DE102015121188A1

DE102015121188A1 - Fahrzeug-Heizungs-, -Lüftungs- und -Klimasystem und Kältemittelsammler für ein Fahrzeug-Heizungs-, -Lüftungs- und -Klimasystem

Info

Publication number: DE102015121188A1
Application number: DE102015121188.2A
Authority: DE
Inventors: Rainer Sonnenberger; Mark Sondermann
Original assignee: Valeo Klimasysteme GmbH
Current assignee: Valeo Klimasysteme GmbH
Priority date: 2015-12-04
Filing date: 2015-12-04
Publication date: 2017-06-08

Abstract

Ein Kältemittelsammler eines Fahrzeug-Heizungs-, -Lüftungs- und -Klimasystems hat ein Gehäuse, in dem ein Aufnahmeraum (48) für Kältemittel ausgebildet ist, und wenigstens einen bidirektionalen Anschluss (36) und wenigstens einen unidirektionalen Einlass (38), die jeweils mit dem Aufnahmeraum (48) strömungsmäßig verbunden sind. Der Kältemittelsammler (24) ist einsetzbar auf der Hochdruckseite eines Kältemittelkreises, in dem ein Kompressor, der Kältemittel im Kältemittelkreis bewegt, vorgesehen ist, sowie wenigstens ein bidirektionaler Wärmetauscher, über den Wärmeenergie mit der Umgebung des Fahrzeug-Heizungs-, -Lüftungs-, und -Klimasystems oder mit Fahrzeugkomponenten ausgetauscht werden kann, und ein Fahrzeuginnenraummodul, über das Wärmeenergie mit einem Fahrzeuginnenraum ausgetauscht werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug-Heizungs-, -Lüftungs-, und -Klimasystem (HVAC-System, hier im Folgenden auch kurz Fahrzeug-Klimasystem genannt) und einen Kältemittelsammler für ein Fahrzeug-Heizungs-, -Lüftungs-, und -Klimasystem.
Bei Fahrzeugen, die rein von einem Verbrennungsmotor angetrieben werden, kann problemlos die Abwärme des Motors zur Heizung eines Fahrzeuginnenraums verwendet werden, da in der Regel auch bei kalten Umgebungstemperaturen bereits kurz nach dem Start ausreichend überschüssige Wärmeenergie zur Verfügung steht. Ein Kältemittelkreis wird in diesen Fällen ausschließlich zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums und eventuell zur Entfeuchtung der Luft, die in den Fahrzeuginnenraum strömt, benötigt. Im Normalfall ist ausreichend Abwärme vorhanden, sodass beispielsweise die einströmende Luft generell zuerst durch den Kältemittelkreis und dessen Verdampfer heruntergekühlt und entfeuchtet und anschließend wieder auf eine gewünschte, über der Außentemperatur liegende Temperatur aufgeheizt werden kann.
Bei Personenfahrzeugen mit Hybridantrieben oder rein elektrischen Antrieben, die zunehmend in den Fokus geraten, verringert sich allerdings die Verfügbarkeit von Motorabwärme zur Heizung des Fahrzeuginnenraums. Es ist daher notwendig, andere Wärmequellen zu nutzen.
Eine Möglichkeit besteht darin, Wärmepumpensysteme einzusetzen, um beispielsweise aus der Umgebung des Fahrzeugs Wärmeenergie zum Heizen des Fahrzeuginnenraums zu gewinnen. Hierzu wurde bereits vorgeschlagen, den existierenden Kältemittelkreis eines Fahrzeugklimasystems zu verwenden. Wie im Fall der Kühlung erfolgt auch der Betrieb als Wärmepumpe über einen idealisierten Carnot-Prozess.
Es hat sich außerdem als günstig erwiesen, im Kältemittelkreis einen Kältemittelsammler vorzusehen, der als Reservoir dient, um unterschiedliche Kältemittelmassen im Kältemittelkreis auszugleichen und eine Kältemittelreserve für den Ausgleich kleiner Leckageverluste bereitzuhalten. Außerdem erlaubt ein Kältemittelsammler eine Trennung in gasförmige und flüssige Kältemittelanteile, was wiederum den Betrieb in unterschiedlichen Betriebsmodi erleichtert.
Der Kältemittelsammler kann auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreises angeordnet sein, um einen direkten Zugriff auf flüssiges Kältemittel z.B. stromabwärts eines Kondensators.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen kostengünstigen und bauraumoptimierten Kältemittelsammler zu schaffen, der in einem flexibel nutzbaren Fahrzeug-Klimasystem einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird mit einem Kältemittelsammler eines Fahrzeug-Heizungs-, -Lüftungs-, und -Klimasystems gelöst, der ein Gehäuse aufweist, in dem ein Aufnahmeraum für Kältemittel ausgebildet ist, und der wenigstens einen bidirektionalen Anschluss und wenigstens einen unidirektionalen Einlass aufweist, die jeweils strömungsmäßig mit dem Aufnahmeraum verbunden sind. Der erfindungsgemäße Kältemittelsammler ist kompakt aufgebaut, wobei dennoch eine flexible Anordnung benötigter Anschlüsse für bidirektional und unidirektional durchströmte Komponenten ermöglicht ist.
Der Kältemittelsammler dient allgemein als zentrale Speichereinheit für Kältemittel im Kältemittelkreis und kann gleichzeitig Kältemittel aus dem Kältemittelkreis empfangen und an den Kältemittelkreis abgeben, wobei der Kältemittelsammler vorzugsweise mit mehreren Wärmetauschern des Kältemittelkreises verbunden ist.
Als bidirektionale Wärmetauscher werden hier Wärmetauscher bezeichnet, die wechselweise als Wärmesenke und als Wärmequelle eingesetzt werden können, z.B. als Verdampfer oder als Kondensator. Die Durchströmungsrichtung des Wärmetauschers wechselt mit der Betriebsweise. Die Verbindung eines derartigen Wärmetauschers mit dem Kältemittelsammler erfolgt erfindungsgemäß über einen bidirektionalen Anschluss, der dazu in der Lage ist, sowohl in einer Betriebsweise des Wärmetauschers vorzugsweise flüssiges Kältemittel an diesen zu liefern als auch in der anderen Betriebsweise Kältemittel vom Wärmetauscher zu empfangen, das gegebenenfalls flüssige und gasförmige Anteile enthält.
Als unidirektional durchströmte Wärmetauscher werden hier hingegen Wärmetauscher bezeichnet, die stets in derselben Betriebsweise arbeiten, also stets als Verdampfer oder stets als Kondensator betrieben werden. Je nach Betriebsweise sind sie so mit dem Kältemittelsammler verbunden, dass dieser stets Kältemittel vom Wärmetauscher empfängt oder stets Kältemittel an den Wärmetauscher liefert. Dementsprechend werden unidirektionale Anschlüsse des Kältemittelsammlers stets nur in einer einzigen Flussrichtung durchströmt.
Hier ist noch anzumerken, dass Im Rahmen dieser Anmeldung in einem als Kondensator betriebenen Wärmetauscher grundsätzlich das Kältemittel auch lediglich abgekühlt werden kann, aber in der Gasphase verbleibt (sogenanntes Enthitzen) und nicht zwangsweise ganz oder teilweise verflüssigt werden muss. Der Begriff „Kondensator“ schließt also auch einen Gaskühler ein, für den Fall, dass die Wärmeabgabe des Kältemittels ohne Kondensation erfolgt. Dies kann z.B. bei einem Klimasystem auftreten, das mit dem Kältemittel R744 (CO₂) transkritisch betrieben wird. Auch in diesem Fall arbeitet jedoch der Kondenstor bezogen auf seinen Wirkung außerhalb des Kältemittelkreises immer als Wärmequelle.
Der Aufnahmeraum des Kältemittelsammlers ist vorzugsweise im Wesentlichen zylindrisch geformt, wobei die Mittelachse des Aufnahmeraums im eingebauten Zustand idealerweise vertikal ausgerichtet ist.
Der unidirektionale Einlass ist bevorzugt nahe des oberen Endes des Aufnahmeraums angeordnet, um eine ausreichende Wegstrecke für die Trennung von gasförmigen und flüssigen Bestandteilen des Kältemittels bereitzustellen.
Zu demselben Zweck mündet vorteilhaft der unidirektionale Einlass tangential zu einer Innenwand des Aufnahmeraums in den Aufnahmeraum. Enthaltene flüssigen Anteile des Kältemittels werden so aufgrund der Fliehkraft zur Innenwand des Aufnahmeraums getragen, wo sie einen Flüssigkeitsfilm bilden, der schwerkraftbedingt entlang der Innenwand nach unten zu einem Boden des Kältemittelsammlers fließt. Dort sammelt sich das flüssige Kältemittel. Die gasförmigen Anteile des Kältemittels sammeln sich hingegen im oberen Bereich des Aufnahmeraums.
Um diese Abtrennung der flüssigen Anteile des Kältemittels zu vereinfachen, ist es außerdem vorteilhaft, wenn der unidirektionale Einlass im Bereich der Mündung in den Aufnahmeraum horizontal verläuft.
Es ist möglich, im Bereich des unidirektionalen Einlasses eine Expansionsvorrichtung vorzusehen. Die Expansionsvorrichtung kann insbesondere durch eine Drossel gebildet sein. Es ist möglich, als Drossel eine einfache Querschnittsreduzierung im Bereich des Einlasses auszubilden. Vorzugsweise ist die Expansionsvorrichtung in den Einlass integriert, sodass kein zusätzliches Bauteil und kein zusätzlicher Einbauraum benötigt werden.
Der wenigstens eine bidirektionale Anschluss des Kältemittelsammlers ist vorzugsweise im Boden oder nahe des Bodens des Aufnahmeraums angeordnet. Auf diese Weise kann ein hoher Anteil an flüssigem Kältemittel an die jeweilige Komponente geliefert werden, wenn der bidirektionale Anschluss als Auslass genutzt wird.
Vorteilhaft mündet der wenigstens eine bidirektionale Anschluss tangential zur Innenwand des Aufnahmeraums in den Aufnahmeraum. Wird dieser Anschluss als Einlass genutzt, werden flüssige Kältemittelanteile durch Fliehkräfte gegen die Innenwand getragen und dort abgetrennt. Gasförmige Anteile hingegen steigen in den oberen Bereich des Aufnahmeraums.
Um trotz der bodennahen Anordnung eine gute Trennung von gasförmigen und flüssigen Kältemittelanteilen zu erhalten, wenn der bidirektionale Anschluss als Einlass genutzt wird, ist es vorteilhaft, wenn der wenigstens eine bidirektionale Anschluss im Bereich der Mündung in den Aufnahmeraum mit einem Winkel von 0° bis 60° ansteigend gegenüber der Horizontalen, insbesondere in einem Winkel von 10° bis 30° verläuft. Als besonders geeignet hat sich ein Winkel von etwa 21° herausgestellt. Durch den nach oben gerichteten Anteil der Bewegungskomponente beschreiben die flüssigen Anteile des Kältemittel einen Bogen und gelangen so oberhalb der Mündung des bidirektionalen Anschlusses in Kontakt mit der Innenwand, was die Wegstrecke zur Abtrennung der flüssigen Anteile verlängert.
Als weiterer Anschluss ist im Kältemittelsammler vorzugsweise ein unidirektionaler Auslass für flüssiges Kältemittel vorgesehen, der ebenfalls strömungsmäßig mit dem Aufnahmeraum verbunden ist. Über diesen Auslass können Komponenten des Fahrzeug-Klimasystems versorgt werden, die stets flüssiges Kältemittel benötigen, beispielsweise Wärmetauscher, die ausschließlich als Verdampfer arbeiten.
Der unidirektionale Auslass für flüssiges Kältemittel ist vorteilhaft im Boden des Aufnahmeraums und nahe der Innenwand des Aufnahmeraums angeordnet, also an einer Stelle, an der sich das flüssige Kältemittel sammelt.
Im Rahmen dieser Anmeldung wird generell unter einer "nahen Anordnung" zweier Bauteile eine kurze Distanz im Verhältnis zu den Gesamtabmessungen der Bauteile verstanden. Beispielsweise kann die Distanz des unidirektionalen Einlasses nahe zum oberen Ende des Aufnahmeraums sowie die Distanz des unidirektionalen Auslasses nahe zur Innenwand jeweils etwa 0 bis 30 mm betragen, bei einem Durchmesser des Aufnahmeraums von etwa 70 mm und einer Höhe von etwa 150 mm.
Zusätzlich kann der Kältemittelsammler einen unidirektionalen Auslass für gasförmiges Kältemittel aufweisen, der an einem oberen Ende des Aufnahmeraums und insbesondere im Bereich der Mittelachse des Aufnahmeraums angeordnet ist. Durch diesen unidirektionalen Auslass kann gasförmiges Kältemittel in den Kältemittelkreis eingespeist werden. Der unidirektionale Auslass könnte beispielsweise direkt mit einer Zwischenstufe eines zweistufigen Kompressors verbunden sein, um den Weg über die Verdampfer zu überbrücken, wenn die Kältemittelmenge im Kältemittelkreis erhöht werden soll.
Es ist möglich, im Kältemittelsammler einen Filter vorzusehen, der von Kältemittel durchströmt ist. Der Filter ist dabei vorzugsweise an dem wenigstens einen unidirektionalen Auslass für flüssiges Kältemittel angeordnet und dient dazu, Fremdbestandteile aus dem Kältemittel auszufiltern.
Es ist auch möglich, ein Trocknungsmittel vorzusehen, das dem Kältemittel Wasser entzieht. Dieses Trocknungsmittel ist ebenfalls vorzugsweise an dem wenigstens einen unidirektionalen Auslass für flüssiges Kältemittel angeordnet, was sowohl für den Filter als auch für das Trocknungsmittel ohne wesentliche Bauraumvergrößerung möglich ist.
Um Wärmeverluste zu minimieren, lässt sich am Gehäuse des Kältemittelsammlers ein Isolierungsmittel zur thermischen Isolierung des Aufnahmeraums vorsehen. Das Isoliermittel ist z.B. außen am Gehäuse oder an den Innenwänden des Aufnahmeraums angeordnet. Dies kann vor allem im Winterbetrieb nützlich sein, wenn bei geringen Temperaturunterschieden im Wärmepumpenbetrieb wenigstens eines reversiblen Wärmetauschers Wärmeenergie zum Heizen des Fahrzeuginnenraums gewonnen werden soll.
Alternativ oder zusätzlich kann am Gehäuse eine Wärmespeichervorrichtung und/oder eine Heizvorrichtung vorgesehen sein, um die Temperatur des Kältemittels im Aufnahmeraum zu erhöhen. Dies bietet den Vorteil, dass das Fahrzeug-Klimasystem im Winterbetrieb schneller auf Betriebstemperatur ist und so eine Heizung des Fahrzeuginnenraums schneller erfolgen kann. In der Wärmespeichervorrichtung wird vorzugsweise ein Phasenwechselmaterial (PCM) als Latentwärmespeicher eingesetzt. Die Heizvorrichtung ist vorzugsweise elektrisch betrieben.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Fahrzeug-, Heizungs-, Lüftungs-, und -Klimasystem mit einem Kältemittelkreis, in dem auf einer Hochdruckseite ein oben beschriebener Kältemittelsammler angeordnet ist. Das Fahrzeug-Klimasystem umfasst außerdem einen Kompressor, der Kältemittel im Kältemittelkreis bewegt, wenigstens einen bidirektionalen Wärmetauscher, über den Wärmeenergie mit der Umgebung des Fahrzeugs-Klimasystems oder mit Fahrzeugkomponenten ausgetauscht und ein Fahrzeuginnenraummodul, über das Wärmeenergie mit einem Fahrzeuginnenraum ausgetauscht werden kann.
Der Kältemittelsammler ist vorzugsweise so im Kältemittelkreis angeordnet, dass dem unidirektionalen Einlass Kältemittel von einem Wärmetauscher des Fahrzeuginnenraummoduls zugeführt wird, der ausschließlich als Kondensator arbeitet. Dieser Wärmetauscher dient in der Regel der Heizung der in den Fahrzeuginnenraum einströmenden Luft. Die Heizwirkung kann z.B. über die durch den Wärmetauscher hindurch geleitete Luftmenge einstellbar sein.
Alternativ könnte der unidirektionale Einlass Kältemittel von einem Wärmetauscher aufnehmen, der den Fahrzeuginnenraum mittelbar über einen Sekundärkreis beheizt. Dieser Wärmetauscher beheizt beispielsweise in diesem Sekundärkreis ein Kühlmittel, das etwa aus Wasser und Glykol besteht, wobei das Kühlmittel in einem weiteren, luftdurchströmten Wärmetauscher des Fahrzeuginnenraummoduls seine Wärme an die durchströmende Luft abgibt.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn der Kältemittelsammler so im Kältemittelkreis angeordnet ist, dass der wenigstens eine bidirektionale Anschluss mit einem bidirektionalen Wärmetauscher verbunden ist, der wechselweise und wahlweise als Wärmesenke und als Wärmequelle, insbesondere als Verdampfer oder als Kondensator, arbeiten kann. Ein derartiger bidirektional durchströmbarer Wärmetauscher kann z.B. ein Wärmetauscher im Kühlmodul des Front-End-Moduls eines Fahrzeugs sein, oder auch ein Wärmetauscher, der Wärmeenergie mit elektrischen Energiespeichern des Fahrzeugs austauscht.
Wechseln bidirektionale Wärmetauscher des Fahrzeug-Klimasystems z.B. von einem Kühlbetrieb zu einem Heizbetrieb, entsprechend einem Wechsel von einem Betrieb als Wärmesenke zu einem Betrieb als Wärmequelle, ist eine Umkehr der Flussrichtung in diversen Komponenten des Fahrzeug-Klimasystems unter Umständen vorteilhaft. Der Kompressor wird selbstverständlich stets nur in einer Richtung durchströmt, in ihm wird grundsätzlich immer das Kältemittel verdichtet. Durch Komponenten, die bidirektional durchströmbar sind, fließt jedoch das Kältemittel bei einem Wechsel zwischen den verschiedenen Modi in unterschiedlicher Strömungsrichtung.
Zwischen dem Kältemittelsammler und dem jeweiligen bidirektionalen Wärmetauscher ist bevorzugt eine Expansionsvorrichtung angeordnet, die so ausgelegt ist, dass sie beim Durchströmen einen Druckabfall bewirkt. Dies erlaubt, den Druck des zu den Wärmetauschern strömenden sowie des zum Kältemittelsammler rückströmenden Kältemittels einzustellen.
Bei den Expansionsvorrichtungen kann es sich generell um elektronische Expansionsventile handeln, zumindest teilweise ist aber auch eine Verwendung von Drosseln mit festem Strömungsquerschnitt denkbar, genauso wie auch die Verwendung von thermischen Expansionsventilen. Insbesondere bei der Verwendung von Drosseln oder thermischen Expansionsventilen kann ein Bypass vorgesehen sein, um das Kältemittel bei der Strömung vom jeweiligen Wärmetauscher zum Kältemittelsammler um die Expansionsvorrichtung herum zu leiten.
Außerdem kann der Kältemittelsammler so im Kältemittelkreis angeordnet sein, dass der unidirektionale Auslass flüssiges Kältemittel zu einem Eingang eines Wärmetauschers des Fahrzeuginnenraummoduls liefert, der ausschließlich als Verdampfer arbeitet. Dieser Wärmetauscher ist beispielsweise ein Verdampfer, der die Fahrzeuginnenraumluft herunterkühlt.
Ein oder mehrere bidirektionale Wärmetauscher und der Verdampfer des Fahrzeuginnenraummoduls können jeweils in unterschiedlichen Teilkreisen des Kältemittelkreises angeordnet sein, die alle mit dem Kältemittelsammler verbunden sind. Vorzugsweise liegen zwischen den jeweiligen Wärmetauschern und dem Kältemittelsammler keine weiteren Wärmetauscherkomponenten.
Beispielsweise kann in einem ersten Betriebsmodus der Wärmetauscher im Front-End-Kühlmodul des Fahrzeugs als Kondensator (also als Wärmequelle) arbeiten, während der als Verdampfer arbeitenden Wärmetauscher des Fahrzeuginnenraummoduls zur Kühlung eingesetzt wird (also eine Wärmesenke bildet), während der Kältemittelsammler in Reihe zwischen diesen beiden Komponenten geschaltet ist. Dies stellt einen normalen Klimaanlagenbetrieb zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums dar.
In einem zweiten Betriebsmodus, in dem der Fahrzeuginnenraum geheizt wird, kann beispielsweise der Wärmetauscher des Kühlmoduls im Front-End des Fahrzeugs als Wärmepumpe (also als Wärmesenke) arbeiten, während der Verdampfer weiterhin im Kühlbetrieb läuft (also ebenfalls als Wärmesenke arbeitet). Der als Kondensator arbeitende Wärmetauscher des Fahrzeuginnenraummoduls gibt in diesem Fall Wärmeenergie an den Fahrzeuginnenraum ab. So wird ein Heizbetrieb mithilfe von Umgebungswärme und der über den Verdampfer aus dem Innenraum zurückgewonnenen Wärme realisiert. Die Kühlwirkung des Verdampfers kann dabei die Innenraumluft entfeuchten, wobei zusätzliche Wärme aus der Kondensationsenergie des Wassers gewonnen werden kann.
Der den elektrischen Energiespeichern zugeordnete Wärmetauscher kann in diesem Modus beispielsweise als weitere Wärmepumpe betrieben werden, um Wärmeenergie zur Heizung des Fahrzeuginnenraums zu gewinnen. Falls dies notwendig sein sollte, kann dieser Wärmetauscher aber auch in einem Heizbetrieb arbeiten, beispielsweise bei kalter Umgebungstemperatur.
In dem Leitungsabschnitt zwischen dem als Kondensator arbeitenden Wärmetauscher des Fahrzeuginnenraummoduls und dem Kältemittelsammler kann stromaufwärts des Kältemittelsammlers ein Absperrventil vorgesehen sein, sodass die Strömungsverbindung zwischen dem Kondensator und dem Kältemittelsammler in diesem Leitungsabschnitt komplett unterbrochen und die direkte Rückleitung von Kältemittel vom Kondensator zum Kältemittelsammler unterbunden werden kann. Optional ist zur Druckminderung eine Drossel mit fester Öffnung oder eine verstellbare Expansionsvorrichtung in diesem Leitungsabschnitt vorgesehen. Die Drossel oder eine andere Expansionsvorrichtung kann in den unidirektionalen Einlass des Kältemittelsammlers integriert sein.
Bei dem beschriebenen Fahrzeug-Klimasystem kann der Kältemittelsammler gezielt und flexibel dazu genutzt werden, Kältemittel aus dem Kältemittelkreislauf aufzunehmen, um die zirkulierende Kältemittelmenge zu reduzieren oder Kältemittel abzugeben, um die gerade im Kältemittelkreis zirkulierende Kältemittelmenge zu erhöhen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Fahrzeug-Klimasystems in einem ersten Betriebsmodus, mit einem erfindungsgemäßen Kältemittelsammler;
2 das Fahrzeug-Klimasystem aus 1 in einem zweiten Betriebsmodus;
3 das Fahrzeug-Klimasystem aus 1 in einem dritten Betriebsmodus;
4 den Kältemittelsammler aus 1 in einem schematischen Längsschnitt;
5 den Kältemittelsammler aus 4 in einer schematischen Schnittansicht entlang der Linie V-V;
6 den Kältemittelsammler aus 4 in einer schematischen Schnittansicht entlang der Linie VI-VI;
7 bis 10 schematische Ansichten der Komponenten erfindungsgemäßen Kältemittelsammlers. Teils in Schnittansicht; und
11 eine schematische Darstellung der Verschaltung des erfindungsgemäßen Kältemittelsammlers in einem Kältemittelkreis.
Die 1 bis 3 zeigen ein Fahrzeug-Klimasystem 10 in verschiedenen Betriebsmodi.
Das Fahrzeug-Klimasystem 10 umfasst einen Kältemittelkreis 12, der von einem geeigneten Kältemittel durchströmt wird. Im Kältemittelkreis 12 ist ein Kompressor 14 angeordnet, der das Kältemittel bewegt. Das Kältemittel erreicht den Kompressor 14 im Wesentlichen in gasförmigem Zustand und wird in diesem verdichtet. Der Kompressor 14 kann so ausgelegt sein, dass er mit variabler Förderleistung, insbesondere mit variabler Drehzahl, betrieben werden kann.
Der Ausgang des Kompressors 14 ist mit einem Eingang eines stets als Kondensators arbeitenden Wärmetauschers 16 verbunden, wobei der Wärmetauscher 16 das nächste Bauteil stromabwärts des Kompressors 14 darstellt.
Der Wärmetauscher 16 ist Teil eines Fahrzeuginnenraummoduls 18, das für die Temperierung eines Fahrzeuginnenraums zuständig ist. Das Fahrzeuginnenraummodul 18 umfasst außer dem Wärmetauscher 16 noch einen stets als Verdampfer arbeitenden Wärmetauscher 20. Die Wärmetauscher 16, 20 sind hier als separate Bauteile ausgebildet und können räumlich getrennt, aber auch räumlich dicht beieinanderliegend angeordnet sein. Sowohl der Wärmetauscher 16 als auch der Wärmetauscher 20 haben jeweils eigene Ein- und Ausgänge für das Kältemittel, die vollständig voneinander getrennt sind, wie auch der Kältemittelstrom im Inneren der beiden Wärmetauscher 16, 20 vollständig separiert verläuft.
Im Kältemittelkreis 12 ist außerdem ein Wärmetauscher 22 vorgesehen, der Wärmeenergie mit der Umgebung des Fahrzeugs austauschen kann. Hierbei kann es sich um einen normalerweise in Fahrzeug-Klimasystemen vorgesehenen Wärmetauscher im Kühlmodul des Front-Ends des Fahrzeugs handeln.
Der Wärmetauscher 16 ist, was die Durchströmung mit Kältemittel angeht, unidirektional ausgelegt, das heißt Kältemittel strömt stets vom Kompressor 14 aus durch den Wärmetauscher 16 und behält auch im Inneren des Wärmetauschers 16 stets dieselbe Strömungsrichtung bei. Dies hat zur Folge, dass der Wärmetauscher 16 nur in einem einzigen Betriebsmodus, nämlich als Wärmequelle, betrieben werden kann.
Auch der als Verdampfer arbeitende Wärmetauscher 20 des Fahrzeuginnenraummoduls 18 ist in diesem Beispiel so ausgelegt, dass er nur unidirektional durchströmbar ist und stets als Wärmesenke zur Kühlung der Fahrzeuginnenraumluft.
Der Wärmetauscher 22 ist hingegen bidirektional ausgelegt, was bedeutet, dass er in zwei entgegengesetzten Strömungsrichtungen von Kältemittel durchströmbar ist. In der einen Strömungsrichtung arbeitet der Wärmetauscher 22 als Kondensator und gibt Wärme an die Umgebung ab und dient somit als Wärmequelle, während er bei Durchströmung in der anderen Richtung als Verdampfer arbeitet, Wärmeenergie aus der Umgebung des Fahrzeugs aufnimmt und somit eine Wärmesenke darstellt.
Außerdem ist in diesem Beispiel noch ein zusätzlicher Wärmetauscher 23 im Kältemittelkreis 12 vorgesehen, der hier einem (in 1 angedeuteten) elektrischen Energiespeicher 25 des Fahrzeugs zugeordnet ist, der elektrische Antriebsenergie liefert, etwa bei einem Elektro- oder Hybridfahrzeug. Der Wärmetauscher 23 ist ebenfalls bidirektional ausgelegt.
Im Kältemittelkreis 12 ist ein Kältemittelsammler 24 angeordnet, in dem flüssiges Kältemittel gesammelt werden kann, sodass es momentan dem Kältemittelkreis 12 entzogen ist. Der Kältemittelsammler 24 befindet sich auf der Hochdruckseite (hierzu wird in dieser Anmeldung auch ein Zwischendruckniveau des Kältemittelkreises 12 gezählt, das einen höheren Druck aufweist als der zurück zum Kompressor 14 führende Niederdruckzweig).
Der Kältemittelsammler 24 ist in Strömungsverbindung mit dem Wärmetauscher 22 angeordnet, wobei zwischen diesen beiden Komponenten lediglich eine als elektronisches Expansionsventil ausgebildete Expansionsvorrichtung 26 geschaltet ist. Die Expansionsvorrichtung 26 ist so ausgelegt, dass sie bidirektional durchströmbar ist, wobei jedes Mal auf der stromabwärts gelegenen Seite der Expansionsvorrichtung 26 ein Druckabfall entsteht.
Der als Verdampfer arbeitende Wärmetauscher 20 des Fahrzeuginnenraummoduls 18 ist ebenfalls mit dem Kältemittelsammler 24 verbunden, wobei strömungsmäßig zwischen diesen beiden Bauteilen nur eine Expansionsvorrichtung 28 vorgesehen ist. Die Expansionsvorrichtung 28 ist hier durch ein thermisches Expansionsventil in Reihe mit einem einfachen Absperrventil gebildet.
Der zusätzliche Wärmetauscher 23 ist ebenfalls strömungsmäßig mit dem Kältemittelsammler 24 verbunden, wobei im Leitungsabschnitt zwischen dem Wärmetauscher 23 und dem Kältemittelsammler 24 lediglich eine Expansionsvorrichtung 32 vorgesehen ist, die hier analog zur Expansionsvorrichtung 26 als elektronisches Expansionsventil ausgebildet ist.
Von dem Leitungsabschnitt, der vom Ausgang des Wärmetauschers 16 zum Eingang des Wärmetauschers 22 führt, zweigt ein weiterer Leitungsabschnitt ab, der über eine zwischengeschaltete Expansionsvorrichtung 34 den Ausgang des Wärmetauschers 16 mit dem Kältemittelsammler 24 verbindet.
Sämtliche beschriebenen Komponenten sind in diesem Beispiel über jeweils einen eigenen Anschluss mit dem Kältemittelsammler 24 verbunden. Die beiden bidirektionalen Wärmetauscher 22, 23 sind jeweils mit einem eigenen bidirektionalen Anschluss 36 des Kältemittelsammlers 24 verbunden.
Der Wärmetauscher 20 des Fahrzeuginnenraummoduls 18 ist über einen unidirektionalen Auslass 40 für flüssiges Kältemittel mit dem Kältemittelsammler 24 verbunden, wobei der unidirektionale Auslass 40 so angeordnet und ausgebildet ist, dass durch diesen im wesentlichen nur flüssiges Kältemittel zum als Verdampfer arbeitenden Wärmetauscher 20 strömt. Der Leitungsabschnitt, der vom Ausgang des als Kondensator arbeitenden Wärmetauschers 16 zum Kältemittelsammler 24 führt, mündet in einen unidirektionalen Einlass 38 des Kältemittelsammlers 24, durch den flüssiges Kältemittel oder eine Mischung aus flüssigem und gasförmigen Kältemittel in den Kältemittelsammler 24 strömt.
Der Kältemittelsammler 24 ist im Detail mit Bezug auf die 4 bis 10 beschrieben.
Dem Wärmetauscher 22 ist ein erstes Luftleitelement 42 zugeordnet, hier in Form eines Shutters, das im geschlossenen Zustand einen Luftstrom durch den Umgebungs-Wärmetauscher 22 und damit eine Wärmeabgabe an die Umgebungsluft oder eine Wärmeaufnahme aus der Umgebungsluft praktisch vollständig verhindern kann. Durch Schließen des ersten Luftleitelements 42 lässt sich somit der Wärmetauscher 22 im Wesentlichen inaktiv schalten.
Außerdem ist ein zweites Luftleitelement 44 in Form einer Luftklappe vorgesehen, das in einem Luftkanal 46 angeordnet ist, über den Luft, die in den Fahrzeuginnenraum gelangen soll, durch den als Kondensator arbeitenden Wärmetauscher 16 geführt wird, um von diesem Wärme aufzunehmen. Über die Stellung des zweiten Luftleitelements 44 ist die Wärmeabgabe einstellbar. Wird das zweite Luftleitelement 44 komplett geschlossen, so erfolgt im Wesentlichen keine Wärmeabgabe an die in den Fahrzeuginnenraum einströmende Luft, und der Wärmetauscher 16 ist bezüglich seiner Heizwirkung inaktiv geschaltet.
Der zusätzliche Wärmetauscher 23 könnte ebenfalls mit einem Luftleitelement versehen sein, um seine Kühlwirkung einstellbar zu machen.
1 zeigt einen ersten Betriebsmodus, der einem Kühlmodus des Fahrzeuginnenraums entspricht.
In diesem Betriebsmodus strömt das Kältemittel von Kompressor 14, wo es verdichtet und auf ein höheres Temperaturniveau gebracht wird, durch den als Kondensator arbeitenden Wärmetauscher 16 des Fahrzeuginnenraummoduls 18. Der Wärmetauscher 16 wird in diesem Modus entweder thermisch überbrückt, indem das zweite Luftleitelement 44 geschlossen wird oder wird eingesetzt, um im als Verdampfer arbeitenden Wärmetauscher 20 heruntergekühlte Luft teilweise wieder aufzuwärmen. Im zweiten Fall verlässt das Kältemittel den Wärmetauscher 16 bereits teilweise oder vollständig im flüssigen Zustand.
Nach Verlassen des Wärmetauschers 16 passiert das gesamte Kältemittel den Wärmetauscher 22, der in diesem Fall als Kondensator arbeitet und Wärme an die Umgebung abgibt. In diesem Schritt kann das Kältemittel vollständig verflüssigt werden.
Vom Wärmetauscher 22 gelangt das Kältemittel in den Kältemittelsammler 24, und zwar über einen der bidirektionalen Anschlüsse 36 des Kältemittelsammlers 24, der in diesem Betriebsmodus als Einlass fungiert.
Von einem zentralen Aufnahmeraum 48 des Kältemittelsammlers 24 (siehe auch 4), in den sämtliche Anschlüsse 36, 38, 40 münden, gelangt das Kältemittel in diesem Beispiel über einen zweiten bidirektionalen Anschluss 36, zum zusätzlichen Wärmetauscher 23. Der bidirektionale Anschluss 36 fungiert in diesem Fall als Kältemittelauslass, und der zusätzliche Wärmetauscher 23 arbeitet als Verdampfer, beispielsweise um die elektrischen Energiespeicher 25 zu kühlen. Aufgrund der (weiter unten beschriebenen) Ausbildung der bidirektionalen Anschlüsse 36 verlässt das Kältemittel in weitgehend flüssigem Zustand den bidirektionalen Anschluss in Richtung zum Wärmetauscher 23 und erfährt gegebenenfalls unterwegs an der Expansionsvorrichtung 32 eine Druckabsenkung.
Nach Durchströmen des Wärmetauschers 23 wird das Kältemittel zum Kompressor 14 zurückgeführt. Wird eine Kühlung der elektrischen Energiespeicher 25 nicht benötigt, kann die Durchströmung des Wärmetauschers 23 unterbunden werden, in dem die Expansionsvorrichtung 32 abgesperrt wird.
In einem parallelen Kältemittelteilkreis gelangt gleichzeitig flüssiges Kältemittel durch den unidirektionalen Auslass 40 für flüssiges Kältemittel zum als Verdampfer arbeitenden Wärmetauscher 20 des Fahrzeuginnenraummoduls 18, wo es verdampft wird und Wärmeenergie aus der Fahrzeuginnenraumluft aufnimmt.
Vom Ausgang des Wärmetauschers 20 wird das Kältemittel, jetzt im Wesentlichen im gasförmigen Zustand, zurück zum Kompressor 14 gesaugt.
In diesem Betriebsmodus gelangt kein Kältemittel direkt vom Ausgang des Wärmetauschers 16 über den unidirektionalen Einlass 38 in den Kältemittelsammler 24, sondern das gesamte Kältemittel strömt über den Wärmetauscher 22 zum Kältemittelsammler 24.
Der als Verdampfer arbeitende Wärmetauscher 20 des Fahrzeuginnenraummoduls 18 wird in diesem Ausführungsbeispiel grundsätzlich immer durchströmt. Die Kältemittelmenge, die in den Wärmetauscher 20 gelangt, wird jedoch über die Expansionsvorrichtung 28 reguliert. Ist eine Kühlung der Fahrzeuginnenraumluft nicht gewünscht, so wird die Luft nach Passieren des Wärmetauschers 20 im
Wärmtauscher 16 wieder auf den ausgewählten Wert aufgeheizt. Das Abkühlen der Luft im Wärmetauscher 20 kann in diesem Fall zum Entfeuchten der Fahrzeuginnenraumluft genutzt werden.
2 zeigt das Fahrzeug-Klimasystem 10 in einem zweiten Betriebsmodus.
Hier soll die Fahrzeuginnenraumluft aufgeheizt werden.
Das Kältemittel strömt vom Kompressor 14, wo es verdichtet und auf ein höheres Temperaturniveau wird, direkt durch den Wärmetauscher 16 des Fahrzeuginnenraummoduls 18. Dort nimmt die durch den Luftkanal 46 strömende Luft Wärme aus dem Kältemittel auf und führt sie mit dem Luftstrom dem Fahrzeuginnenraum zu. Das zweite Luftleitelement 44 ist dabei in geöffneter Stellung, um eine Luftdurchströmung durch den Luftkanal 46 zu ermöglichen. Über die Stellung des zweiten Luftleitelements 44 besteht eine Möglichkeit, die Heizwirkung zu regulieren.
Vom Wärmetauscher 16 des Fahrzeuginnenraummoduls 18 gelangt das Kältemittel über den unidirektionalen Einlass 38 in den Kältemittelsammler 24.
Von dort wird es über zwei parallele Teilkreisläufe zum Kompressor 14 zurückgeführt. Im ersten Teilkreislauf strömt im Wesentlichen flüssiges Kältemittel über den bidirektionalen Anschluss 36, der in diesem Fall als Auslass dient, zum Wärmetauscher 22 des Front-End-Kühlmoduls. Dieser wird gegenüber dem Betriebsmodus in 1 in der umgekehrten Richtung durchströmt und nimmt jetzt in einem Wärmepumpenbetrieb Wärmeenergie aus der Umgebung auf und gibt diese an das Kältemittel weiter.
Im zweiten Teilkreislauf strömt flüssiges Kältemittel über den unidirektionalen Auslass 40 für flüssiges Kältemittel zum Wärmetauscher 20 des Fahrzeuginnenraummoduls 18 und von dort zurück zum Kompressor 14, wie dies auch im ersten Betriebsmodus der Fall ist.
Der Wärmetauscher 20 arbeitet wie stets als Wärmesenke und entzieht der Fahrzeuginnenraumluft Wärmeenergie, die an das Kältemittel abgegeben wird, wobei gleichzeitig ein Entfeuchten der Luft stattfindet, wenn die Lufttemperatur unter ihre Taupunkttemperatur abgesenkt wird.
Der zusätzliche Wärmetauscher 23 ist in diesem Beispiel nicht durchströmt.
Vorzugsweise wird der Luftstrom im Fahrzeuginnenraum in diesem Fall nur umgewälzt, also keine Frischluft zugeführt. Auf diese Weise wird über den Wärmetauscher 20 Wärme aus der Fahrzeuginnenraumluft zurückgewonnen. Dieser Betriebsmodus wird vor allem im Winter eingesetzt, um den Fahrzeuginnenraum aufzuheizen.
3 zeigt einen dritten Betriebsmodus des Fahrzeug-Klimasystems 10.
Im Gegensatz zum gerade beschriebenen zweiten Betriebsmodus wird hier auch der zusätzliche Wärmetauscher 23 betrieben, und zwar als Kondensator, um beispielsweise die elektrischen Energiespeicher 25 des Fahrzeugs aufzuheizen.
Der Kältemittelfluss verläuft in diesem Fall vom Wärmetauscher 16 des Fahrzeuginnenraummoduls 18 über den zusätzlichen Wärmetauscher 23 zum Kältemittelsammler 24. Das Kältemittel gelangt durch den dem Wärmetauscher 23 zugeordneten bidirektionalen Anschluss 36, der jetzt als Einlass wirkt, in den Aufnahmeraum 48 des Kältemittelsammlers 24.
Die direkte Verbindung zwischen dem Wärmetauscher 16 und dem Kältemittelsammler 24 ist in diesem Fall abgesperrt und wird nicht durchströmt.
Vom Kältemittelsammler 24 strömt das Kältemittel in zwei parallelen Teilkreisläufen durch den Wärmetauscher 22 sowie durch den Wärmetauscher 20 des Fahrzeuginnenraummoduls 18, wie oben beschrieben.
Der Kältemittelfluss im Kältemittelkreis 12 wird durch eine geeignete Stellung der Expansionsvorrichtungen in den jeweiligen Leitungsabschnitten so angepasst, wie es der jeweilige Betriebsmodus erfordert.
Weitere mögliche Betriebsmodi verdeutlicht 11, in der nur die Schaltund Expansionsventile dargestellt sind und die Wärmetauscher weggelassen wurden.
Zum Beispiel kann Kältemittel vom Kompressor 14 kommend über die geöffnete Expansionsvorrichtung 72 und das Schließventil 76 an den Wärmetauschern 20, 22, 23 und dem Kältemittelsammler 24 vorbeigeführt und direkt wieder in den Kompressor 14 geleitet werden.
Sind das Luftleitelement 44, die Ventile 70, 74 und 76 sowie die Expansionsvorrichtung 32 geschlossen, dann lässt sich in diesem Modus die Energie, die vom Kompressor 14 abgegeben wird, als Arbeitswärme im Kältemittelkreis 12 sammeln. Das ist z.B. bei einem Kaltstart im Winter nützlich, um schnell die Leistungsabgabe des Kältemittelkreises 12 hochzufahren.
Bei diesem Betriebsmodus sollte die Masse des Kältemittels, das durch den Kältemittelkreis 12 strömt, reguliert werden. Der Bedarf an Kältemittelmasse im Kältemittelkreis 12 lässt sich z.B. durch Messung von Druck und Temperatur des Kältemittels am Eingang des Kompressors 14 und die Berechnung der Überhitzung des Kältemittels bestimmen.
Ist die Überhitzung zu hoch, dann können entweder die Expansionsvorrichtung 26 und das Absperrventil 74 oder das Absperrventil 28 und die Expansionsvorrichtung 32 kurzzeitig geöffnet werden, sodass Kältemittel aus dem Kältemittelsammler 24 in den Kältemittelkreis 12 gesogen wird.
Fällt hingegen die Überhitzung gegen Null, dann kann durch Öffnen des Absperrventils 34 Kältemittel aus dem Kältemittelkreis 12 in den Kältemittelsammler 24 geleitet und dort gespeichert werden.
Dem Kältemittelkreis 12 kann beispielsweise Wärme für das Heizen des Fahrzeuginnenraums so entnommen werden, dass das Luftleitelement 44 geöffnet wird und der Luftmassenstrom durch den Wärmetauscher 16 so abgestimmt wird, dass die vom Wärmetauscher 16 abgegebene Wärme durch die Energiezufuhr des Kompressors 14 kompensiert wird.
Der Wärmetauscher 22 und der Wärmetauscher 23 können beide in der gleichen Betriebsweise betrieben werden, also beide gleichzeitig als Wärmequelle oder als Wärmesenke arbeiten, es kann aber auch nur jeweils einer der beiden Wärmetauscher 22, 23 in Betrieb sein. Es ist auch möglich, beide Wärmetauscher 22, 23 inaktiv zu schalten.
Natürlich können auch noch weitere Wärmetauscher im Kältemittelkreis 12 vorgesehen sein, die mit beschriebenen Wärmetauschern in Reihe geschaltet sind und nicht über eigenen Anschlüsse mit dem Kältemittelsammler 24 verbunden sind.
Die 4 bis 10 zeigen den Kältemittelsammler 24 im Detail.
Der Kältemittelsammler 24 hat ein Gehäuse, in dem der im Wesentlichen zylindrische Aufnahmeraum 48 für flüssiges Kältemittel ausgebildet ist, der eine im Wesentlichen kreiszylindrische Innenwand 50 besitzt. Die in 4 dargestellte Lage entspricht der idealen Einbaulage des Kältemittelsammlers 24 im Fahrzeug-Klimasystem 10, wobei die Mittelachse A des Gehäuses vertikal ausgerichtet ist.
Im unteren Bereich des Gehäuses sind zwei identisch ausgebildete, aber spiegelbildlich angeordnete bidirektionale Anschlüsse 36 vorgesehen, über die der Kältemittelsammler 24 in der beschriebenen Ausführungsform des Fahrzeug-Klimasystems 10 mit den Wärmetauschern 22 und 23 verbunden ist, die beide als bidirektionale Komponenten betrieben werden können.
5 zeigt einen Schnitt entlang der Linie V-V in 4 auf der Höhe der beiden bidirektionalen Anschlüsse 36.
Beide bidirektionalen Anschlüsse 36 haben eine Verbindung zum Aufnahmeraum 48 und sind gegenüber der Horizontalen zum Aufnahmeraum 48 hin ansteigend ausgerichtet. Der Neigungswinkel α ist kleiner als 90° und liegt beispielsweise zwischen 10° und 30°, insbesondere bei etwa 21° (siehe 4 und 9).
Die bidirektionalen Anschlüsse 36 münden in diesem Beispiel in einem Boden 52 des Aufnahmeraums 48, also an der tiefstgelegenen Stelle des Aufnahmeraums 48 im eingebauten Zustand des Kältemittelsammlers 24.
Im Bereich der Mündung 53 in den Aufnahmeraum 48 verlaufen die bidirektionalen Anschlüsse 36 jeweils im Wesentlichen tangential zur Innenwand 50 des kreiszylindrischen Aufnahmeraums 48.
Wird der bidirektionale Anschluss 36 als Auslass eingesetzt, so fließt durch ihn überwiegend flüssiges Kältemittel ab, da sich dieses am Boden 52 des Kältemittelsammlers 24 sammelt.
Wird der bidirektionale Anschluss 36 dagegen als Einlass eingesetzt, so beschreibt das einströmende Kältemittel aufgrund seiner nach oben gerichteten Bewegungskomponente einen Bogen und kommt auf diese Weise oberhalb des Bodens 52 in Kontakt mit der Innenwand 50. Der bezüglich der Innenwand 50 tangentiale Verlauf des bidirektionalen Anschlusses 36 sorgt dafür, dass die flüssigen Anteile des Kältemittels fliehkraftbedingt entlang der Innenwand 50 geführt werden und dort infolge der Reibung mit der Innenwand abgebremst werden. Die flüssigen Anteile des Kältemittels bilden einen Flüssigkeitsfilm an der Innenwand 50 und fließen aufgrund der Schwerkraft zum Boden 52 des Aufnahmeraums 48 ab. Die gasförmigen Anteile des Kältemittels sammeln sich hingegen im oberen Bereich des Aufnahmeraums 48. Die Form und Anordnung der bidirektionalen Anschlüsse 36 ermöglicht so eine effektive Abtrennung der flüssigen Anteile des Kältemittels.
6 zeigt einen Schnitt entlang der Linie VI-VI in 4 auf der Höhe des unidirektionalen Einlasses 38.
Der unidirektionale Einlass 38 ist nahe des oberen Endes des Aufnahmeraums 48 angeordnet. Durch diesen Anschluss gelangt Kältemittel in den Aufnahmeraum 48, das sowohl flüssige als auch gasförmige Anteile enthalten kann, in der beschriebenen Ausführungsform vom Wärmetauscher 16 des Fahrzeuginnenraummoduls 18.
Der unidirektionale Einlass 38 verläuft in seinem Mündungsbereich in horizontaler Richtung und mündet tangential zur Innenwand 50 in den Aufnahmeraum 48.
Die Abtrennung der flüssigen Anteile des durch den unidirektionalen Einlass 38 zugeführten Kältemittels erfolgt wie bei den bidirektionalen Anschlüssen 36 nach dem Zentrifugalprinzip, wobei flüssige Anteile an der Innenwand 50 des Aufnahmeraums 48 aufgefangen werden, diese mit einem Flüssigkeitsfilm benetzen und sich am Boden 52 des Aufnahmeraums 48 sammeln, während die gasförmigen Anteile im oberen Bereich des Aufnahmeraums 48 verbleiben.
In den unidirektionalen Einlass 38 des Kältemittelsammlers 24 könnte eine Expansionsvorrichtung 54, z.B. eine Drossel, integriert sein (angedeutet in 6), die eine Druckminderung des einströmenden Kältemittels bewirkt.
Der hier gezeigte Kältemittelsammler 24 weist an seinem oberen Ende einen weiteren Auslass 55 auf, der dazu vorgesehen ist, gasförmiges Kältemittel in den Kältemittelkreises 12 einzuspeisen, beispielsweise zu einer Zwischenstufe eines mehrstufigen Kompressors. Auf diese Weise können die Verdampfer im Kältemittelkreis 12 umgangen werden, wenn die Kältemittelmenge im Kältemittelkreis 12 erhöht werden soll. Bei der hier gezeigten Ausführungsform des Fahrzeug-Klimasystems 10 wird dieser Anschluss nicht verwendet, dies wäre aber prinzipiell möglich.
Außerdem ist am Boden 52 des Aufnahmeraums 48 der unidirektionale Auslass 40 für flüssiges Kältemittel ausgebildet, der in der beschriebenen Ausführungsform des Fahrzeug-Klimasystems mit dem Eingang des Wärmetauschers 20 des Fahrzeuginnenraummoduls 18 verbunden ist. Da sich die flüssigen Anteile des Kältemittels am Boden 52 sammeln, verlässt durch den Auslass 40 im Wesentlichen flüssiges Kältemittel den Kältemittelsammler 24.
Auch wenn in diesem Beispiel nur zwei bidirektionale Anschlüsse 36 gezeigt sind, kann selbstverständlich der Kältemittelsammler 24 auch mehr als zwei bidirektionale Anschlüsse 36 oder nur einen einzigen bidirektionalen Anschluss 36 aufweisen. Genauso können mehrere unidirektionale Einlässe 38 und/oder mehrere unidirektionale Auslässe 40 für flüssiges Kältemittel vorgesehen sein. Diese verteilen sich dann über den Umfang des Aufnahmeraums 48 vorzugsweise jeweils auf der gleichen axialen Höhe. So können weitere, individuell schaltbare Wärmetauscher zum Kältemittelkreis 12 hinzugefügt werden.
In der hier dargestellten Ausführungsform ist am unidirektionale Auslass 40 für flüssiges Kältemittel ein Filter 56 vorgesehen, der Fremdbestandteile im Kältemittel zurückhält, damit diese nicht in den Kältemittelkreis 12 gelangen können.
Alternativ oder zusätzlich ist am unidirektionalen Auslass 40 für flüssiges Kältemittel in diesem Beispiel ein Trocknungsmittel 58 vorgesehen, dass dem flüssigen Kältemittel eventuell vorhandenes Wasser entzieht.
Das Gehäuse des Kältemittelsammlers 24, insbesondere an seiner äußeren zylindrischen Mantelfläche, kann mit einem Isolierungsmittel 60 (angedeutet in 4) versehen sein, die eine Wärmeübertragung zwischen der Umgebung und dem Kältemittel im Aufnahmeraum 48 reduziert.
Außerdem ist es möglich, eine Heizvorrichtung 62 vorzusehen, die insbesondere als elektrische Heizung ausgelegt ist, und die ebenfalls an der zylindrischen Außenseite des Gehäuses angeordnet sein kann, das Kältemittel im Aufnahmeraum 48 bei niedrigen Umgebungstemperaturen aufzuheizen.
Zum selben Zweck kann alternativ oder zusätzlich eine Wärmespeichervorrichtung 64, insbesondere ein Latentwärmespeicher, vorgesehen sein, der z.B. ein Phasenwechselmaterial (PCM) enthält, das im Bedarfsfall das Gehäuse und damit das Kältemittel im Aufnahmeraum 48 erwärmt.
Das Gehäuse des Kältemittelsammlers 24 setzt sich in diesem Beispiel aus einer Bodenplatte 66 sowie einem einseitig geschlossenen Zylinderbauteil 68 zusammen. Dies ist in den 7 bis 10 näher dargestellt. 7 zeigt eine rückwärtige Ansicht der Bodenplatte 66, während 8 eine frontseitige Ansicht der Bodenplatte 66 darstellt. 9 zeigt einen Schnitt durch einen der bidirektionalen Anschlüsse 36. In 10 ist das Zylinderbauteil 68 gezeigt, das im Wesentlichen das Volumen des Aufnahmeraums 48 definiert.
Die Bodenplatte 66 und das Zylinderbauteil 68 sind hier über an beiden Bauteilen ausgebildete, radial abstehende Flansche 70 miteinander verschraubt.
In der Bodenplatte 66 sind die bidirektionalen Anschlüsse 36 sowie der unidirektionale Auslass 40 für flüssiges Kältemittel als Durchgangsöffnungen ausgebildet, die im wesentlichen geradlinig durch die Bodenplatte 66 verlaufen und die die Richtung der Anschlüsse, beispielsweise im Fall der bidirektionale Anschlüsse 36 den Neigungswinkel α, sowie die Position der Mündungen 53 der Anschlüsse im Boden 52 des Aufnahmeraums 48 vorgeben. Der von der Bodenplatte 66 und dem Zylinderbauteil 68 umschlossene Aufnahmeraum 48 hat beispielsweise einen Durchmesser von ca. 70 mm und eine Höhe von ca. 150 mm.
In der Durchgangsöffnung, die den unidirektionalen Auslass 40 für flüssiges Kältemittel bildet, können der Filter 56 und/oder das Trocknungsmittel 58 integriert sein.
Das Zylinderbauteil 68 bildet die Umfangswand des Aufnahmeraums 48 und dessen Innenwand 50 und weist außerdem den unidirektionalen Einlass 38 auf, der als Durchgangsöffnung durch die Innenwand 50 ausgebildet ist (siehe 6 und 10).
Selbstverständlich kann der Kältemittelsammler 24 Mittel zur Überwachung seines Füllstandes und Funktionszustandes aufweisen, beispielsweise Temperatur- und Druckfühler sowie Füllstandsmesser zur Bestimmung des Füllstands von flüssigem Kältemittel im Aufnahmeraum 48.

Claims

Kältemittelsammler eines Fahrzeug-Heizungs-, -Lüftungs-, und -Klimasystems, mit einem Gehäuse, in dem ein Aufnahmeraum (48) für Kältemittel ausgebildet ist, mit wenigstens einem bidirektionalen Anschluss (36) und mit wenigstens einem unidirektionalen Einlass (38), die jeweils mit dem Aufnahmeraum (48) strömungsmäßig verbunden sind.
Kältemittelsammler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der unidirektionale Einlass (38) nahe des oberen Endes des Aufnahmeraums (48) angeordnet ist.
Kältemittelsammler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der unidirektionale Einlass (38) tangential zu einer Innenwand (50) des Aufnahmeraums (48) in den Aufnahmeraum (48) mündet.
Kältemittelsammler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der unidirektionale Einlass (38) im Bereich der Mündung in den Aufnahmeraum (48) horizontal verläuft.
Kältemittelsammler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des unidirektionalen Einlasses (38) eine Expansionsvorrichtung (53) vorgesehen ist, insbesondere eine Drossel.
Kältemittelsammler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine bidirektionale Anschluss (36) im Boden (52) oder nahe des Bodens (52) des Aufnahmeraums (48) angeordnet ist.
Kältemittelsammler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine bidirektionale Anschluss (36) tangential zu einer Innenwand (50) des Aufnahmeraums (48) in den Aufnahmeraum (48) mündet.
Kältemittelsammler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine bidirektionale Anschluss (36) im Bereich der Mündung in den Aufnahmeraum (48) in einem Winkel von 0° bis 60°, insbesondere von 10° bis 30°, ansteigend gegenüber der Horizontalen verläuft.
Kältemittelsammler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein unidirektionaler Auslass (40) für flüssiges Kältemittel vorgesehen ist, der strömungsmäßig mit dem Aufnahmeraum (48) verbunden ist.
Kältemittelsammler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der unidirektionale Auslass (40) für flüssiges Kältemittel in einem Boden (52) des Aufnahmeraums (48) nahe der Innenwand (50) des Aufnahmeraums (48) angeordnet ist.
Kältemittelsammler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein unidirektionaler Auslass (40) für gasförmiges Kältemittel vorgesehen ist, der an einem oberen Ende des Aufnahmeraums (48) und insbesondere im Bereich der Mittelachse (A) des Aufnahmeraums (48) angeordnet ist.
Kältemittelsammler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Filter (56) vorgesehen ist, der von Kältemittel durchströmt ist.
Kältemittelsammler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Trocknungsmittel (58) vorgesehen, das dem Kältemittel Wasser entzieht.
Kältemittelsammler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Gehäuse ein Isolierungsmittel (60) zur thermischen Isolierung des Aufnahmeraums (48) vorgesehen ist.
Kältemittelsammler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Gehäuse eine Wärmespeichervorrichtung (64) und/oder eine Heizvorrichtung (62) vorgesehen ist, um die Temperatur des Kältemittels im Aufnahmeraum (48) zu erhöhen.
Fahrzeug-Heizungs-, -Lüftungs-, und -Klimasystem mit einem Kältemittelkreis, in dem ein auf einer Hochdruckseite angeordneter Kältemittelsammler (24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, sowie ein Kompressor (14), der Kältemittel im Kältemittelkreis (12) bewegt, wenigstens ein bidirektionaler Wärmetauscher (22, 23), über den Wärmeenergie mit der Umgebung des Fahrzeug-Heizungs-, -Lüftungs-, und -Klimasystems (10) oder mit Fahrzeugkomponenten ausgetauscht werden kann, und ein Fahrzeuginnenraummodul (18), über das Wärmeenergie mit einem Fahrzeuginnenraum ausgetauscht werden kann, vorgesehen sind.
Fahrzeug-Heizungs-, -Lüftungs-, und -Klimasystem nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelsammler (24) so im Kältemittelkreis (12) angeordnet ist, dass dem unidirektionalen Einlass (38) Kältemittel von einem Wärmetauscher (16) des Fahrzeuginnenraummoduls (18) zugeführt wird, der ausschließlich als Kondensator arbeitet.
Fahrzeug-Heizungs-, -Lüftungs-, und -Klimasystem nach einem der Ansprüche 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelsammler (24) so im Kältemittelkreis (12) angeordnet ist, dass der wenigstens eine bidirektionale Anschluss (36) mit einem bidirektionalen Wärmetauscher (22, 23) verbunden ist, der wechselweise als Verdampfer oder als Kondensator arbeiten kann.
Fahrzeug-Heizungs-, -Lüftungs-, und -Klimasystem nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelsammler (24) so im Kältemittelkreis (12) angeordnet ist, dass ein unidirektionaler Auslass (40) flüssiges Kältemittel zu einem Eingang eines Wärmetauschers (20) des Fahrzeuginnenraummoduls (18) liefert, der ausschließlich als Verdampfer arbeitet.