnung 4, 4' geführt.
Die in Strömungsrichtung 16 über den Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 geleitete Luft wird nach der Aufnahme der Wärme aus dem Kältemittelkreislauf in die Umgebung geleitet. Alternativ kann die beim Überströmen des als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 5 erwärmte Luft je nach Bedarf auch in den Fahrgastraum geleitet werden. Dabei kann der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 mit Frischluft aus der Umgebung, Umluft aus dem Fahrgastraum oder einer Mischung aus Frischluft und Umluft beaufschlagt werden.
In 4 ist das Klimatisierungssystem 1 mit dem Kältemittelkreislauf beim Betrieb im Nachheizmodus und in 5 ist das Klimatisierungssystem 1 mit dem Kältemittelkreislauf beim kombinierten Betrieb im Nachheizmodus und im Modus zur Kühlung einer Komponente des Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs dargestellt.
Der Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Nachheizmodus nach 4 unterscheidet sich vom Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Kälteanlagenmodus nach 1a sowie der kombinierte Betrieb im Nachheizmodus und im Modus zur Kühlung einer Komponente des Antriebsstrangs nach 5 unterscheidet sich vom kombinierten Betrieb im Kälteanlagenmodus und im Modus zur Kühlung einer Komponente des Antriebsstrangs nach 3 jeweils lediglich dadurch, dass die im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 3 vom überhitzten Kältemittel an das Kühlmittel übertragene Wärme vom Kühlmittel zumindest zum Teil an den dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstrom übertragen wird. Wenn die Wärme nicht vollständig an den dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstrom abgegeben wird, kann ein Teil der Wärme zum Beispiel auch an die Umgebungsluft abgeführt werden. Zur Wärmeabgabe vom Kühlmittel an den dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstrom wird zumindest ein Teilmassenstrom des erwärmten Kühlmittels in Strömungsrichtung 14' durch den dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 8 in Strömungsrichtung 15 nachgeschalteten Heizwärmeübertrager 13 geleitet. Der in Strömungsrichtung 15 durch das Gehäuse des Klimatisierungssystems 1 geleitete Luftmassenstrom wird beim Überströmen des als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 8 abgekühlt und/oder entfeuchtet und anschließend beim Überströmen des Heizwärmeübertragers 13 erwärmt.
Die in Strömungsrichtung 16 über den als Kondensator/Gaskühler betriebenen, Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 geleitete Luft wird nach der Aufnahme der Wärme aus dem Kältemittelkreislauf in die Umgebung geleitet. Alternativ kann die beim Überströmen des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 5 erwärmte Luft je nach Bedarf auch in den Fahrgastraum geleitet werden. Dabei kann der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 mit Frischluft aus der Umgebung, Umluft aus dem Fahrgastraum oder einer Mischung aus Frischluft und Umluft beaufschlagt werden.
6a zeigt das Klimatisierungssystem 1 mit dem Kältemittelkreislauf beim Betrieb im Wärmepumpenmodus. In 6b ist das zum Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Wärmepumpenmodus gehörende Druck-Enthalpie-Diagramm dargestellt. Dabei sind die Änderungen der Zustände beim Durchströmen der einzelnen Komponenten des Kältemittelkreislaufs mit den Bezugszeichen der Komponenten gezeigt. Die Strömungsrichtung des Kältemittels ist in 6a mit Pfeilen aus gestrichelten Linien gekennzeichnet.
Beim Durchströmen des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 3 werden die Enthitzungswärme und ein Teil der Kondensationswärme oder zumindest ein Teil der Enthitzungswärme des Kältemittels im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 3 an das in Strömungsrichtung 14 zirkulierende Kühlmittel übertragen. Die in Strömungsrichtung des Kältemittels dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 3 nachfolgend angeordnete Ventilanordnung 4, 4' ist derart geschaltet, dass das Kältemittel zum zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 8 geleitet wird, welcher beim Betrieb im Wärmepumpenmodus als Kondensator/Gaskühler betrieben wird. Der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 8 wird mit einem in Strömungsrichtung 15 geführten, dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstrom beaufschlagt. Die Wärme wird dabei vom Kältemittel an den Luftmassenstrom übertragen, welcher dabei erwärmt wird. Nachfolgend strömt das Kältemittel durch das erste Expansionsorgan 7, wird dabei auf Verdampfungsdruck entspannt und anschließend durch den inneren Wärmeübertrager 6 zum ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 geleitet.
Der Strömungspfad 17 mit dem zum Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 8 strömungstechnisch parallel geschalteten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 10 wird beim Betrieb im Wärmepumpenmodus vom Kältemittel nicht durchströmt. Das Rückschlagventil verhindert ein Einströmen des Kältemittels aus Richtung der Mündungsstelle 19. Das Expansionsorgan 12 ist vorzugsweise geschlossen.
Der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 wird als Verdampfer betrieben und dient zur Übertragung von Wärme von der in Strömungsrichtung 16 über den Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 geleiteten Umgebungsluft an das Kältemittel. Die Umgebungsluft dient als Wärmequelle. Nach dem Austritt aus dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 wird das Kältemittel durch die Ventilanordnung 4, 4' in den Sammler 9 geleitet, in welchem das zwei Phasen aufweisende Kältemittel in eine dampfförmige und eine flüssige Phase getrennt wird. Das dampfförmige Kältemittel wird vom Verdichter 2 angesaugt und dabei durch den inneren Wärmeübertrager 6 geführt. Wie insbesondere auch aus 6b hervorgeht, wird im inneren Wärmeübertrager 6 keine oder lediglich eine vernachlässigbar geringe Wärme übertragen. Da das vor dem Eintritt in den inneren Wärmeübertrager 6 beim Durchströmen des Expansionsorgans 7 auf Niederdruck entspannte Kältemittel im Wesentlichen bei Verdampfungstemperatur vorliegt und auch auf dem Niederdruckniveau mit Verdampfungstemperatur oder lediglich leicht überhitzt aus dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertager 5 ausströmt, weist das Kältemittel auf beiden Seiten des inneren Wärmeübertragers 6 gleiche oder zumindest sehr ähnliche Temperaturen auf. Beim Betrieb im Wärmepumpenmodus wird der innere Wärmeübertrager 6 vom Kältemittel im Gleichstrom durchströmt. Im Vergleich dazu wird der innere Wärmeübertrager 6 sowohl beim Betrieb im Kälteanlagenmodus gemäß den 1a, 2 und 3 als auch beim Betrieb im Nachheizmodus gemäß den 4 und 5 im Gegenstrom betrieben.
Beim Betrieb im Wärmepumpenmodus wird die über den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 3 an das im Kühlmittelkreislauf zirkulierende Kühlmittel, insbesondere Hochtemperatur-Kühlmittel, übertragene Wärme im Heizwärmeübertrager 13 an die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft wieder abgegeben. Die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft, beispielsweise Umgebungsluft mit einer sehr geringen Temperatur, Umluft aus dem Fahrgastraum oder eine Mischung aus Umgebungsluft und Umluft, wird in zwei Schritten, das heißt unter Wärmeaufnahme beim Durchströmen des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 8 sowie einer zusätzlichen Wärmeaufnahme beim Durchströmen des Heizwärmeübertragers 13, erwärmt. Mit der mehrstufigen Erwärmung der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft mittels des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 8 in der ersten Stufe und des Heizwärmeübertragers 13 in der zweiten Stufe können die Leistungszahl beziehungsweise die Effizienz des Klimatisierungssystems beim Betrieb im Wärmepumpenmodus, insbesondere im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Systemen mit einer einstufigen Erwärmung der Luft mit Kühlmittel über einen Heizwärmeübertrager, deutlich erhöht werden. Zum einen kann das Kältemittel im Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 8 aufgrund einer großen möglichen Temperaturspreizung zwischen Eintritt und Austritt stark unterkühlt werden und dadurch die für den Betrieb im Wärmepumpenmodus maßgebliche Enthalpiedifferenz vergrößert werden. Die Temperaturspreizung ist ansonsten begrenzt, um zu große Temperaturunterschiede der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft zu vermeiden, das heißt die Temperaturschichtung zu limitieren. Mit einer Enthitzung und Kondensation des Kältemittels ausschließlich im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 3 könnte das Kältemittel aufgrund der begrenzten Temperaturspreizung des Kühlmittels nicht auf eine derart geringe Temperatur unterkühlt werden. Das Kältemittel kann jedoch infolge der nachfolgenden zweiten Stufe der Erwärmung der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft mittels des Heizwärmeübertragers 13 am Austritt aus dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 8 auf eine Temperatur weit unterhalb einer Eintrittstemperatur des Kühlmittels in den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 3 abgekühlt werden.
Mit dem Heizwärmeübertrager 13 der zweiten Stufe der Erwärmung der Luft wird zudem eine Temperaturschichtung sichergestellt, welche den Komfortansprüchen im Fahrgastraum entspricht. Dabei wird zum anderen gewährleistet, dass das Kühlmittel eine festgelegte Temperaturspreizung nicht überschreitet.
Aus den 7a und 7b geht jeweils eine Ventilanordnung 4, 4' zum Umschalten des Kältemittelkreislaufs zwischen verschiedenen Betriebsmodi des Klimatisierungssystems 1 hervor. Die Ventilanordnungen 4, 4' sind mit vier Anschlüssen für Kältemittelleitungen ausgebildet. 7a zeigt eine Ventilanordnung 4, aufweisend vier Absperrventile 21, 22, während die Ventilanordnung 4' nach 7b mit zwei Drei-Wege-Ventilen versehen ist.
Bei der Ventilanordnung 4 aus 7a sind strömungstechnisch jeweils zwei Absperrventile 21 mit einer NO-Charakteristik und zwei Absperrventile 22 mit einer NC-Charakteristik parallel zueinander geschaltet angeordnet. Ein Ventil mit einer NO-Charakteristik ist im ungeschalteten und damit im unbestromten Zustand „offen“, wobei NO für „normally open“ steht. Ein Ventil mit einer NC-Charakteristik ist im ungeschalteten, unbestromten Zustand „geschlossen“. NC steht dabei für „normally closed“. Bei der Ventilanordnung 4 sind der Einlass eines ersten Absperrventils 21 und der Einlass eines ersten Absperrventils 22 miteinander sowie mit einer ersten Kältemittelleitung verbunden. Der Auslass des ersten Absperrventils 21 und der Einlass eines zweiten Absperrventils 22 sind miteinander sowie mit einer zweiten Kältemittelleitung gekoppelt, während der Auslass des ersten Absperrventils 22 und der Einlass eines zweiten Absperrventils 21 miteinander und mit einer dritten Kältemittelleitung gekoppelt sind. Schließlich sind der Auslass des zweiten Absperrventils 21 und der Auslass des zweiten Absperrventils 22 miteinander sowie mit einer ersten Kältemittelleitung verbunden. Das Kältemittel strömt dabei bei den Betrieben im Kälteanlagenmodus und im Nachheizmodus durch die geöffneten Absperrventile 21 mit NO-Charakteristik, während die Absperrventile 22 mit NC-Charakteristik geschlossen sind. Beim Betrieb im Wärmepumpenmodus strömt das Kältemittel durch die geöffneten Absperrventile 22 mit NC-Charakteristik, während die Absperrventile 21 mit NO-Charakteristik geschlossen sind.
Bei der Ventilanordnung 4' aus 7b sind zwei Drei-Wege-Ventile 23 über Kältemittelleitungen miteinander gekoppelt angeordnet. Dabei wird ein erstes Drei-Wegeventil 23 mit einem Einlass und zwei Auslässen sowie ein zweites Drei-Wege-Ventil 23 mit zwei Einlässen und einem Auslass betrieben. Die zwei Auslässe des ersten Drei-Wege-Ventils 23 sind über jeweils eine Kältemittelleitung mit einem Einlass des zweiten Drei-Wege-Ventils 23 verbunden, wobei die die Auslässe mit den Einlässen verbindenden Kältemittelleitungen jeweils einen beispielsweise als T-Stück ausgebildeten Abzweig aufweisen.
Bezugszeichenliste

1: Klimatisierungssystem
2: Verdichter
3: Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
4, 4': Ventilanordnung
5: erster Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager
6: innerer Wärmeübertrager
7: erstes Expansionsorgan
8: zweiter Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager
9: Sammler
10: Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
11: Rückschlagventil
12: zweites Expansionsorgan
13: Heizwärmeübertrager Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf
14, 14': Strömungsrichtung Kühlmittel Hochtemperatur-Kühlmittelkreislauf
15, 16: Strömungsrichtung Luft
17: Strömungspfad
18: Abzweig
19: Mündungsstelle
20: Strömungsrichtung Kühlmittel Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf
21: Absperrventil mit NO-Charaktersitik
22: Absperrventil mit NO-Charaktersitik
23: Drei-Wege-Ventil

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

EP 2629040 A2 [0004]
US 8156754 B2 [0008, 0009]

Claims

Klimatisierungssystem (1) zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs, aufweisend – einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter (2), einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (3) zur Enthitzung des Kältemittels nach der Verdichtung, sowie einem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) und einem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (8) sowie – mindestens einen Kühlmittelkreislauf, welcher mit einem Heizwärmeübertrager (13) zur Erwärmung eines dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms ausgebildet ist, wobei der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (3) als eine Komponente des den Heizwärmeübertrager (13) aufweisenden Kühlmittelkreislaufs ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Klimatisierungssystem (1) für einen Betrieb im Kälteanlagenmodus, im Wärmepumpenmodus sowie im Nachheizmodus zum Heizen, Kühlen und Entfeuchten der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft ausgebildet ist, wobei der Kältemittelkreislauf eine Ventilanordnung (4, 4') zum Umschalten des Klimatisierungssystems (1) zwischen verschiedenen Betriebsmodi aufweist.
Klimatisierungssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung (4, 4') in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (3) ausgebildet ist.
Klimatisierungssystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung (4, 4') in Strömungsrichtung des Kältemittels je nach Betriebsmodus zwischen dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (3) und dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) oder zwischen dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (3) und dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (8) angeordnet ist, wobei das Kältemittel zur Enthitzung und zur Wärmeabgabe an ein Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs durch den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager (3) sowie zur Verflüssigung und zur Wärmeabgabe an Luft durch einen der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5, 8) geleitet wird.
Klimatisierungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (8) abhängig vom Betriebsmodus des Klimatisierungssystems (1) als Verdampfer oder als Verflüssiger des Kältemittels betreibbar ausgebildet ist.
Klimatisierungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) abhängig vom Betriebsmodus des Klimatisierungssystems (1) als Verdampfer oder als Verflüssiger des Kältemittels betreibbar ausgebildet ist.
Klimatisierungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (8) des Kältemittelkreislaufs und der Heizwärmeübertrager (13) des Kühlmittelkreislaufs in Strömungsrichtung (15) der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft nacheinander angeordnet und mit der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft nacheinander beaufschlagbar sind.
Klimatisierungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) und der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (8) sowie ein erstes Expansionsorgan (7) vom Kältemittel bidirektional durchströmbar ausgebildet sind.
Klimatisierungssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung (4, 4') als ein Vier-Wege-Ventil ausgebildet ist, wobei – die Ventilanordnung (4) vier Absperrventile (21, 22) aufweist, wobei zwei Absperrventile (21) mit einer NO-Charakteristik und zwei Absperrventile (22) mit einer NC-Charakteristik ausgebildet sind, oder – die Ventilanordnung (4') aus zwei Drei-Wege-Ventilen (23) ausgebildet ist, wobei ein erstes Drei-Wege-Ventil (23) einen Einlass und zwei Auslässe sowie ein zweites Drei-Wege-Ventil (23) zwei Einlässe und einen Auslass aufweisen.
Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems (1) zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Klimatisierungssystem (1) zwischen einem Betrieb im Kälteanlagenmodus oder im Wärmepumpenmodus oder im Nachheizmodus zum Konditionieren der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft mit einer in einem Kältemittelkreislauf ausgebildeten Ventilanordnung (4, 4') umgeschaltet wird, wobei das Kältemittel nach dem Verdichten in einem Verdichter (2) und vor dem Einströmen in die Ventilanordnung (4, 4') zumindest teilweise enthitzt oder enthitzt und zumindest teilweise verflüssigt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel beim Durchströmen eines Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers (3) zumindest teilweise enthitzt oder enthitzt und zumindest teilweise verflüssigt wird, wobei Wärme vom Kältemittel an das Kühlmittel übertragen wird und die vom Kühlmittel aufgenommene Wärme je nach Bedarf in einem Heizwärmeübertrager (13) an die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft übertragbar ist.