DE102016000316A1

DE102016000316A1 - Fahrzeugklimaanlage

Info

Publication number: DE102016000316A1
Application number: DE102016000316.2A
Authority: DE
Inventors: Jan Christoph Menken; Thomas Weustenfeld
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2016-01-13
Filing date: 2016-01-13
Publication date: 2017-07-13
Anticipated expiration: 2036-01-14
Also published as: DE102016000316B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage (10) für ein Fahrzeug, umfassend einen Kältemittelkreislauf (2.1) mit einem indirekten Verdampfer (2.2), einem Kältemittelverdichter (2.3), einem indirekten Kältemittelkondensator (2.4) und einem Expansionsorgan (2.5), wobei der indirekte Verdampfer (2.2), der Kältemittelverdichter (2.3), der indirekte Kältemittelkondensator (2.4) und das Expansionsorgan (2.5) eine konstruktive Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit (2) zur Erzeugung von heißem oder kaltem Kühlmittel bilden, einen ersten Kühlmittelkreislauf (K1) mit einem Umgebungs-Wärmeübertrager (4), einen zweiten Kühlmittelkreislauf (K2) mit einem Heizungs-Wärmeübertrager (5.1), einen dritten Kühlmittelkreislauf (K3) mit einem Kühlungs-Wärmeübertrager (5.2), und ein Mehrwegeventil (3) zum wahlweisen fluidleitenden Verbinden der Kühlmittelkreisläufe (K1, K2, K3) mit der Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit (2), wobei das Mehrwegeventil (3) zusammen mit der Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit (2) als kompakte Thermomanagementeinheit (1) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage für ein Fahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer solchen Klimaanlage.
Fahrzeugklimaanlagen sind aus dem Stand der Technik bekannt und dienen dazu den Innenraum bzw. die Fahrgastzelle eines Fahrzeugs mit einem Zuluftstrom mit einer vorgegebenen Temperatur zu versorgen.
Solche Klimaanlagen umfassen einen Kältemittelkreislauf, welcher im Wesentlichen aus einem Kompressor, Ventilen und verschiedenen direkten Kältemittel-Luft- und indirekten Kältemittel-Wasser-Wärmeübertragern auf der Hoch- und Niederdruckseite sowie einem Kältemittelsammler bestehen. Diese Komponenten des Kältemittelkreislaufs sind dabei in Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden Bauräume im Vorderwagen des Fahrzeugs verteilt. Die Anbindung der Verbraucher erfolgt dabei über Leitungen des Kältemittelkreislaufs oder eines Sekundärkreislaufs (in der Regel Wasser-Glysantin-Gemisch). Für den Wechsel der Betriebszustände sind diverse Umschalt- und Absperrventile im Thermomanagement verbaut.
Durch die Vielzahl an Leitungen sowie Absperr- und Umschaltventilen können sowohl der Kältemittelkreislauf als auch die Kühlmittelkreisläufe sehr komplex werden. Dies hat insbesondere den Nachteil, dass sich abhängig vom jeweiligen Verschaltungszustand eine nicht zu vernachlässigende Kältemittelmenge in nicht verwendeten Zweigen befindet, wodurch der Betrieb des Kältemittelkreislaufs ineffizient wird. Aufgrund der Einhaltung von Biegeradien wird ein verhältnismäßig großer Bauraum beansprucht. Ferner stellt die Befüllung des Kältekreises sowie die Dichtigkeitsprüfung ein aufwendiger Vorgang dar. Die hierfür und für den Verbau aufgewendete Fertigungszeit verursacht hohe Kosten in der Produktion.
Daher ist es Aufgabe der Erfindung eine Klimaanlage für ein Fahrzeug anzugeben, bei welchem im Vergleich zum Stand der Technik die Kältemittelmenge signifikant reduziert ist. Außerdem soll mit einer solchen Klimaanlage die Fertigungszeit reduziert und die Befüllung sowie die Wartung vereinfacht werden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Klimaanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Eine solche Klimaanlage für ein Fahrzeug umfasst:

– einen Kältemittelkreislauf mit einem indirekten Verdampfer, einem Kältemittelverdichter, einem indirekten Kältemittelkondensator und einem Expansionsorgan, wobei der indirekte Verdampfer, der Kältemittelverdichter, der indirekte Kältemittelkondensator und das Expansionsorgan eine konstruktive Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit zur Erzeugung von heißem oder kaltem Kühlmittel bilden,
– einen ersten Kühlmittelkreislauf mit einem Umgebungs-Wärmeübertrager,
– einen zweiten Kühlmittelkreislauf mit einem Heizungs-Wärmeübertrager,
– einen dritten Kühlmittelkreislauf mit einem Kühlungs-Wärmeübertrager, und
– ein Mehrwegeventil zum wahlweisen fluidleitenden Verbinden der Kühlmittelkreisläufe mit der Kälte- oder Wärmeerzeugungseinheit, wobei das Mehrwegeventil zusammen mit der Kälte- oder Wärmeerzeugungseinheit als kompakte Thermomanagementeinheit ausgebildet ist.

Die erfindungsgemäße Klimaanlage besteht somit aus einer kompakten Thermomanagementeinheit mit zwei kompakten Einheiten, nämlich einer Wärmeerzeugungseinheit zur Erzeugung von heißem oder kaltem Kühlmittel sowie einem Mehrwegeventil zur Verteilung der Kühlmittelströme. Mit diesem ebenso als kompakte Einheit ausgeführten Mehrwegeventil werden verschiedene Verschaltungszustände realisiert.
Mit einer solchen kompakten Thermomanagementeinheit kann die Kältemittelmenge im Vergleich zu konventionellen Systemen wesentlich reduziert werden. Zudem kann der mit der Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit realisierte Kältemittelkreislauf hermetisch gekapselt werden, wodurch die Dichtigkeit in verschiedenen Szenarien, bspw. in einem Crash wesentlich erhöht wird. Dadurch dass die Komponenten der Kühlmittelkreisläufe nur durch kühlmittelführende, bspw. wasserführende Vor- und Rücklaufleitungen an das Mehrwegeventil angeschlossen sind, vereinfacht sich die Integration im Fahrzeug, wobei insbesondere kein Kältemittel zum Umgebungs-Wärmeübertrager und den Innenraum des Fahrzeugs geführt werden muss.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Thermomanagementeinheit besteht darin, dass dessen kompakte Einheiten einfach zu verbauen sind, wodurch eine Reduktion der Fertigungszeit und eine Einsparung an Bauteilen, wie bspw. Fluidleitungen realisiert werden. Gleichzeitig vereinfachen sich die Befüllung mit Kältemittel und die Wartung der Klimaanlage als System.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung lässt sich der Bauraum für die Thermomanagementeinheit weiter optimieren bzw. minimieren, indem die Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit direkt benachbart zum Mehrwegeventil angeordnet ist.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass

– der erste Kühlmittelkreislauf eine Kühlmittelpumpe aufweist,
– der zweite Kühlmittelkreislauf eine Kühlmittelpumpe aufweist, und
– die die beiden Kühlmittelpumpen direkt benachbart zur Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit und/oder zum Mehrwegeventil angeordnet sind.

Damit werden auch die Kühlmittelpumpen des zweiten und dritten Kühlmittelkreislaufes bauraumoptimal in die erfindungsgemäße Thermomanagementeinheit integriert.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Klimaanlage einen vierten Kühlmittelkreislauf mit einem thermisch mit einem Fahrzeugantrieb gekoppelten Kühlungs-Wärmeübertrager auf, welcher mit dem Mehrwegeventil fluidleitend verbunden ist. Damit kann in konstruktiv einfacher Weise ein Wärmepumpenbetrieb unter Nutzung der Abwärme der Antriebskomponente des Fahrzeugs, wie bspw. eines elektrischen Antriebs oder einer Brennkraftmaschine realisiert werden.
Die erfindungsgemäße Klimaanlage kann in allen Fahrzeugtypen eingesetzt werden, insbesondere in konventionellen oder elektrifizierten Fahrzeugen.
Anstelle der als Kältemittelkreislauf ausgebildeten Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit kann diese auch mittels Peltier-Elementen, als magnetokalorische Wärmepumpe oder mittels jeder anderen geeigneten Technologie realisiert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
1 ein Schaltbild einer Fahrzeugklimaanlage mit einer erfindungsgemäßen Thermomanagementeinheit,
2 eine schematische Darstellung einer Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit und eines Mehrwegeventils der Thermomanagementeinheit nach 1, und
3 eine schematische Darstellung der in einem Fahrzeug verbauten Thermomanagementeinheit gemäß den 1 und 2.
Die 1 zeigt eine Klimaanlage 10 eines Fahrzeugs mit einer Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit 2 zur Erzeugung von heißem oder kaltem Kühlmittel, einem mit der Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit 2 fluidverbundenen Mehrwegeventil 3, welches zur Verteilung von Kühlmittel mit Verbrauchern fluidisch verbunden ist. Diese Verbraucher sind zum einen ein Umgebungs-Wärmeübertrager 4 mit einem Ventilator 4.1 (auch Kühler genannt) als Frontend des Vorderwagens des Fahrzeugs zur Bildung eines ersten Kühlmittelkreislaufes K1 sowie ein Klimagerät 5. Dieses Klimagerät 5 umfasst einen Heizungs-Wärmeübertrager 5.1 zur Bildung eines zweiten Kühlmittelkreislaufes K2 sowie einen Kühlungs-Wärmeübertrager 5.2 zur Bildung eines Dritten Kühlmittelkreislaufes K3, die jeweils an das Mehrwegeventil 3 fluidisch angebunden sind. Ferner weist das Klimagerät 5 eine Luftklappe 5.3 auf, mit welcher bspw. ein dem Klimagerät 5 zugeführte Luftstrom L1 nach einer Kühlung an dem Kühlungs-Wärmeübertrager 5.2 zumindest teilweise auch an dem Heizung-Wärmeübertrager 5.1 zum Heizen vorbeigeführt werden kann, um anschließend mit dem nicht beheizten Luftstrom als Zuluftstrom L2 in das Fahrzeuginnere geleitet zu werden.
Ein vierter Kühlmittelkreislauf K4 ist ebenso mit dem Mehrwegeventil 3 verbunden, der von einem mit einem Antrieb M des Fahrzeugs thermisch verbundenen Kühlungs-Wärmeübertrager 6 gebildet wird. Die elektrische Energie für die elektrisch betriebenen Komponenten wird von einem Energiespeicher 7 zur Verfügung gestellt.
Die Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit 2 ist als Kältemittelkreislauf 2.1 mit einem indirekten Verdampfer 2.2, einem Kältemittelverdichter 2.3, einem indirekten Kondensator 2.4 und einem Expansionsorgan 2.5 aufgebaut, wobei der indirekte Kondensator 2.4 und der indirekte Verdampfer 2.5 als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmetauscher in der Art von Plattenwärmeübertragern ausgeführt sind. Diese Komponenten sind konstruktiv zu einer kompakten Einheit zusammengefasst, die eine quaderförmige Kontur aufweist. Wie aus den 1 bis 3 ersichtlich, sind hierzu die Komponenten indirekter Verdampfer 2.2, Kältemittelverdichter 2.3 und der indirekte Kondensator 2.4 in der aufgeführten Reihenfolge hintereinander verbaut und ergeben somit eine äußerst kompakte Bauform. Aufgrund dieser kompakten Bauform des Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit 2 kann die Kältemittelmenge im Vergleich zu konventionellen Systemen signifikant reduziert werden. Außerdem kann der in der Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit 2 realisierte Kältemittelkreislauf 2.1 hermetisch gekapselt werden, wodurch die Dichtigkeit in verschiedenen Szenarien, wie bspw. bei einem Crash sich wesentlich erhöhen lässt. Schließlich sind auch keine Ventile im Kältemittelkreislauf 2.1 außerdem Expansionsventil
In einer ebenso kompakten Bauform ist das Mehrwegeventil 3 als Rotationsventil ausgeführt, wie dies bspw. aus der DE 10 2008 060 698 A1 bekannt ist. Dieses bekannte Rotationsventil umfasst einen in einem hohlzylindrischen Ventilgehäuse drehbaren Ventilkörper mit einer Drehachse, wobei um die Drehachse angeordnete und in axialer Richtung verlaufende Durchgangskanäle in dem Ventilkörper vorgesehen sind, die stirnseitig dieses Ventilkörpers an einer drehfest mit dem Ventilgehäuse verbundenen Steuerscheibe mit Zuläufen enden. Diese Zuläufe der Steuerscheibe korrespondieren mit den Durchgangskanälen, so dass bei einer Drehung des Ventilkörpers die einzelnen Durchgangskanäle abwechselnd mit den verschiedenen axial ausgerichteten Zuläufen der Steuerscheibe fluchten. In dem Ventilgehäuse sind parallel zur Drehachse verlaufende Abläufe angeordnet, deren Anzahl mit den Durchgangskanälen korrespondiert. In axialer Richtung des Ventilkörpers weist dieser fluiddicht voneinander getrennte Ringkammern auf, die jeweils eine radial gerichtete Bohrung aufweisen und mit jeweils einem der axialen Durchgangskanäle verbunden sind. Ferner fluchtet jeder dieser radial gerichteten Bohrungen jeweils mit einem Ablauf in dem Ventilgehäuse.
Die kompakt ausgeführte Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit 2 bildet zusammen mit dem ebenso kompakten Mehrwegeventil 3 eine kompakte Thermomanagementeinheit 1, wie dies aus 3 ersichtlich ist. Hierzu werden diese kompakten Einheiten 2 und 3 in direkter Nachbarschaft zueinander angeordnet, so dass die Längsrichtungen diese Einheiten 2 und 3 parallel zueinander verlaufen. Ferner werden Kühlmittelpumpen 8 und 9 des zweiten und dritten Kühlmittelkreislaufes K2 und K3 baulich in die Anordnung aus der Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit 2 und dem Mehrwegeventil 3 integriert, so dass sie direkt benachbart zur Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit 2 und zum Mehrwegeventil 3 angeordnet sind.
Die 3 zeigt eine perspektivische Anordnung auf den Vorderwagen des Fahrzeugs mit einer solchen Thermomanagementeinheit 1, welche in Fahrtrichtung gesehen hinter dem Klimagerät 5 angeordnet ist, so dass lediglich längere Verbindungsleitungen zu dem Umgebungs-Wärmeübertrager 4 erforderlich sind, während die Fluidverbindungen in das Klimagerät 5 kurz gehalten werden können.
Die Integration einer solchen Thermomanagementeinheit 1 ist wesentlich vereinfacht, da die Fluidverbindung sowohl zwischen der Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit 2 und dem Mehrwegeventil 3 als auch die Fluidverbindungen für die an das Mehrwegeventil 3 anzuschließenden Komponenten lediglich über wasserführende Vor- und Rücklaufleitungen realisiert werden. Insbesondere wird in vorteilhafter Weise kein Kältemittel durch das Frontend und den Innenraum des Fahrzeugs geführt. Außerdem sind die als Kompaktmodule ausgeführten Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit 2 und Mehrwegeventil 3 einfach zu verbauen, wodurch eine Reduktion der Fertigungszeit und eine Einsparung an Bauteilen erzielt wird. Schließlich vereinfachen sich die Befüllung und die Wartung der Klimaanlage 10.
Um die Klimaanlage 10 sowohl in einer Heiz- und Kühlfunktion betreiben zu können, werden die Funktionen der Wärmeübertrager 4, 5.1 und 5.2 auf der Seite des Kühlmittels mittels des Mehrwegeventils 3 vertauscht.
Die Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit 2 kann mittels eines Peltier-Element oder als magnetokalorische Wärmepumpe realisiert werden. Zudem kann jede geeignete Technologie zur Realisierung der Funktion der Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit 2 verwendet werden.
Bezugszeichenliste

1: Thermomanagementeinheit
2: Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit
2.1: Kältemittelkreislauf
2.2: indirekter Verdampfer des Kältemittelkreislaufs 2.1
2.3: Kältemittelverdichter des Kältemittelkreislaufs 2.1
2.4: indirekter Kondensator des Kältemittelkreislaufs 2.1
2.5: Expansionsorgan des Kältemittelkreislaufs 2.1
3: Mehrwegeventil
4: Umgebungs-Wärmeübertrager
4.1: Ventilator
5: Klimagerät
5.1: Heizungs-Wärmeübertrager
5.2: Kühlungs-Wärmeübertrager
5.3: Luftklappe
6: Kühlungs-Wärmeübertrager
7: Energiespeicher, Batterie
8: Kühlmittelpumpe
9: Kühlmittelpumpe
10: Klimaanlage eines Fahrzeugs
K1: erste Kühlmittelkreislauf
K2: zweiter Kühlmittelkreislauf
K3: dritter Kühlmittelkreislauf
K4: vierter Kühlmittelkreislauf
L1: Luftstrom
L2: Zuluftstrom
M: Antrieb des Fahrzeugs

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

DE 102008060698 A1 [0024]

Claims

Klimaanlage (10) für ein Fahrzeug, umfassend – einen Kältemittelkreislauf (2.1) mit einem indirekten Verdampfer (2.2), einem Kältemittelverdichter (2.3), einem indirekten Kältemittelkondensator (2.4) und einem Expansionsorgan (2.5), wobei der indirekte Verdampfer (2.2), der Kältemittelverdichter (2.3), der indirekte Kältemittelkondensator (2.4) und das Expansionsorgan (2.5) eine konstruktive Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit (2) zur Erzeugung von heißem oder kaltem Kühlmittel bilden, – einen ersten Kühlmittelkreislauf (K1) mit einem Umgebungs-Wärmeübertrager (4), – einen zweiten Kühlmittelkreislauf (K2) mit einem Heizungs-Wärmeübertrager (5.1), – einen dritten Kühlmittelkreislauf (K3) mit einem Kühlungs-Wärmeübertrager (5.2), und – ein Mehrwegeventil (3) zum wahlweisen fluidleitenden Verbinden der Kühlmittelkreisläufe (K1, K2, K3) mit der Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit (2), wobei das Mehrwegeventil (3) zusammen mit der Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit (2) als kompakte Thermomanagementeinheit (1) ausgebildet ist.
Klimaanlage (10) nach Anspruch 1, bei welcher die Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit (2) direkt benachbart zum Mehrwegeventil (3) angeordnet ist.
Klimaanlage (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher – der zweite Kühlmittelkreislauf (K2) eine Kühlmittelpumpe (8) aufweist, – der dritte Kühlmittelkreislauf (K3) eine Kühlmittelpumpe (9) aufweist, und – die beiden Kühlmittelpumpen (8, 9) direkt benachbart zur Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit (2) und/oder zum Mehrwegeventil (3) angeordnet sind.
Klimaanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem ein vierter Kühlmittelkreislauf (K4) mit einem thermisch mit einem Fahrzeugantrieb (M) gekoppelter Kühlungs-Wärmeübertrager (6) mit dem Mehrwegeventil (3) fluidleitend verbunden ist.
Fahrzeug mit einer Klimaanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.