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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kältemittel-Akkumulator für einen Kältemittelkreislauf, insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Gattungsgemäße Kältemittel-Akkumulatoren umfassen dazu eine Kammer, einen Einlass in die Kammer und eine Saugleitung, deren Eingangsöffnung in der Kammer angeordnet ist und deren Ausgangsöffnung einen Auslass aus der Kammer bildet. Zwischen dieser Eingangsöffnung und dieser Ausgangsöffnung ist im unteren Bereich der Kammer eine Zuführöffnung vorgesehen, deren Öffnungsquerschnitt klein ist im Vergleich mit dem Öffnungsquerschnitt der Saugleitung. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Kältemittelkreislauf mit zwei Kompressoren und einem solchen Kältemittel-Akkumulator sowie ein Verfahren, einen solchen Kältemittelkreislauf zu Steuern. Der Kältemittel-Akkumulator wird im Folgenden auch kurz als Akkumulator bezeichnet.
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Bei einem Kältemittelkreislauf wird Kältemittel in einem Kompressor verdichtet, durchströmt einen Kondensator, in dem Wärme nach außen abgegeben wird und das Kältemittel dadurch wenigstens teilweise kondensiert. Das Kältemittel wird beim Passieren eines Expansionsorgans entspannt und durchströmt nachfolgend einen Verdampfer, in dem das Kältemittel Wärme aufnimmt, um von dort als sogenanntes Sauggas vom Kompressor angesaugt zu werden. Weil das Kältemittel im ersten Leitungsabschnitt zwischen Kompressor und Expansionsorgan auf einem höheren Druckniveau als im zweiten Leitungsabschnitt zwischen dem Expansionsorgan und dem Kompressor geführt wird, wird der erste Leitungsabschnitt auch als Hochdruckseite und der zweite Leitungsabschnitt als Niederdruckseite bezeichnet. Das Temperaturniveau liegt dabei auf der Hochdruckseite über dem der Niederdruckseite.
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Ein im Kältemittelkreislauf angeordneter Akkumulator scheidet aus dem Verdampfer kommendes flüssiges Kältemittel ab, speichert es und sorgt somit dafür, dass dem Kompressor über die Saugleitung hauptsächlich gasförmiges Kältemittel zugeführt wird. Über die Zuführöffnung wird dem Sauggas in der Saugleitung eine geringe Menge an flüssigem Kältemittel und mitgeführtem Schmieröl zugeführt, welche in den unteren Bereich der Kammer des Akkumulators absinken. Bei geeigneter Größenwahl der Zuführöffnung lassen sich auf diese Weise der Zustand des Kältemittels am Auslass sowie das Mitführen an Schmieröl einstellen.
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Es ist bekannt, mehrere Kompressoren in einem Kältemittelkreislauf vorzusehen. Beispielsweise offenbart die
DE 10 2005 036350 A1 einen Kältemittelkreislauf für ein Kraftfahrzeug, in welchem zwischen zwei Kompressoren umgeschaltet werden kann. Dabei wird anstelle eines mechanisch angetriebenen Kompressors, welcher für die Phasen während des Motorbetriebs des Kraftfahrzeugs vorgesehen sind, bei Stillstand des Kraftfahrzeugs ein elektrisch angetriebener Kompressor verwendet. Ferner offenbart beispielsweise die
DE 10 2006 036282 A1 einen Kältemittelkreislauf, bei welchem sich der Hochdruckbereich in zwei parallele Äste mit jeweils einem Wärmetauscher und einem Kompressor verzweigt.
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Der parallele Betrieb zweier Kompressoren in einem Kältemittelkreislauf ist nicht unproblematisch. Am Abzweigpunkt stromaufwärts der beiden parallel zu betreibenden Kompressoren muss eine ungleiche Verteilung von flüssigem und gasförmigen Kältemittel sowie eine ungleiche Verteilung von Schmieröl vermieden werden. Dies kann insbesondere dann eintreten, wenn beide Kompressoren nicht mit derselben Saugleistung arbeiten, die Querschnitte der Saugleitungen nicht entsprechend an die ggf. unterschiedlichen Saugleistungen angepasst sind und/oder die beiden verwendeten Kompressoren nicht baugleich sind. Als Folge könnte eintreten, dass der Dampfgehalt in beiden Verzweigungen unterschiedlich ist und dass sogar der Anteil des mitgeführten Schmieröls unterschiedlich ist. Eine zu niedrige Schmierung wäre dann wiederum schädlich für den betroffenen Kompressor.
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Als Gegenmaßnahmen sind beispielsweise andere Steuerungsorgane bekannt. Im oben erwähnten Fall der
DE 10 2006 036282 A1 wird die Qualität des Sauggases durch die Konfiguration des Kältemittelkreislaufs mit einer Ejektorpumpe beeinflusst. Ferner sind Ölabscheider bekannt, welche eine zu geringe Schmierung der Kompressoren verhindern können.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Akkumulator und einen Kältemittelkreislauf mit einem solchen Akkumulator und zwei Kompressoren bereitzustellen, welche einen zuverlässigeren Betrieb für die verschiedenen Betriebszustände ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch einen Akkumulator mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einen Kältemittelkreislauf mit den Merkmalen des Anspruchs 4 sowie einem Verfahren zum Steuern eines Kältemittelkreislaufs mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen ergeben aus den abhängigen Ansprüchen.
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Der erfindungsgemäße Kältemittel-Akkumulator ist gekennzeichnet durch eine zweite Saugleitung, deren Eingangsöffnung in der Kammer angeordnet ist, deren Ausgangsöffnung einen Auslass aus der Kammer bildet und wobei zwischen dieser Eingangsöffnung und dieser Ausgangsöffnung im unteren Bereich der Kammer eine zweite Zuführöffnung vorgesehen ist, deren Öffnungsquerschnitt klein ist im Vergleich mit dem Öffnungsquerschnitt der zweiten Saugleitung. Die zweite Saugleitung in der Kammer des Akkumulators stellt somit eine Zuleitung für einen zweiten, im Kältemittelkreislauf parallel zu betreibenden Kompressor zur Verfügung. Die Eingangsöffnungen beider Zuleitungen können dabei so angeordnet werden, dass sie beide in einem Bereich der Kammer liegen, in der gasförmiges Kältemittel vorliegt. Bei geeigneter Dimensionierung der Zuführöffnung kann somit sichergestellt werden, dass die Zusammensetzung des Kältemittels in beiden Saugleitungen sich nicht gegenseitig beeinflussen, insbesondere dass die Qualität des Sauggases annähernd identisch ist.
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Die Kammer kann auch durch mehrere Einzelkammern gebildet werden, welche in fluiddynamischer Verbindung miteinander stehen. Wichtig ist dabei lediglich, dass sowohl im unteren Bereich der Kammern, also dort, wo sich flüssiges Kältemittel und Schmiermittel sammelt, als auch im oberen Bereich der Kammern, also dort, wo gasförmiges Kältemittel vorliegt, jeweils ein fluider Austausch zwischen den Kammern sichergestellt wird. Beispielsweise können zwei herkömmliche Akkumulator-Kammern durch Leitungen miteinander verbunden werden, wobei dann jede Kammer jeweils eine Saugleitung umfasst. So kann ggf. auf eine Neuentwicklung einer gemeinsamen Akkumulator-Kammer mit zwei Saugleitungen verzichtet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Zuführöffnungen im unteren Bereich der Kammer in räumlicher Nähe zueinander angeordnet. Dies stellt sicher, dass auch bei Neigung des Kraftfahrzeugs der Pegel der flüssigen Phase (Kältemittel mit Schmiermittel) für beide Zuführöffnungen ausreichend hoch liegt.
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Die erste und zweite Saugleitung können unterschiedlicher Bauart sein. Beispielsweise ist eine der Saugleitungen mit einem obengenannten Krümmabschnitt versehen und die andere Saugleitung koaxial ausgestaltet. Vorteilhafterweise ist aber vorgesehen, dass die erste und zweite Saugleitung denselben Leitungsquerschnitt aufweisen und die jeweiligen Zuführöffnungen gleich groß sind. Insbesondere sind beide Saugleitungen identisch. Dies stellt nicht nur identische Zuführeigenschaften des Sauggasgemisches sicher (d.h. dieselbe Mischung aus flüssigem und gasförmigem Kältemittel sowie Schmiermittel), sondern vereinfacht den logistischen Aufwand und reduziert eine Fehlzuordnung der Saugleitungen zu den jeweiligen Kompressoren bei der Montage.
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Die Saugleitungen können nach an sich bekannter Art bereitgestellt werden. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weisen die erste und zweite Saugleitung von deren Eingangsöffnung zu deren Ausgangsöffnung jeweils einen absteigenden Abschnitt auf, welcher über einen Krümmabschnitt im unteren Bereich der Kammer in einen aufsteigenden Abschnitt übergeht. Die Eingangsöffnungen liegen dabei knapp unterhalb des Deckels der Kammer und die Zuführöffnungen sind jeweils in den Krümmabschnitten vorgesehen. Ein Akkumulator mit einer solchen Saugleitung ist beispielsweise in der
DE 23 38 125 A1 offenbart.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind die Saugleitungen koaxial ausgebildet, wobei ein absteigender Abschnitt zum Fördern des Sauggases aus dem oberen Bereich der Kammer außen verläuft und ein aufsteigender Abschnitt innen verläuft und aus der Kammer herausgeführt wird. Die Saugleitung ist somit zylinderförmig, wobei die Zuführöffnungen dann an der unteren Bodenfläche des Zylinders angeordnet sind. Es kann dann ein gemeinsamer absteigender Abschnitt für beide Saugleitungen und getrennte aufsteigende Abschnitte für je eine der Saugleitungen vorgesehen sein. In diesem Fall trennen sich die Saugleitungen erst im unteren Bereich der Kammer und ggf. fallen beide Zuführöffnungen an der Bodenfläche des Zylinders zusammen.
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Der erfindungsgemäße Kältemittelkreislauf ist dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des zuvor beschriebenen Kältemittel-Akkumulators ein erster Kompressor mit der Ausgangsöffnung der ersten Saugleitung und ein zweiter Kompressor mit der Ausgangsöffnung der zweiten Saugleitung verbunden ist und dass beide Kompressoren parallel im Kältemittelkreislauf betreibbar sind. Die parallel betriebenen Kompressoren arbeiten dann wie ein einzelner, größerer Kompressor. Dadurch kann auf die Entwicklung eines größeren Kompressors verzichtet werden, was besonders dann vorteilhaft ist, wenn die zu erwartenden Stückzahlen eines solch größeren Kompressors eine Neuentwicklung wirtschaftlich unrentabel machen würde. Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Akkumulators wird eine vergleichbare Sauggasqualität und somit ein stabilerer Parallelbetrieb beider Kompressoren sichergestellt. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Akkumulators wirken sich hier auf den Betrieb und die Betreibbarkeit des Kältemittelkreislaufs aus.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung haben die beiden parallel betreibbaren Kompressoren ein unterschiedliches Fördervolumen und/oder eine unterschiedliche Maximalleistung. Dies bietet im Betrieb insbesondere dann eine Wahlfreiheit, wenn bei mittlerer oder niedriger Last einer der beiden Kompressoren ausgeschaltet werden kann, wobei im Niederlastbetrieb das Abschalten des größeren Kompressors vorteilhaft ist, wie dies weiter unten noch näher erläutert wird.
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Der Kältemittelkreislauf kann an sich auf beliebige Weise nach dem Stand der Technik konfiguriert sein. Dabei können die beiden Kompressoren beispielsweise unterschiedliche Zweige des Hochdruckabschnitts versorgen. In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs ist vorgesehen, dass die stromabwärts von den Kompressoren angeordneten Hochdruckleitungen im Hochdruckabschnitt wieder zusammentreffen. Sie können dabei vor dem Zusammentreffen Hochdruckwärmetauscher durchströmen oder auch nicht. In letzterem Falle kann damit eine Kompressor-Einheit gebildet werden, bei welcher die beiden Kompressoren quasi wie ein einzelner, größerer Kompressor fungieren.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind stromaufwärts von dem Akkumulator ein erster Niederdruckwärmetauscher und ein zweiter, parallel dazu betriebener Niederdruckwärmetauscher fluiddynamisch mit dem Einlass in die Kammer des Akkumulators verbunden. Die von diesen Niederdruckwärmetauschern kommenden Niederdruckleitungen werden dann vor oder im Akkumulator zusammengeführt, wobei das Zusammenführen beider Niederdruckabschnitte an sich beliebig ausgestaltet sein kann. Es wird durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Akkumulators sichergestellt, dass Sauggas, welches aus den zwei typischerweise unterschiedlichen Niederdruckwärmetauschern oder zumindest unterschiedlich betriebenen Niederdruckwärmetauschern angeströmt kommt und ggf. unterschiedlicher Qualität ist, sich im Akkumulator mischt und ausgangsseitig der Akkumulator eine vergleichbare Sauggasqualität zur Verfügung stellt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die parallel betriebenen Niederdruckwärmetauscher über zwei separate Leitungen mit der Kammer verbunden, d.h. das Kältemittel wird erst am Eingang des Akkumulators vermischt. Dadurch können die Leitungsquerschnitte kleiner sein als dies nach der Zusammenführung (wegen des größeren Massenstrom) nötig wäre. Dies hat den Vorteil, dass auch bei niedriger Last auf wenigstens einer der beiden noch nicht zusammengeführten Niederdruckleitungen ein Mitführen von Schmiermittel gegebenenfalls erleichtert wird. Die zwei noch separaten Niederdruckleitungen können dabei aber räumlich integriert sein, z.B. halbkreisförmig, koaxial oder in anderer geeigneter Weise räumlich platzsparend angegeben sein.
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Gemäß Ausgestaltungen der Erfindung können der erste Niederdruckwärmetauscher zur Klimatisierung einer Kraftfahrzeugklimaanlage und der zweite Niederdruckwärmetauscher zum Kühlen eines elektrischen oder elektrochemischen Aggregats vorgesehen sein. Zu den elektrischen oder elektrochemischen Aggregaten zählen Fahrzeugbatterien und Brennstoffzellen, insbesondere zur Verwendung für den Antrieb eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Hochdruckabschnitt ein Wärmetauscher angeordnet oder zuschaltbar ist, welcher zum Heizen von Luft und/oder eines Heizfluids verwendet wird. Die Verwendung eines zuvor angegebenen Akkumulators ist insbesondere für Konfiguration des Kältemittelkreislaufs im Wärmepumpenbetrieb sinnvoll.
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Im Wärmepumpenbetrieb kann dann das geheizte Heizfluid und/oder die geheizte Luft zum Klimatisieren der Fahrgastzelle und/oder eines elektrischen oder elektrochemischen Aggregats verwendet werden. Ein Heizfluid kann insbesondere durch Wasser, einer wasserbasierten Lösung, beispielsweise einem Wasser-Glykol-Gemisch, oder alternativ auch durch Öl bereitgestellt werden, ohne auf die vorgenannten Flüssigkeiten beschränkt zu sein. Zu den Vorzügen eines Heizfluids anstelle von Luft als Wärmetauschmedium (auch als indirekter (Heiz)-Kreislauf oder Sekundärkreislauf bezeichnet) zählt unter anderem, dass einerseits der zu klimatisierende Bereich gar nicht mehr direkt mit dem von dem Kältemittel durchströmten Wärmetauscher in Kontakt steht. Der Kältemittelkreislauf kann damit als abgetrennte Einheit ausgebildet werden. Andererseits kann über einen wasserbasierten Sekundärkeislauf Abwärme aus dem Kraftfahrzeug als zusätzliche Wärmequelle bereitgestellt werden. Dies ist vorteilhaft für eine Kraftfahrzeugklimaanlage, insbesondere für Elektrofahrzeuge, wodurch die Abwärme elektrischer Komponenten, z.B. von Batterien, Konvertern oder Invertern, eingesammelt werden kann. Des Weiteren kann die Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor auf einfache Weise für ein ansonsten gleiches Kraftfahrzeug mit elektrischem Antrieb angepasst werden. Dazu kann dann der vormals vom Motorkühlwasser gespeiste Heizwärmetauscher beibehalten werden und stattdessen von dem Heizwasser gespeist werden, welches durch den Hochdruckwärmetauscher im Sekundärkreislauf geheizt wurde.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufs im Kühlbetrieb und/oder Wärmepumpenbetrieb vorgeschlagen, wobei unter Verwendung eines zuvor angegebenen Kältemittelkreislaufs die beiden Kompressoren separat angesteuert werden. Die Vorteile des Betriebs eines solchen Kältemittelkreislaufs ergeben sich aus den zuvor genannten Vorteilen des erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs. In Verbindung mit einem Elektrofahrzeug kann dabei vorteilhafterweise genutzt werden, dass die erhöhte Leistung nicht nur zum Klimatisieren der Fahrgastzelle, sondern auch zum Kühlen eines elektrischen oder elektrochemischen Aggregats, insbesondere der Fahrzeugantriebsbatterie, verwendet werden kann. Es kann dabei insbesondere vorgesehen sein, dass eine hohe Lastanforderung durch den Ladevorgang der Fahrzeugantriebsbatterie automatisch erkannt wird und der Kältemittelkreis entsprechend angesteuert wird, d.h. dass ggf. beide Kompressoren mit maximaler Last parallel betrieben werden.
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Nach einer Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass bei niedriger Last der Kompressor mit dem größeren Fördervolumen und/oder der größeren Maximalleistung komplett abgeschaltet wird. Hierdurch kann der Energieverbrauch in jenen Betriebssituationen reduziert werden, in denen nur eine vergleichsweise geringe Leistung des Systems erforderlich ist. Ferner weist der kleinere Kompressor typischerweise ein geringeres Minimalfördervolumen auf. Die untere Lastgrenze, bei welcher der Kältemittelkreislauf noch kontinuierlich betreibbar ist, kann somit möglichst niedrig gehalten werden.
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Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug zu den Figuren näher erläutert.
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Die 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Kältemittelkreislaufs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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die 2 und 3 zeigen schematisch stromaufwärtige Anbindungen der Niederdruckabschnitt an den Akkumulator gemäß zwei Ausführungsvarianten der Erfindung,
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die 4 und 5 zeigen schematisch Akkumulatoren gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung und
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die 6 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie I-I aus der 5.
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In der 1 ist schematisch der Aufbau eines Kältemittelkreislaufs 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die einzelnen Komponenten des Kältemittelkreislaufs 1 sind über Leitungsabschnitte 2A–2N fluiddynamisch miteinander verbunden.
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Der Kältemittelkreislauf 1 umfasst erfindungsgemäß zwei parallel zueinander angeordnete Kompressoren 3, 4, welche separat ansteuerbar sind. Ferner sind stromabwärts jeweils optional Rückschlagventile 5, 6 angeordnet, welche einen Kurzschluss der beiden stromabwärts der Kompressoren 3, 4 parallel betrieben Leitungsabschnitte 2A, 2B verhindern sollen, insbesondere wenn die beiden Kompressoren 3, 4 mit unterschiedlichem Massenstrom betrieben werden. Die Funktion der Rückschlagventile 5, 6 kann auch in den jeweils zugeordneten Kompressoren 3, 4 ausreichend realisiert sein, sodass dann auf die Rückschlagventile 5 und/oder 6 ggf. verzichtet werden kann. Die Kompressoren 3, 4 können an sich auf geeignete Weise beliebig dimensioniert sein. Sie können insbesondere auch baugleich oder zumindest ähnlicher Bauart sein. Der Parallelbetrieb ermöglicht in erster Linie ein höheres Fördervolumen bzw. höhere Leistung als ein einzelner Kompressor, ohne bei einer gegebenen Auswahl von Kompressoren auf eine Neuentwicklung eines größeren Kompressors angewiesen zu sein. Im Ausführungsbeispiel hat der Kompressor 3 ein größeres Fördervolumen als der Kompressor 4. Der Kompressor 3 hat z.B. ein für den Gebrauch in Personenkraftwagen eher großes Fördervolumen von 34cm3, während der Kompressor 4 ein eher mittleres bis kleineres Volumen von z.B. 20cm3 oder 27cm3 hat.
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Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Leitungsabschnitte 2A und 2B in einem gemeinsamen Leitungsabschnitt 2C zusammengeführt und einem Kondensator 7 zugeführt. Der Kondensator 7 kann ein an sich beliebiger Kondensator sein. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen wassergekühlten Kondensator, d.h. dass die Abwärme des komprimierten und erhitzten Kältemittels beim Durchströmen des Kondensators 7 einen Wasserkreislauf heizt, dessen Wasser zur Klimatisierung der Fahrgastzelle und/oder funktionalen Komponenten des Kraftfahrzeugs verwendet werden kann. Für den Wasserkreislauf wird dabei typischerweise zum Erniedrigen des Gefrierpunkts ein Wasser-Glykol-Gemisch verwendet.
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Stromabwärts des Kondensators 7 ist am Ende des Leitungsabschnitts 2D ein elektrisch steuerbares Expansionsventil 8 angeordnet. Der Öffnungsgrad des Expansionsventils 8 kann elektrisch variabel von einer Steuereinheit (nicht dargestellt) angesteuert werden, wobei das Expansionsventil 8 auch komplett geöffnet werden kann. Auf die Steuerung des Kältemittelkreislaufs 1 wird weiter unten noch näher eingegangen.
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In dem stromabwärtig gelegenen Leitungsabschnitt 2E in ein Außenwärmetauscher 11 angeordnet, welcher je nach Betriebsmodus als zusätzlicher Kondensator oder Verdampfer betreibbar ist. Stromabwärts teilen sich vom Leitungsabschnitt 2F die Leitungsabschnitte 2G, 2H ab. Der Leitungsabschnitt 2I stromabwärts vom Leitungsabschnitt 2F kann durch ein Magnetventil 12 verschlossen werden. In den parallelen Leitungsabschnitten 2G und 2H folgen jeweils elektrisch steuerbare Expansionsventile 9, 10 und nachfolgend jeweils ein Verdampfer 13, 14, welche damit parallel zueinander betreibbar sind. Der erste Verdampfer 13 ist dabei zur Klimatisierung der Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs und zu diesem Zwecke in einem dafür vorgesehenen Freiraum in einem luftführenden Kanal einer Klimaanlage angeordnet. Der zweite Verdampfer 14 ist zum Bereitstellen einer weiteren Kühlung vorgesehen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel steht der Verdampfer 14 in thermischen Kontakt mit einer Fahrzeugbatterie (nicht dargestellt) um diese bei hoher Leistungsabgabe oder hoher Leistungsaufnahme (z.B. Laden, Rekuperation) zu temperieren. Der Verdampfer 14 kann alternativ auch zum Temperieren anderer Komponenten und/oder einer weiteren Kraftfahrzeugklimaanlage, beispielsweise einer Fond-Klimaanlage, verwendet werden.
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Die wiederum stromabwärts gelegenen Leitungsabschnitte 2J, 2K sind dann fluiddynamisch mit einem erfindungsgemäßen Akkumulator 15 verbunden, von wo aus sich der Kältemittelkreislauf 1 mit den Leitungsabschnitten 2M, 2N zu den Kompressoren 3, 4 schließt. Der Akkumulator 15 wird weiter unten mit Bezug zu den 4–6 noch näher erläutert.
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Die Leitungsabschnitte 2A–2D (falls der Kältemittelkreislauf 1 als Wärmepumpe betrieben wird) bzw. 2A–2H (falls der Kältemittelkreislauf 1 im Kühlmodus „AC-Betrieb“ betrieben wird) bilden den Hochdruckabschnitt, die Leitungsabschnitte 2E–2N (Wärmepumpenbetrieb) bzw. 2J–2N (AC-Betrieb) bilden den Niederdruckabschnitt.
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In den 2 und 3 ist jeweils ein Detailausschnitt des Kältemittelkreislaufs 1 aus der 1 der stromaufwärtigen Anbindungen des Niederdruckabschnitts an den Akkumulator 15 gemäß zwei Ausführungsvarianten der Erfindung schematisch dargestellt. Gemäß der 2 vereinen sich die Leitungsabschnitte 2J, 2K zu einem gemeinsamen Leitungsabschnitt 2L, welcher dann fluiddynamisch mit dem Akkumulator 15 verbunden ist. Gemäß der 3 sind die Leitungsabschnitte 2J, 2K beide direkt mit dem Akkumulator 15 verbunden. Der hier nicht dargestellte Leitungsabschnitt 2I ist beispielsweise mit dem Leitungsabschnitt 2L oder – falls dieser nicht existieren sollte – mit einem der Leitungsabschnitte 2J, 2K verbunden. Die Vorteile der jeweiligen Anbindung werden mit Bezug zu der 4 noch näher erläutert.
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In der 4 ist schematisch ein Akkumulator 15 gemäß einer ersten Ausführungsform dargestellt. Der Akkumulator 15 weist ein Gehäuse 18 und einen Deckel 19 auf. In dem so gebildeten Innenvolumen ist eine Kammer 20 ausgebildet, in welchem sich Kältemittel sammeln kann. Das aus den Verdampfern 13, 14 kommende Kältemittel ist typischerweise noch nicht vollständig verdampft. Es enthält neben einem flüssigen Anteil an Kältemittel auch noch mitgeführtes Schmieröl, welche sich beide am Boden der Kammer 20 absetzen und somit von dem gasförmigen Anteil trennen. Im Deckel 19 ist ein Einlass 21, beispielsweise in Form eines Einlassstutzens, ausgebildet. Über den Einlass 21 werden die Leitungsabschnitte 2J, 2K oder 2L fluiddynamisch mit der Kammer 20 des Akkumulators 15 verbunden. Unterhalb des Einlasses 21 ist typischerweise eine Leitvorrichtung 21A z.B. in Form einer Prallplatte vorgesehen, welche verhindert, dass Flüssigkeit direkt eingesaugt wird. Der Einlass 21 kann alternativ auch seitlich am Gehäuse angeordnet sein. In diesem Falle wird das Kältemittel vorzugsweise seitlich tangential in die Kammer 20 eingeblasen. Im Falle einer Konfiguration gemäß 2 wird der zusammengeführte Leitungsabschnitt 2L mit dem Einlass 21 verbunden. Diese Konfiguration stellt eine einfache, leicht zu realisierende Anbindung des Akkumulators 15 dar. Im Falle einer Konfiguration gemäß 3 werden mehrere Einlässe 21 benötigt. Wenn auf eine separate Öffnung im Deckel 19 verzichtet werden soll, können beispielsweise die Leitungsabschnitte 2J, 2K über eine Mehrfachleitung 16 mit dem einzigen Einlass 21 verbunden werden. Die Mehrfachleitung führt beide Leitungsabschnitte 2J, 2K in einem Rohr zusammen, wobei die beiden Leitungsabschnitte 2J, 2K durch eine Trennwand 17 voneinander getrennt bleiben. Diese Trennung hat den Vorteil, dass, z.B. beim Betrieb nur eines Verdampfers, durch den geringeren Leitungsquerschnitt am Einlass 21 die Strömungsgeschwindigkeit gegenüber einer Konfiguration mit einem gemeinsamen Leitungsabschnitt 2L leicht erhöht ist, sodass in diesem Bereich die Schmierölmitnahme verbessert wird.
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Der Akkumulator 15 umfasst einen Ausgang 22, welcher beispielsweise durch ein oder mehrere Auslassstutzen gebildet wird. In der Kammer 20 bilden sich zwei Phasen aus, die durch den Flüssigkeitspegel 23 angedeutet sind.
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Im Akkumulator 15 sind zwei baugleiche J-förmige Saugleitungen 24, 28 vorgesehen. Die Saugleitungen 24, 28 haben je eine Eingangsöffnung 25, 29 im oberen Bereich in der Kammer 20, sowie je eine Ausgangsöffnung 26, 30, welche den Auslass 22 aus der Kammer bilden. Die Saugleitungen 24, 28 reichen bis fast zum Boden der Kammer 20 und weisen an oder nahe ihrer Unterseite jeweils eine Zuführöffnung 27, 31 auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel geht der Boden der Kammer 20 etwas konisch zu und die beiden Zuführöffnungen 27, 31 liegen nahe beieinander. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass im Normalfall auch bei leichter Schräglage des Kraftfahrzeugs immer beide Zuführöffnungen 27, 31 Kontakt mit der flüssigen Phase haben.
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Der Öffnungsquerschnitt dieser Zuführöffnungen ist klein ist im Vergleich mit dem Öffnungsquerschnitt der Saugleitungen 24, 28. Das Konzept einer Zuführöffnung in einer Saugleitung (und deren Dimensionierung) ist aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Die Zuführöffnungen 27, 31 haben hier die Funktion, Sauggas, welches aus dem oberen Bereich der Kammer 20 über die Eingangsöffnungen 25, 29 angesaugt wird, mit einer definierten Menge an flüssigem Kältemittel und darin gelöstem oder mitgeführten Schmieröl aufzunehmen.
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Die Ausgangsöffnung 26 der ersten Saugleitung 24 ist über den Leitungsabschnitt 2M mit dem ersten Kompressor 3 verbunden. Die Ausgangsöffnung 30 der zweiten Saugleitung 28 ist über den Leitungsabschnitt 2N mit dem zweiten Kompressor 4 verbunden. Durch die identische Bauart der beiden Saugleitungen 24, 28 wird ermöglicht, dass bei parallelem Betrieb und unterschiedlichen Massenströmen beide Kompressoren 3, 4 die gleiche Sauggasqualität erhalten.
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In der 5 ist schematisch ein Akkumulator 15´ gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Dieser Akkumulator 15´ kann insbesondere alternativ zu dem in der 4 gezeigten Akkumulator 15 im Kältemittelkreislauf 1 verwendet werden. Im Folgenden wird nur auf den Unterschied zu der 4 eingegangen.
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Die beiden Saugleitungen werden gemäß der zweiten Ausführungsform nicht als separate, J-förmige Saugleitungen, sondern als koaxiale Saugleitungen ausgeführt. Dabei wird das Sauggas über einen gemeinsamen Einlasszylinder 32 angesaugt. Koaxial in diesem Einlasszylinder 32 ist ein Auslasszylinder 33 gelagert, dessen Unterseite wenigstens teilweise offen ist, sodass das Sauggas von dort in Richtung Auslass 22 aufsteigen kann. Zu diesem Zwecke ist der Auslasszylinder 33 mit einer Trennwand 34 in zwei halbkreisförmige Querschnitte aufgeteilt, um zwei getrennte Ausgangsöffnungen 26, 30 zu den Leitungsabschnitten 2M, 2N bereitstellen zu können. In der 6 ist zur besseren Veranschaulichung eine Schnittansicht entlang der Linie I-I aus der 5 dargestellt.
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Der Boden des Einlasszylinders 32 ist abgesehen von den Zuführöffnungen 27, 31 unterhalb des Auslasszylinders 33 geschlossen, sodass nur über diese Zuführöffnung 27, 31 Flüssigkeit in definiertem Maße von dem Sauggas mitgenommen werden kann. Die Zuführöffnungen 27, 31 können auch als ein einziges Löchlein ausgeführt werden, welches dann die Flüssigkeitsaufnahme für beide Saugleitungen bereitstellt. Ferner kann der Einlasszylinder 32 optional ebenfalls durch eine Trennwand 35 aufgeteilt sein, sodass bereits hier das Sauggas für beide Saugleitungen separat angesaugt wird.
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Ein erster Anwendungsfall des zuvor beschriebenen Kältemittelkreislaufs ist für ein Elektrofahrzeug. Wird das Laden der für den Antrieb des Elektrofahrzeugs vorgesehenen Hochleistungsbatterie erkannt, kann über eine Steuereinheit der Kühlmodus für die Hochleistungsbatterie automatisch gestartet werden. Die Kompressoren 3, 4 werden beispielsweise dabei über die Ladestation direkt oder – falls dies batterieseitig vorgesehen ist – über eine Partition der Hochleistungsbatterie, welche gerade nicht geladen wird, elektrisch angetrieben. Je nach Ladegeschwindigkeit kann es hierbei zu einer derartigen Wärmeentwicklung kommen, dass zumindest kurzfristig die maximal verfügbare Kälteleistung zum Kühlen der Hochleistungsbatterie abgerufen werden muss. In diesem Falle wird das Expansionsventil 8 ganz geöffnet (durchgeschaltet). Das Magnetventil 12 wird elektrisch geschlossen, das Expansionsventil 9 wird ebenfalls geschlossen und der Kältemittelkreislauf 1 nur über das Expansionsventil 10 gesteuert. Bei geeigneter Dimensionierung des Verdampfers 14 kann die maximale Leistung beider Kompressoren 3, 4 für die Kälteerzeugung am Verdampfer 14 wirksam aufgebracht werden.
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Ein zweiter Anwendungsfall tritt dann ein, wenn das besagte Elektrofahrzeug im Betrieb eine hohe Leistung abgibt (z.B. bei einem Beschleunigungsvorgang) oder aufnimmt (bei einem Rekuperationsvorgang), zusätzlich aber die Fahrgastzelle klimatisiert werden soll. Zu diesem Zwecke wird der Kältemittelkreislauf 1 zusätzlich über das Expansionsventil 9 gesteuert, um eine Balance zwischen der geforderten Kühlleistung der Hochleistungsbatterie und der Fahrgastzelle zu erreichen. Gegebenenfalls kann im weiteren Fahrbetrieb dann die Kompressorleistung heruntergefahren werden. Falls der Betrieb durch einen Kompressor 3, 4 ausreicht, kann einer der beiden abgeschaltet werden. Bei niedriger Last wird der Kompressor 3 komplett abgeschaltet, weil dann durch den Betrieb mit dem kleineren Kompressor 4 eine energiesparende Versorgung ausreichend ist.
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Ein dritter Anwendungsfall tritt ein, wenn der Kältemittelkreislauf 1 als Wärmepumpe betrieben werden soll. In diesem Fall ist ein Akkumulator auf der Niederdruckseite allgemein vorteilhaft. Das Magnetventil 12 wird dazu voll geöffnet und der Kältemittelkreislauf 1 wird über das Expansionsventil 8 gesteuert. Der Außenwärmetauscher 11 wird somit in den Niederdruckabschnitt geschaltet und als Verdampfer betrieben. Die am Kondensator 7 und ggf. an weiteren dazuschaltbaren Kondensatoren (nicht dargestellt) erzeugte Wärmeenergie kann dann zu den gewünschten Heizzwecken verwendet werden. Hierbei ist eine Verwendung von wassergekühlten Kondensatoren vorteilhaft, um z.B. nicht nur die Fahrgastzelle, sondern auch die Hochleistungsbatterie zu heizen, oder um eine vom Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor vorhandenen Klimaanlage mit wasserseitigem Wärmetauscher verwenden zu können. Dies ist insbesondere bei Kaltstarts bei geringer Umgebungstemperatur vorteilhaft.
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Vielfältige Variationen der Erfindung und der beschriebenen Ausführungsbeispiele sind denkbar. So sind die in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Expansionsventile 8, 9, 10 und Kompressoren 3, 4 elektrisch betrieben. Insbesondere können die Kompressoren 3, 4 auch mechanisch über einen Verbrennungsmotor angetrieben und beispielsweise über ein Übersetzungsgetriebe und/oder Schalter in unterschiedlicher Weise ansteuerbar sein. Auch sind vielfältige andere Konfigurationen von Wärmetauschern in Kältemittelkreisläufen in einem Kraftfahrzeug bekannt. Der Fachmann wird leicht erkennen, dass und in welcher Weise sich die erfinderische Idee auf diese ebenso anwenden lässt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kältemittelkreislauf
- 2A–2N
- Leitungsabschnitte
- 3, 4
- Kompressoren
- 5, 6
- Rückschlagventile
- 7
- Kondensator (optional wassergekühlt)
- 8–10
- Expansionsventile
- 11
- Außenwärmetauscher
- 12
- Magnetventil
- 13, 14
- Verdampfer
- 15, 15´
- Akkumulator
- 16
- Mehrfachleitung
- 17
- Trennwand
- 18
- Gehäuse
- 19
- Deckel
- 20
- Kammer
- 21
- Einlass
- 21A
- Leitvorrichtung
- 22
- Auslass
- 23
- Flüssigkeitspegel
- 24, 28
- Saugleitungen
- 25, 29
- Eingangsöffnung
- 26, 30
- Ausgangsöffnung
- 27, 31
- Zuführöffnungen
- 32
- Einlasszylinder
- 33
- Auslasszylinder
- 34, 35
- Trennwand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005036350 A1 [0004]
- DE 102006036282 A1 [0004, 0006]
- DE 2338125 A1 [0013]
