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Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugkälteanlage für ein Fahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2.
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Es ist bekannt in Fahrzeugkälteanlagen von Fahrzeugen aufgrund der Umweltfreundlichkeit Kohlendioxid als Kältemittel einzusetzen
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Bei Kohlendioxid (R744) als Kältemittel wird für einen Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage eines Fahrzeugs im Rahmen einer Füllmengenbestimmung die für die jeweilige Prozessverschaltung optimale Füllmenge bestimmt. Bei diesem Kältemittel R744 besteht die Besonderheit, dass neben der optimalen Füllmenge auch eine Vorschrift für die maximal zulässige Füllmenge existiert, die direkt an das Anlagenvolumen gekoppelt ist. Gemäß DIN-Spec. bzw. Systemlastenheft beträgt der maximal zulässige Wert aktuell 250 g/l, d. h. pro Liter Anlagenvolumen dürfen maximal 250 g Kältemittel zugefüllt werden. Dieser Wert wird aktuell für den Ruhezustand der Anlage aus Druck und Temperatur von 93 bar bei 60°C definiert. Hintergrund ist der Schutz der Niederdruckseite bei hohen Umgebungslasten bei inaktiven Kälteanlagen gegenüber einer zu hohen mechanischen Belastung aufgrund eines zu hohen sich einstellenden Ruhedrucks.
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Bei standardmäßig aufgebauten R744-Kälteanlagen ist allerdings die Differenz zwischen dem Wert der optimalen Füllmenge und der maximal zulässigen Füllmenge nicht groß. Üblicherweise liegt die Differenz zwischen beiden Werten bei 20 bis 50 g.
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Werden einerseits die Puffermengen bei herkömmlichen Anlagen mit Beträgen von 50 bis 150 g (Lebensdauerfüllung) und andererseits mögliche Toleranzen an den Befüllapparaturen von Bandanlagen innerhalb der Produktion und Servicegeräten im Kundendienst und Werkstätten betrachtet, so ist die oben genannte zufüllbare Differenz von 20–50 g zu gering. Es können daher frühzeitige Werkstattaufenthalte für den Kunden primär wegen Kältemittel-Verlusten oder Kältemittel-Mangel sowie darüber hinaus wegen Überfüllungen und Überschreitungen der 250 g/l-Vorgabe auftreten. Im zweiten Fall sprechen in der Regel systeminterne Robustheitsmaßnahmen beispielsweise in Form von Abblase-/Überdruckventilen an.
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Daher muss in einer Fahrzeugkälteanlage sowohl eine Unterfüllung oder eine Überfüllung in Form einer Überschreitung der 250 g/l-Vorgabe vermieden werden. Wenn zu wenig Kältemittel im Kältemittelkreislauf vorhanden ist, kann dies zu einer Schädigung des Verdichters durch Ölmangel aufgrund der sich verschlechternden Öllöslichkeit im Kältemittel bzw. des nachlassenden Ölrückführvermögens wegen des erwähnten Kältemittelmangels führen. Aus dem Stand der Technik sind Konzepte zur Überwachung des Kältemittelfüllgrades bekannt, die jedoch eine aufwändige Sensorik benötigen und daher zu hohen Kosten führt. Beispielhaft sei hierzu auf die
DE 10 2007 021 874 A1 verwiesen.
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Eine gattungsbildende Fahrzeugkälteanlage gemäß der
DE 10 2006 007 371 A1 löst dieses Problem dadurch, dass in dem Kältemittelkreislauf ein Ausgleichsbehälter vorgesehen ist, durch den im Kältemittelkreislauf ein zusätzliches Kältemittelvolumen integriert wird. Hierzu ist dieser Ausgleichsbehälter zwischen einem Ausgang des inneren Wärmetauschers und der Saugseite des Kältemittelverdichters angeordnet, wodurch das freie innere Volumen des Kältemittelkreislaufs vergrößert wird, ohne dass die maximal zulässige Füllmenge überschritten wird. Gemäß dieser
DE 10 2006 007 371 A1 kann der Ausgleichsbehälter entweder in den Leitungsabschnitt zwischen dem inneren Wärmetauscher und dem Kältemittelverdichter angeordnet werden, so dass der Ausgleichsbehälter von Kältemittel durchströmt wird, oder über einen Leitungsabzweig an einen den inneren Wärmetauscher mit dem Kältemittelverdichter verbindenden Leitungsabschnitt angeschlossen werden.
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Ferner wird in dieser
DE 10 2006 007 371 A1 darauf hingewiesen, dass der Ausgleichsbehälter sowohl als separates Bauteil als auch in einem anderen Bauteil des Kältekreislaufs integriert werden kann. So wird bspw. vorgeschlagen, den Ausgleichsbehälter zusammen mit einem Gaskühler, einem inneren Wärmetauscher und einem Akku baulich in einem Kühlmodul zusammenzufassen.
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Aus der
EP 0 860 309 A2 ist ein Kältemittelkreislauf mit Kohlendioxid als Kältemittel bekannt, bei welchem ein Ausgleichsbehälter mit dem Kältemittelkreislauf verbunden wird, um eine Erhöhung eines Innendrucks des Kältemittelkreislaufs zu verhindern. Dieser Ausgleichsbehälter wird an eine einen Niederdruck-Sammler mit einem Kältemittelverdichter des Kältemittelkreislaufs verbindenden Kältemittelleitung schaltbar angeschlossen. Dieser Ausgleichsbehälter wird zusammen mit dem Ausgleichsbehälter zu einer Baueinheit zusammengefasst, wobei von einem unteren Abschnitt eines Behälters der Ausgleichsbehälter und von einem oberen Abschnitt des Behälters der Niederdruck-Sammler gebildet wird. Diese beiden Abschnitte des Behälters werden durch eine Trennwand voneinander getrennt. Es ist Aufgabe der Erfindung eine Fahrzeugkälteanlage der eingangs genannten Art anzugeben, welche mit einem minimalen Bauraum realisierbar ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Fahrzeugkälteanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2.
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Eine solche Fahrzeugkälteanlage für ein Fahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf umfasst
- – einen Verdampfer,
- – einen Kältemittelverdichter,
- – einen Kältemittelkondensator oder einen Gaskühler,
- – einen Akkumulator,
- – einen inneren Wärmeübertrager,
- – ein dem Verdampfer zugeordnetes Expansionsorgan, und
- – einen Ausgleichsbehälter, welcher an einen Leitungsabschnitt des Kältemittelkreislaufs angeschlossen ist, welcher den inneren Wärmeübertrager mit der Saugseite des Kältemittelverdichters verbindet, wobei
- – der Akkumulator mit dem Ausgleichsbehälter zu einer Baueinheit zusammengefasst ist.
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Erfindungsgemäß ist gemäß der erstgenannten Lösung vorgesehen, dass
- – die Baueinheit in Bezug auf die Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) des Fahrzeugs zur Bildung des Akkumulators einen unteren Abschnitt und einen zur Bildung des Ausgleichsbehälters einen oberen Abschnitt aufweist, wobei der untere Abschnitt und der obere Abschnitt durch eine Trennwand getrennt sind, und
- – die Trennwand gegenüber der von der Fahrzeuglängsrichtung und der Fahrzeugquerrichtung gebildeten Ebene geneigt in der Baueinheit angeordnet ist.
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Gemäß der zweitgenannten Lösung ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass
- — die Baueinheit zur Bildung des Akkumulators einen oberen Abschnitt und zur Bildung des Ausgleichsbehälters einen unteren Abschnitt aufweist, wobei der untere Abschnitt und der obere Abschnitt durch eine Trennwand getrennt sind, und
- – die Trennwand gegenüber der von der Fahrzeuglängsrichtung (x-Richtung) und der Fahrzeugquerrichtung (y-Richtung) gebildeten Ebene geneigt in der Baueinheit angeordnet ist.
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Damit ist lediglich eine Verbindungsleitung von dem in der Baueinheit integrierten Ausgleichsbehälter zum Ausgang des inneren Wärmeübertragers oder zur Saugseite des Kältemittelverdichters oder zu einem sich zwischen den beiden Bauteilen befindlichen Abgang erforderlich.
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Das in dem Ausgleichsbehälter befindliche Kältemittel weist aufgrund dessen Position innerhalb der Kälteanlage die niedrigste Dichte aller Teilabschnitte des Kältemittelkreislaufs auf, infolgedessen ein geringster Kältemittelbedarf zur Befüllung des Volumens des Kältemittelkreislaufs während eines aktiven Prozesses erforderlich ist. Damit kann sich die geringste optimale Füllmenge für das Gesamtsystem einstellen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass ein maximales Entspannungsvolumen für den Anlagenstillstand gewonnen ist.
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Vorzugsweise ist zur thermischen Entkopplung des Ausgleichsbehälters von dem Akkumulator die Trennwand thermisch isolierend mit einer Thermoschicht ausgebildet, um eine Abkühlung und gegebenenfalls eine Kondensation des in dem Ausgleichsbehälter befindlichen Kältemittels zu verhindern.
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Wenn der obere Abschnitt der Baueinheit zur Bildung des Akkumulators und deren unterer Abschnitt zur Bildung des Ausgleichsbehälters dient, ist zu beachten, dass ein Anschluss des Ausgleichsbehälters stets höher liegt als eine Kopplungsstelle an den Leitungsabschnitt zwischen einem Austritt des inneren Wärmeübertragers und Eintritt in den Kältemittelverdichter, um den Ölabfluss zu gewährleisten.
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Die Trennwand ist mit einer Ausrichtung des tiefsten Punktes hin zum Anschluss des Ausgleichsbehälters in der Baueinheit angeordnet, wobei dieser Anschluss des Ausgleichsbehälters mit einem Leitungsabschnitt zwischen dem innerer Wärmeübertrager und dem Kältemittelverdichter verbunden ist. Diese Trennwand bildet damit im Gegensatz zu einer eben ausgerichteten Platte keine Ölfalle.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
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1 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Fahrzeugkälteanlage, und
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2 eine schematische Darstellung einer aus einem Akkumulator und einem Ausgleichsbehälter zusammengefassten Baueinheit der Fahrzeugkälteanlage gemäß 1.
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Der Kältemittelkreislauf 1 einer Fahrzeugkälteanlage gemäß 1 umfasst als Grundstruktur die folgenden Komponenten:
- – einen Verdampfer 2,
- – einen Kältemittelverdichter 3,
- – einen Kältemittelkondensator oder Gaskühler 4,
- – ein dem Verdampfer 2 in Strömungsrichtung R des Kältemittels vorgeschaltetes Expansionsorgan 5,
- – eine Baueinheit 6, in welcher ein Kältemittel speichernder Akkumulator 6.1 und ein Ausgleichsbehälter 6.2 integriert sind, und
- – einen inneren Wärmeübertrager 7.
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Als Kältemittel wird R744 eingesetzt.
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Der Einfachheit halber wird bei dem Kältemittelkreislauf 1 gemäß 1 auf die Darstellung weiterer für den Fachmann bekannter funktional erforderlicher Bauteile, wie Temperatur- und Drucksensoren, deren Sensorwerte zur Regelung der Fahrzeugkälteanlage einem Steuergerät zugeführt werden, verzichtet.
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Den Aufbau der Baueinheit 6 zeigt in einer schematischen Darstellung 2. Hiernach erstreckt sich die Baueinheit 6 in Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) und besteht aus einem unteren Abschnitt 6.10 und einem daran sich in Fahrzeughochrichtung anschließenden und durch eine Trennwand 6.3 abgetrennten Abschnitt 6.20, wodurch das Innenvolumen der Baueinheit 6 in zwei Volumen geteilt wird. Das untere Volumen nimmt den Akkumulator 6.1 auf und das obere Volumen bildet den Ausgleichsbehälter 6.2.
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Diese Trennwand 6.3 ist gegenüber der aus der Fahrzeuglängsrichtung (x-Richtung) und der Fahrzeugquerrichtung (y-Richtung) gebildeten Ebene geneigt ausgebildet, um dadurch eine Ölfalle zu vermeiden. An der tiefsten Stelle 6.21 des Ausgleichsbehälters 6.2, also an dem Fußpunkt der Trennwand 6.3 befindet sich ein Anschluss 6.22 als Ein- und Austritt für das Kältemittel, über den Kältemittel des Kältemittelkreislaufs 1 in den Ausgleichsbehälter 6.2 eintreten oder aus demselben austreten kann. Diese Trennwand 6.3 bildet damit im Gegensatz zu einer eben ausgerichteten Platte keine Ölfalle.
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Ferner schließt sich in Richtung des Akkumulators 6.1 an der Trennwand 6.3 eine Thermoschicht 6.4 an, die eine thermische Entkopplung des Ausgleichsbehälters 6.2 und des Akkumulator 6.1 bewirkt, um dadurch eine Abkühlung oder eine Kondensation des in dem Ausgleichsbehälter 6.2 sich befindenden Kältemittels zu verhindern.
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Der Akkumulator 6.1 (auch (Niederdruck-)Sammler genannt) dient in dem Kältemittelkreislauf 1 dazu, hindurchfließendes Kältemittel in gasförmiges und flüssiges Kältemittel zu separieren. Das Kältemittel aus dem Verdampfer 2 wird über einen Eingangsanschluss 6.11 dem Akkumulator 6.1 zugeführt und das dampfförmige Kältemittel über einen Ausgangsanschluss 6.12 abgeführt. Über eine Öl- bzw. Schnüffelbohrung am tiefsten Punkt des Akkumulators 6.1 wird dem gasförmigem Kältemittel noch, je nach Dimensionierung der Bohrung, mehr oder weniger flüssiges Kältemittel-Ölgemisch beigemengt, so dass dampfförmiges Kältemittel über den Ausgangsanschluss 6.12 in das System austritt.
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Der Akkumulator 6.1 ist in Strömungsrichtung R des Kältemittels dem Verdampfer 2 nachgeschaltet und mit demselben mit dem Eingangsanschluss 6.11 verbunden. Der Ausgangsanschluss 6.12 des Akkumulators 6.1 ist mit der Niederdruckseite des inneren Wärmeübertragers 7 über einen Leitungsabschnitt 9 des Kältemittelkreislaufs 1 verbunden. Das dampfförmige bzw. 2-phasige Kältemittel nimmt beim Durchströmen des inneren Wärmeübertragers 7 Wärme von der Hochdruckseite auf und wird über einen Leitungsabschnitt 8 zur Saugseite des Kältemittelverdichters 3 geführt.
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Der Ausgleichsbehälter 6.2 dient zur Bereitstellung eines als Puffervolumen für den Kältemittelkreislauf 1 dienenden Zusatzvolumens und ist über eine Verbindungsleitung 8.1 mit dem Leitungsabschnitt 8 verbunden. Dieser Leitungsabschnitt 8 ist ausgleichsbehälterseitig an den Anschluss 6.22 des Ausgleichsbehälters 6.2 angeschlossen und ist direkt entweder an den niederdruckseitigen Ausgang des inneren Wärmeübertragers 7 oder an die Saugseite des Kältemittelverdichters 3 oder an jeden möglichen dazwischenliegenden Abgang geführt.
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Diese Verbindungsleitung 8.1 kann als Kapillarleitung mit einem Innendurchmesser von größer als 1,0 mm ausgeführt werden. Als Verbindungsleitung 8.1 kann auch eine Niederdruckleitung mit einem Innendurchmesser von größer als 8 mm bei Verwendung von R744 als Kältemittel verwendet werden. Auch dieses zusätzliche Leitungsvolumen kann je nach Dimensionierung idealerweise als Puffer zur Anhebung der maximal zulässigen Füllmenge herangezogen werden.
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In der Darstellung des Kältemittelkreislaufs 1 nach 1 stellt die Verbindungsleitung 8.1 die kürzeste und direkte Verbindung zwischen dem Ausgleichsbehälter 6.2 und dem niederdruckseitigen Ausgang des inneren Wärmeübertragers 7 dar. In vorteilhafter Weise wird dadurch erreicht, dass die Leitung in beliebiger Weise in das Gesamtpackage der Kälteanlage eingebunden werden kann.
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Alternativ ist auch eine Leitungsführung möglich, die parallel zu dem den Akkumulator 6.1 mit dem niederdruckseitigen Eingang des inneren Wärmeübertragers 7 verbindenden Leitungsabschnitt 9 und entlang des inneren Wärmeübertragers 7 verläuft und in 1 mit dem Bezugszeichen 8.2 gestrichelt dargestellt ist.
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Das von dem Kältemittelverdichter 3 verdichtete Kältemittel wird zur Kondensation oder Gaskühlung über den Kältemittelkondensator oder Gaskühler 4 geführt, anschließend strömt das Kältemittel hochdruckseitigen durch den inneren Wärmeübertrager 7 und wird schließlich mittels des Expansionsorgans 5 in den Verdampfer 2 entspannt.
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Bei der in den 1 und 2 dargestellten Baueinheit 6 ist der Akkumulator 6.1 als unterer Abschnitt 6.10 und der Ausgleichsbehälter 6.2 als oberer Abschnitt 6.20 ausgeführt. Diese Positionen können ausgetauscht werden, so dass der untere Abschnitt 6.10 den Ausgleichsbehälter 6.2 und der obere Abschnitt 6.20 den Akkumulator 6.1 bildet. Dies erfordert jedoch, dass der Anschluss 6.22 des Ausgleichsbehälters 6.2 immer bezogen auf die Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) höher liegt als die Kopplungsstelle der Verbindungsleitung 8.1 oder 8.2 mit dem Leitungsabschnitt 8, um den Ölabfluss zu gewährleisten.
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Die anhand der 1 und 2 beschriebene Erfindung ist letztlich unabhängig von der Wahl des eingesetzten Kältemittels einsetzbar. Neben dem Kältemittel R744 können auch chemische Betriebsstoffe, wie bspw. R134a und R1234yf in den oben beschriebenen Kälteanlagen eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kältemittelkreislauf
- 2
- Verdampfer
- 3
- Kältemittelverdichter
- 4
- Kältemittelkondensator, Gaskühler
- 5
- Expansionsorgan
- 6
- Baueinheit
- 6.1
- Akkumulator der Baueinheit 6
- 6.10
- unterer Abschnitt der Baueinheit 6
- 6.11
- Eingangsanschluss des Akkumulators 6.1
- 6.12
- Ausgangsanschluss des Akkumulators 6.1
- 6.2
- Ausgleichsbehälter der Baueinheit 6
- 6.20
- obere Abschnitt der Baueinheit 6
- 6.21
- tiefste Stelle des Ausgleichsbehälters 6.2, Fußpunkt der Trennwand 6.3
- 6.22
- Anschluss des Ausgleichsbehälters 6.2
- 6.3
- Trennwand der Baueinheit 6
- 6.4
- Thermoschicht der Baueinheit 6
- 7
- innerer Wärmeübertrager
- 8
- Leitungsabschnitt des Kältemittelkreislaufs 1
- 8.1
- Verbindungsleitung
- 8.2
- Verbindungsleitung
- 9
- Leitungsabschnitt des Kältemittelkreislaufs 1
- R
- Strömungsrichtung des Kältemittels des Kältemittelkreislaufs 1
