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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage eines Fahrzeugs mit einem als Kältekreislauf für einen AC-Betrieb und als Wärmepumpenkreislauf für eine Heizfunktion betreibaren Kältemittelkreislauf. Die Erfindung betrifft ferner ein Klimagerät zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Es ist bekannt Fahrzeuge mit einer Klimaanlage auszustatten, die von einem Kältebetrieb in einen Wärmebetrieb und umgekehrt geschaltet werden können, wie dies bspw. aus der
DE 10 2011 057 059 A1 bekannt ist. Bei diesem bekannten Wärmepumpenkreislauf wird aus einem Motorkühlkreislauf einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges mittels eines Wärmetauschers als Verdampfer Motorwärme von dem Arbeitsmittel aufgenommen.
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Im Wärmepumpenprozess kann die Wärme zur Aufheizung des Fahrzeuginnenraums über ein als Kältemittel-Luft-Wärmetauscher ausgeführtes Heizregister direkt an die Zuluft in einem Klimagerät des Fahrzeugs abgegeben werden. Die erwärmte Zuluft wird über Luftkanäle in den Fahrzeuginnenraum eingebracht bzw. verteilt. In Abhängigkeit einer Regelungsstrategie kann im Klimagerät mittels einer über Klappen gesteuerten Luftführung mehr oder weniger Frischluft zugeführt werden.
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Wird in einem Wärmepumpenkreislauf nicht die Motorwärme zum Heizen des Fahrgastinnenraumes des Fahrzeugs verwendet, wie beispielsweise bei Elektrofahrzeugen, sondern die Wärme der Außenluft des Fahrzeugs, führt dies aufgrund der geringen Quelltemperatur zu einer geringen Leistung der Wärmepumpe. Dies ist bedingt durch geringe Saugdrücke am Kompressor, die zu geringen Massenströmen führen. Des Weiteren führt eine Energieabfuhr auf der Hochdruckseite des Kältemittelverdichters zum Beheizen des Fahrzeuginnenraumes zu einem sinkenden Hochdruck, der wiederum geringe Kondensationstemperaturen zur Folge hat. Somit dauert in nachteiliger Weise der Aufbau des Hochdrucks in der Regel sehr lange.
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Die
DE 10 2013 021 360 A1 offenbart ein Thermomanagementsystem eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs oder Hybridfahrzeugs, aufweisend einen Kältemittelkreislauf, welcher einen Primärkreislauf mit einem elektrischen Verdichter, einem ersten Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen einem Kältemittel und der Umgebung, einem ersten Expansionsorgan sowie einem sich anschließenden zweiten Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und einer zu konditionierenden Zuluft eines Fahrzeuginnenraums und einem zweiten Expansionsorgan sowie einem parallel zum zweiten Wärmeübertrager angeordneten dritten Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und einem zu konditionierenden Kühlmittel für eine Fahrzeugbatterie umfasst. Der Kältemittelkreislauf ist für einen reinen Kühlmodus der Fahrzeugbatterie oder für einen mit dem Kühlmodus der Fahrzeugbatterie kombinierten Kühlmodus und/oder Heizmodus und/oder Nachheizmodus für die zu konditionierende Zuluft des Fahrzeuginnenraums ausgebildet. Ferner offenbart die
DE 10 2013 021 360 A1 ein Verfahren zum Betreiben des Thermomanagementsystems eines Kraftfahrzeugs.
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Die
DE 295 08 065 U1 offenbart ein Klimagerät für ein Kraftfahrzeug mit luftseitiger Ausblastemperaturregelung mittels zumindest einer Mischluftklappe vor einem Mischraum, in den je nach Stellung der Mischluftklappe in unterschiedlichem Mischungsverhältnis ein Kaltluftstrom nach Durchströmen eines Verdampfers bzw. ein Warmluftstrom nach Durchströmen eines Wärmetauschers eintritt, wobei die Mischluftklappe in Stellabhängigkeit von einem Temperatur-Sensor im bzw. unmittelbar hinter dem Verdampfer und von einem Temperatur-Sensor im bzw. unmittelbar hinter dem Wärmetauscher steht.
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Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage eines Fahrzeugs mit einem als Kältekreislauf für einen AC-Betrieb und als Wärmepumpenkreislauf für eine Heizfunktion betreibaren Kältemittelkreislauf anzugeben, mit welchem ein schneller Hochdruckaufbau ermöglicht wird und damit auch in kurzer Zeit die Ziellufttemperatur für den in den Fahrzeuginnenraum geführten Zuluftstrom erreicht wird.
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Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Klimagerät zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anzugeben.
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Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Dieses erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Kälteanlage eines Fahrzeugs mit einem als Kältekreislauf für einen AC-Betrieb und als Wärmepumpenkreislauf für eine Heizfunktion betreibaren Kältemittelkreislauf mit
- – einem in einem ersten Kanalabschnitt eines Klimagerätes angeordneten Verdampfer, mit welchem ein dem Klimagerät zugeführter Zuluftstrom gekühlt und/oder entfeuchtet wird,
- – einem Kältemittelverdichter,
- – einem Wärmeübertrager als Kältemittelkondensator oder Gaskühler für den Kältekreislauf oder als Wärmepumpenverdampfer für den Wärmepumpenkreislauf,
- – einem dem Verdampfer zugeordneten ersten Expansionsorgan,
- – einem dem Wärmeübertrager in seiner Funktion als Wärmepumpenverdampfer zugeordneten zweiten Expansionsorgan,
- – einem in einem zweiten Kanalabschnitt des Klimagerätes angeordneten Umluftgehäuse mit einem Heizregister, dem ein Teilzuluftstrom des gekühlten und/oder entfeuchteten Zuluftstroms über wenigstens eine steuerbare Zuluftklappe des Umluftgehäuses zur Erwärmung zuführbar ist, wobei der an dem Heizregister erwärmte Teilzuluftstrom über wenigstens eine steuerbare Abluftklappe des Umluftgehäuses einem dritten Kanalabschnitt des Klimagehäuses zur Vermischung mit dem gekühlten und/oder entfeuchteten Zuluftstrom zuführbar ist,
umfasst die folgenden Verfahrensschritte:
- – Bei einem Beginn des Betriebes der Kälteanlage als Wärmepumpenkreislauf wird die wenigstens eine Zuluftklappe des Umluftgehäuses zur Aufnahme eines Teils des gekühlten und/oder entfeuchteten Zuluftstroms bei geschlossener Abluftklappe des Umluftgehäuses geöffnet,
- – Bei Erreichen eines vorbestimmten Luftfüllungsgrades des Umluftgehäuses wird die Zuluftklappe des Gehäuses geschlossen, und
- – Bei Erreichen eines ersten definierten Hochdruckwertes des Hochdruckes auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs wird die Abluftklappe des Umluftgehäuses zum Abströmen des erwärmten Zuluftstroms in den dritten Kanalabschnitt zumindest teilweise geöffnet.
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Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird die aus dem Stand der Technik bekannte Luftführung um das Heizregister während eines Wärmepumpenprozesses dahingehend geändert, dass der an dem Heizregister erwärmte Zuluftstrom nicht sofort mit dem an dem Verdampfer gekühlten und/oder entfeuchteten Zuluftstrom vermischt bzw. ohne diesen Zuluftstrom direkt über Ausströmer in die Fahrzeugkabine geführt wird, sondern dieser sich an dem Heizregister erwärmende Zuluftstrom innerhalb eines das Heizregister aufnehmenden Umluftgehäuses so lange um das Heizregister zirkulierend gehalten wird, bis der Wert des Hochdrucks des Kältemittels auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs einen ersten definierten Hochdruckwert erreicht.
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Damit wird ein schnelles Anlaufen der Wärmepumpe ermöglicht, um möglichst in kurzer Zeit einen effizienten Wärmepumpenprozess zu erreichen. Damit können bspw. elektrisch betriebene Zuheizsysteme innerhalb des Klimagerätes schneller zurück geregelt werden, um so bspw. bei Hybrid- oder Elektrofahrzeugen einen Reichweitenvorteil zu erhalten. Durch das schnellere Anlaufen der Wärmepumpe wird über eine größere Zeitdauer ein konstanter Betrieb der Wärmepumpe erreicht, wodurch sich die Lebensdauer der im Kältemittelkreislauf verbauten Bauteile, wie bspw. der Kältemittelverdichter oder die Ventile erhöht.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird bei Erreichen eines definierten Temperaturwertes der Temperatur im Umluftgehäuse deren Abluftklappe zum Abströmen des erwärmten Zuluftstroms in den dritten Kanalabschnitt zumindest teilweise geöffnet. Bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zusätzlich zur Überwachung des Hochdrucks auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs auch die Temperatur des in dem Umluftgehäuse zirkulierenden Luftstromes überwacht und erst bei Erreichen des definierten Temperaturwertes die Abluftklappe zumindest teilweise geöffnet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden nach dem Erreichen des definierten ersten Hochdruckwertes oder nach Erreichen des definierten ersten Hochdruckwertes und des definierten Temperaturwertes durch Steuerung der Zuluftklappe und der Abluftklappe der Hochdruck auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs auf einen zweiten definierten Hochdruckwert und gleichzeitig die Temperatur an wenigstens einem Ausströmer des Klimagerätes auf einen vorgegebenen Temperaturwert geregelt werden. Damit wird nach dem Anlaufen der Wärmepumpe nur so viel von dem an dem Heizregister erwärmten Zuluftstrom über die Abluftklappe in den dritten Kanalabschnitt des Klimagerätes abgegeben und mit dem an dem Verdampfer gekühlten und/oder entfeuchteten Zuluftstrom gemischt, dass die Ziellufttemperatur an dem Ausströmen des Klimagerätes erreicht und gleichzeitig der Hochdruck des Kältemittels auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs auf einen festgelegten Wert, nämlich den zweiten definierten Hochdruckwert gehalten wird. Somit kann bei einem eingeschwungenen Wärmepumpenprozess des Anteil der aus dem Umluftgehäuse des Heizregisters abgeführten Zuluftstroms entsprechend der vorgegebenen Temperatur stetig erhöht werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn erfindungsgemäß der Luftfüllungsgrad des Umluftgehäuses mittels eines in dem Umluftgehäuse angeordneten Luftdrucksensors bestimmt wird. Alternativ ist auch möglich, den Luftfüllungsgrad des Umluftgehäuses mittels der Öffnungszeitdauer der Zuluftklappe zu bestimmen, bspw. über ein Kennlinienfeld.
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Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Klimagerät mit den Merkmalen des Patentanspruches 6.
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Ein solches Klimagerät umfasst erfindungsgemäß:
- – ein Klimagerätgehäuse mit einem in einem ersten Kanalabschnitt angeordneten Verdampfer, einem in einem zweiten Kanalabschnitt angeordneten Umluftgehäuse mit einem Heizregister und einem dritten Kanalabschnitt mit in den Fahrzeuginnenraum führenden Ausströmern, wobei
- – das Umluftgehäuse wenigstens eine Zuluftklappe zur Zuführung von einem an dem Verdampfer gekühlten und/oder entfeuchteten Zuluftstrom und wenigstens eine Abluftklappe zum Abführen des an dem Heizregister erwärmten Zuluftstroms in den dritten Kanalabschnitt aufweist, wobei in dem Umluftgehäuse des Klimagerätes ein Ventilator angeordnet ist.
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Bei diesem erfindungsgemäßen Klimagerät ist das Heizregister in einem eigenen Umluftgehäuse angeordnet, so dass über wenigstens eine Zuluftklappe ein Luftstrom in das Klimagerät einströmen kann und bei geschlossener Abluftklappe so lange innerhalb des Umluftgehäuses erwärmt wird, bis der erste definierte Hochdruckwert des Kältemittels auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs erreicht wird.
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Nach einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Klimagerätes ist das Umluftgehäuse mit dem Heizregister derart ausgebildet, dass das Heizregister bei geschlossener Zuluftklappe und bei geschlossener Abluftklappe mittels des eingeschlossenen Teilzuluftstromes umluftartig umströmt wird.
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Um das Umströmen des Heizregisters durch den in dem Umluftgehäuse eingeschlossenen Zuluftstrom zu verbessern, sieht das Klimagerät gemäß der Erfindung vor, dass in dem Umluftgehäuse ein Ventilator angeordnet ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Kälteanlage, und
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2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Klimagerätes der Kälteanlage nach 1.
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Die in 1 dargestellt Kälteanlage 1 eines Fahrzeugs weist einen Kältemittelkreislauf 2 mit Kohlendioxid (R744) als Kältemittel auf, der sowohl als Kältekreislauf für einen AC-Betrieb als auch als Wärmepumpenkreislauf für eine Heizfunktion der Fahrzeugkabine des Fahrzeugs betrieben werden kann.
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Der Kältemittelkreislauf 2 gemäß 1 besteht aus einem Verdampfer 3 mit einem in Strömungsrichtung des Kältemittels nachgeschalteten Rückschlagventil R3, einem Kältemittelsammler 9, einem inneren Wärmeübertrager 8, einem Kältemittelverdichter 4, einem Wärmeübertrager 5, der im AC-Betrieb der Fahrzeugkälteanlage 1 als Kältemittelkondensator bzw. Gaskühler arbeitet und im Wärmepumpenbetrieb die Funktion des Wärmepumpenverdampfers übernimmt, einem Heizregister 5.1 als Kältemittelkondensator bzw. Gaskühler, einem als Expansionsventil mit Absperrfunktion ausgebildeten ersten Expansionsorgan 6.1, welches dem Verdampfer 3 vorgeschaltet ist, einem als Expansionsventil mit Absperrfunktion ausgebildeten zweiten Expansionsorgan 6.2, welches im Wärmepumpenmodus dem als Wärmepumpenverdampfer arbeitenden Wärmeübertrager 5 in Strömungsrichtung S des Kältemittels vorgeschaltet ist.
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Das Heizregister 5.1 ist in einem Wärmepumpenleitungsabschnitt 2.21 angeordnet, welches zur Bildung eines Wärmepumpenkreislaufs 2.2 stromaufwärtsseitig des Heizregisters 5.1 über ein als Absperrventil ausgebildetes Ventilorgan A1 mit dem Kältekreislauf 2.1 der Fahrzeugkälteanlage 1 fluidverbunden wird, während stromabwärtsseitig das Heizregister 5.1 über ein Rückschlagventil R1 mit der Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers 8 fluidverbunden ist. Im Folgenden wird das Ventilorgan A1 als Absperrventil bezeichnet.
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Ferner weist der Kältemittelkreislauf 2 einen auf Niederdruckniveau arbeitenden Niederdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 10 auf, wobei in Strömungsrichtung des Kältemittels diesem Niederdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 10 ein als Expansionsventil mit Absperrfunktion ausgebildetes drittes Expansionsorgan 6.3 vorgeschaltet und ein Rückschlagventil R2 nachgeschaltet ist. Dieser Niederdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 10 ist mit einem eine Wärmequelle 13 aufweisenden Kühlmittelkreislauf 14 thermisch gekoppelt, um diese Wärmequelle 13 als sogenannter Chiller mittels Wasser als Kühlmittel zu kühlen. Als Wärmequelle 13 dient eine Traktionskomponente (elektrische Antriebsmaschine, Hochvoltbatterie, Ladeelektronik) des als Hybrid- oder Elektrofahrzeug ausgebildeten Fahrzeugs. Als Wärmequelle 13 kann auch eine Brennkraftmaschine des Fahrzeugs eingesetzt werden.
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Die Reihenschaltung aus dem dritten Expansionsorgan 6.3, dem Niederdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 10 und dem Rückschlagventil R2 ist parallel zur Reihenschaltung aus dem ersten Expansionsorgan 6.1, dem Verdampfer 3 und dem Rückschlagventil R3 in den Kältemittelkreislauf 2 geschaltet.
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Der Verdampfer 3 und das Heizregister 5.1 sind gemeinsam in einem Gehäuse 7.1 eines Klimagerätes 7 der Fahrzeugkälteanlage 1 untergebracht. Ferner ist in dieser 1 schematisch angedeutet, dass das Heizregister 5.1 in einem Umluftgehäuse 5.10 angeordnet ist. Der Aufbau eines solchen Klimagerätes 7 sowie die Funktion dieses in dem Umluftgehäuse 5.10 angeordneten Heizregisters 5.1 wird anhand von 2 beschrieben und erläutert.
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Neben dem Absperrventil A1 weist die Kälteanlage 1 gemäß 1 ein weiteres Absperrventil A2 auf, welches eine Fluidverbindung des Kältemittelverdichters 4 stromabwärtsseitig mit dem Wärmeübertrager 5 herstellt.
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Der Kältemittelkreislauf 2 der Kälteanlage 1 weist einen weiteren Wärmepumpenleitungsabschnitt 2.22 auf, welcher in Strömungsrichtung S des Kältemittels ein Absperrventil A4 und ein Rückschlagventil R4 aufweist und den den Wärmeübertrager 5 mit dem weiteren Absperrventil A2 verbindenden Kältemittelleitungsabschnitt mit dem das Rückschlagventil R3 mit dem Kältemittelsammler 9 verbindenden Kältemittelleitungsabschnitt verbindet. In einer zusätzlichen Funktion kann der Wärmepumpenleitungsabschnitt 2.22 auch als Absaugleitungsabschnitt funktionieren.
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Schließlich weist der Kältemittelkreislauf 2 einen Absaugleitungsabschnitt 2.3 auf, der den Wärmepumpenleitungsabschnitt 2.21 mit dem weiteren Wärmepumpenleitungsabschnitt 2.22 mittels eines Absperrventils A3 fluidverbinden kann. An den weiteren Wärmepumpenleitungsabschnitt 2.22 ist das Absperrventil A3 stromaufwärtsseitig an den das Absperrventil A4 mit dem Rückschlagventil R4 verbindenden Leitungsabschnitt des weiteren Wärmepumpenleitungsabschnittes 2.22 angebunden, während stromabwärtsseitig eine Anbindung an den das Absperrventil A1 mit dem Heizregister 5.1 verbindenden Leitungsabschnitt des Wärmepumpenleitungsabschnittes 2.21 angebunden ist.
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Im Folgenden wird der AC-Betrieb der Fahrzeugkälteanlage 1 gemäß 1 beschrieben, bei welchen die Fahrzeugkälteanlage 1 als Kältekreislauf 2.1 verschaltet ist.
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Gemäß dem Kältekreislauf 2.1 nach 1 durchströmt das mittels des Kältemittelverdichters 4 auf Hochdruck verdichtete Kältemittel in Strömungsrichtung S bei geschlossenem Absperrventil A1 und geöffnetem Absperrventil A2 den Wärmeübertrager 5 als Gaskühler, anschließend das vollständig auf maximalen Querschnitt geöffnete zweite Expansionsorgan 6.2 und den inneren Wärmeübertrager 8 und wird anschließend mittels des ersten Expansionsorgans 6.1 in den Verdampfer 3 entspannt, wo es Wärme des dem Fahrzeuginnenraum zuzuführenden Abluftstromes L2 aufnimmt, bevor das dampfförmige Kältemittel anschließend über das Rückschlagventil R3, den Kältemittelsammler 9 und den inneren Wärmeübertrager 8 zum Kältemittelverdichter 4 zurückgeführt wird. Dem Klimagerät wird ein Zuluftstrom L1 zugeführt, der entweder einen Frischluftstrom oder einen mit Umluft aus dem Fahrzeuginnenraum vermischten Frischluftstrom darstellt.
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Mittels dieses Kältekreislaufs 2.1 wird die von dem in das Fahrzeuginnere geleiteten Zuluftstrom L2 aufgenommene Wärme als Kondensationswärme mittels des Wärmeübertragers 5 in seiner Funktion als Gaskühler an die Umgebungsluft des Fahrzeugs abgegeben.
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Bei dieser Verschaltung der Kälteanlage 1 als Kältekreislauf 2.1 sind die Absperrventile A1 und A4 geschlossen. Das Absperrventil A3 bleibt geöffnet, um umverlagertes Kältemittel aus dem Wärmepumpenleitungsabschnitt 2.21 in den aktiven Kreis 2.1. zu überführen.
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Ist auch das dritte Expansionsorgan 6.3 offen und wird dadurch Kältemittel in den Chiller 10 entspannt, nimmt das Kältemittel die Abwärme der Wärmequelle 13 als Verdampfungswärme auf und wird ebenso über das Rückschlagventil R2, den Kältemittelsammler 9 und den inneren Wärmeübertrager 8 zum Kältemittelverdichter 4 zurückgeführt. Damit wird auch die Abwärme der Wärmequelle 13 als Kondensations-/Abkühlungswärme mittels des Wärmeübertragers 5 in seiner Funktion als Gaskühler an die Umgebungsluft des Fahrzeugs abgegeben.
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Bei der Kälteanlage 1 wird der Kältemittelkreislauf 2 von einem AC-Betrieb mittels des Kältekreislaufes 2.1 auf den Wärmepumpenkreislauf 2.2 unter Nutzung der Umgebungswärme als Wärmequelle umgeschaltet, indem die Absperrventile A1 und A4 geöffnet und das Absperrventil A2 geschlossen wird, d. h. der Wärmepumpenleitungsabschnitt 2.21 als auch der weitere Wärmepumpenleitungsabschnitt 2.22 wird mit dem Kältekreislauf 2.1 fluidverbunden.
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So strömt das mittels des Kältemittelverdichters 4 auf Hochdruck verdichtete Kältemittel über das geöffnete Absperrventil A1 in den Wärmepumpenleitungsabschnitt 2.21. anschließend durchströmt das Kältemittel das Heizregister 5.1, das Rückschlagventil R1 und wird über das zweite Expansionsorgan 6.2 in den Wärmeübertrager 5 in seiner Funktion als Wärmepumpenverdampfer entspannt und nimmt als Verdampfungswärme die Umgebungswärme auf. Anschließend durchströmt das gasförmige Kältemittel bei geöffnetem Absperrventil A4 den weiteren Wärmepumpenleitungsabschnitt 2.22 und wird anschließend über den Kältemittelsammler 9, den inneren Wärmeübertrager 8 zum Kältemittelverdichter 4 zurückgeführt. Damit wird die Wärme der Umgebungsluft des Fahrzeugs gemeinsam mit der über den Verdichter 4 eingetragenen Wärme mittels des Heizregisters 5.1 auf zumindest einen Teilzuluftstrom des Zuluftstroms 11 übertragen und dabei das das Heizregister 5.1 durchströmende Kältemittel abgekühlt. Das erste und dritte Expansionsorgan 6.1 und 6.3 sind bei dieser Verschaltung als Wärmepumpenkreislauf 2.2 gesperrt.
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Da bei diesem Wärmepumpenkreislauf die Wärme der Außenluft des Fahrzeugs zum Heizen des Fahrgastinnenraumes des Fahrzeugs verwendet wird, führt dies aufgrund der geringen Quelltemperatur zu einer geringen Leistung der Wärmepumpe. Dies ist bedingt durch geringe Saugdrücke am Kompressor, die zu geringen Massenströmen führen. Des Weiteren führt eine Energieabfuhr auf der Hochdruckseite des Kältemittelverdichters zum Beheizen des Fahrzeuginnenraumes zu einem sinkenden Hochdruck, der wiederum geringe Kondensationstemperaturen zur Folge hat. Somit dauert in nachteiliger Weise der Aufbau des Hochdrucks auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs 2 in der Regel sehr lange.
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Zur Vermeidung dieses Nachteils wird erfindungsgemäß die Luftführung mittels des Klimagerätes 7 derart geändert, dass die mittels des Heizregisters 5.1 erwärmte Zuluft nicht sofort abströmt, sondern ein Teilzuluftstrom des Zuluftstroms L1 innerhalb des bereits erwähnten Umluftgehäuses 5.10 um das Heizregister 5.1 zirkulierend gehalten wird und sich dadurch weiter aufwärmen kann. Dies bedeutet, dass die zu Beginn des Wärmepumpenprozesses aus der Umgebungsluft aufgenommene Wärme nicht sofort in den Fahrzeuginnenraum abgegeben wird, sondern zunächst dazu benutzt wird, um den Kältemitteldruck auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs 2, also insbesondere den Hochdruck des Kältemittels im Heizregister 5.1 auf einen definierten ersten Hochdruckwert zu steigern.
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Dieses erfindungsgemäße Verfahren wird anhand des in 2 dargestellten Klimagerätes 7 beschrieben und erläutert.
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Hiernach ist in einem Gehäuse 7.1 des Klimagerätes 7 in einem ersten Kanalabschnitt 7.10 der Verdampfer 3 des Kältemittelkreislaufs 2 angeordnet, dem ein Zuluftstrom L1 als Frischluftstrom oder als mit Umluft aus dem Fahrzeuginnenraum vermischter Frischluftstrom zugeführt wird. Dieser Zuluftstrom L1 wird an diesem Verdampfer 3 gekühlt und/oder entfeuchtet und strömt in einen an den ersten Kanalabschnitt 7.10 sich anschließenden zweiten Kanalabschnitt 7.11, in welchem das das Heizregister 5.1 aufnehmende Umluftgehäuse 5.10 angeordnet ist. Dieses Umluftgehäuse 5.10 wird von dem an dem Verdampfer 3 gekühlten und/oder entfeuchteten Zuluftstrom L1 umströmt, insbesondere oberhalb des Umluftgehäuses 5.10 von einem Teilzuluftstrom L10 und unterhalb des Umluftgehäuses 5.10 von einem weiteren Teilzuluftstrom L11. Diese Teilzuluftströme L10 und L11 enden in einem dritten Kanalabschnitt 7.12 des Gehäuses 7.1, in welchem sich ein Mischraum M1 für den Front-Bereich des Fahrzeuginnenraums und ein Mischraum M2 für den Fond-Bereich des Fahrzeuginnenraums befinden. In diesen Mischräumen M1 und M2 des dritten Kanalabschnitts 7.12 werden die Teilzuluftströme L10 und L11 mit Warmluft L13 und L14 aus dem Umluftgehäuse 5.10 des Heizregisters 5.1 gemischt.
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Benachbart zum Verdampfer 3 weist das Umluftgehäuse 5.10 eine erste Zuluftklappe 5.11 und eine zweite Zuluftklappe 5.12 auf, die von einem Klimasteuergerät 15 (vgl. 1) gesteuert werden. Ferner weist das Umluftgehäuse 5.10 im Bereich des Mischraums M1 eine erste Abluftklappe 5.13 und im Bereich des Mischraums M2 eine zweite Abluftklappe 5.14 auf, wobei auch diese Abluftklappen 5.13 und 5.14 von dem Klimasteuergerät 15 gesteuert werden. Dabei wird von dem Klimasteuergerät 15 nicht nur das Öffnen und Schließen dieser Klappen 5.11, 5.12, 5.13 und 5.14 gesteuert, sondern auch deren Öffnungsgrad.
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Mit Beginn des Wärmepumpenprozesses werden beide Zuluftklappen 5.11 und 5.12 oder zumindest eine der beiden Zuluftklappen 5.11 oder 5.12 mittels des Klimasteuergerätes 15 geöffnet, so dass ein Teilzuluftstrom des an dem Verdampfer 3 gekühlten und/oder entfeuchteten Zuluftstroms L1 in das Umluftgehäuse 5.1 strömt. Die beiden Abluftklappen 5.13 und 5.14 sind geschlossen, so dass der in dem Umluftgehäuse 5.10 eingesperrte Teilzuluftstrom L12 das Heizregister 5.1 umströmen kann und dabei an dem Heizregister 5.1 aufgrund der direkten Abgabe von Wärme des das Heizregister 5.1 durchströmenden Kältemittels zunehmend erwärmt wird. Wird ein definierter Befüllungsgrad des Umluftgehäuses 5.10 durch den Teilzuluftstrom L12 erreicht, werden die Zuluftklappen 5.11 und 5.12 bzw. die geöffnete Zuluftklappe 5.11 oder 5.12 geschlossen, wodurch der eingeschlossene Teilzuluftstrom L12 innerhalb des Umluftgehäuses 5.10 um das Heizregister 5.1 weiter zirkuliert und dabei zunehmend erwärmt wird.
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Der Befüllungsgrad des Umluftgehäuses 5.10 kann bspw. durch eine Messung des Luftdruckes innerhalb des Umluftgehäuses 5.10 mittels eines Druck-Temperatursensors pT4 erfasst werden. Alternativ ist es auch möglich, den Befüllungsgrad in Abhängigkeit der Öffnungsstellung der Zuluftklappen 5.11 und 5.12 und deren Öffnungszeitdauer mittels eines Kennlinienfeldes zu bestimmen, wobei in diesem Fall die Öffnungsstellung der Zuluftklappen 5.11 und 5.12 sensorisch erfasst werden muss.
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Mit der zunehmenden Erwärmung des in das Umluftgehäuse 5.10 eingeschlossenen Teilzuluftstroms L12 steigt auch der Hochdruck des Kältemittels auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs 2, insbesondere auch im Bereich dieses Heizregisters 5.1 an. Der Hochdruck des Kältemittels auf der Hochdruckseite wird mittels eines Druck-Temperatursensors pT1 erfasst, welcher gemäß 1 stromabwärtsseitig des Kältemittelverdichters 4 in dem Kältemittelkreislauf 2 angeordnet ist und dessen Sensorwerte von dem Klimasteuergerät 15 ausgewertet werden.
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Mit dieser Maßnahme wird ein schnelles Anlaufen des Wärmepumpenprozesses erreicht, so dass bei Erreichen eines ersten definierten Hochdruckwertes des Kältemittels auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs 2, also insbesondere im Bereich des Heizregisters 5.1 nunmehr die beiden Abluftklappen 5.13 und 5.14 oder wenigstens eine der beiden Abluftklappen 5.13 oder 5.14 geöffnet werden, wodurch der an dem Heizregister 5.1 erwärmte Teilzuluftstrom L12 als Warmluftstrom L13 und L14 aus dem Umluftgehäuse 5.10 entweder in die beiden Mischräume M1 und M2 austreten und sich dort mit den Teilzuluftströmen L10 und L11 mischen kann oder als Warmluftstrom L13 oder L14 in wenigstens einen der beiden Mischräume M1 oder M2 austreten und sich dort mit dem Teilzuluftstrom L10 oder L11 mischen kann.
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Das Öffnen der Abluftklappen 5.13 und/oder 5.14 kann zusätzlich auch in Abhängigkeit der Temperatur des um das Heizregister 5.1 zirkulierenden Teilzuluftstroms L12 erfolgen. Hierzu wird diese Temperatur mittels des Druck-Temperatursensors pT4 erfasst, durch das Klimasteuergerät 15 ausgewertet und bei Erreichen eines definierten Temperaturwertes der Temperatur im Umluftgehäuse 5.10 wenigstens eine der Abluftklappen 5.13 oder 5.14 mittels des Klimasteuergerätes 15 geöffnet.
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Die vermischten Luftströme können als Abluftstrom L2 aus dem Mischraum M1 über Ausströmer 11 in den Frontbereich des Fahrzeuginnenraums und/oder als Abluftstrom L3 über Ausströmer 12 in den Fond-Bereich des Fahrzeuginnenraums geleitet werden.
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Mit dem nun in Gang gekommenen Wärmepumpenprozess werden auch die Zuluftklappen 5.11 und/oder 5.12 mit dem Öffnen der Abluftklappen 5.13 und/oder 5.14 wieder geöffnet und nur so viel Teilzuluftstrom L12 als Warmluft über die geöffneten Abluftklappen 5.13 und 5.14 oder nur über eine geöffnete Abluftklappe 5.13 oder 5.14 in die Mischräume M1 und/oder M2 geleitet, dass eine eingestellte Ziellufttemperatur des Abluftstroms L2 im Bereich der Ausströmer 11 und/oder eine eingestellte Ziellufttemperatur des Abluftstroms L3 im Bereich des Ausströmers L2 erreicht wird und gleichzeitig der Hochdruck des Kältemittels auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs 2, also insbesondere im Bereich des Heizregisters 5.1 auf einen zweiten definierten Hochdruckwert gehalten wird, der dem ersten definierten Hochdruckwert entsprechen kann. Bei diesem eingeschwungenen Wärmepumpenprozess kann der Anteil der abgeführten Warmluft in Form des Warmluftstroms L13 und/oder L14 kontinuierlich erhöht werden, um die eingestellte Ziellufttemperatur zu erreichen.
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Beim Umschalten von dem Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2 als Wärmepumpenkreislauf 2.2 auf den AC-Betrieb werden gemäß 1 die Absperrventile A1 und A4 geschlossen und das Absperrventil A2 geöffnet. Anschließend wird das Kältemittel aus dem Wärmepumpenleitungsabschnitt 2.21 in den Kältekreislauf 2.1 abgesaugt, indem das Absperrventil A3 geöffnet wird, so dass das Kältemittel aus dem Wärmepumpenleitungsabschnitt 2.21 einschließlich des Heizregisters 5.1 über das Rückschlagventil R4, den Kältemittelsammler 9 und den inneren Wärmetauscher 8 in den Kältemittelverdichter 4 gesaugt wird.
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Dieses Absaugen von Kältemittel aus dem Wärmepumpenleitungsabschnitt 2.21 wird speziell beim Anfahren der Fahrzeugkälteanlage 1 durchgeführt, wenn die Komponenten als Kältekreislauf 2.1 für den AC-Betrieb verschaltet sind. Zur Durchführung des AC-Betriebs wird der Wärmepumpenleitungsabschnitt 2.21 von dem Kältekreislauf 2.1 getrennt, indem wie beschrieben das Absperrventil A1 geschlossen wird.
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Als Wärmequelle für den Wärmepumpenkreislauf 2.1 kann auch die Wärmequelle 13 des Chillers 10 eingesetzt werden. In diesem Fall wird der Wärmepumpenkreislauf 2.1 von den Komponenten Kältemittelverdichter 4, Heizregister 5.1, innerer Wärmeübertrager 8, drittes Expansionsorgan 6.3, Niederdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 10, Kältemittelsammler 9 und innerer Wärmeübertrager 8 gebildet, wobei diese Komponenten in der aufgeführten Reihenfolge von dem Kältemittel in Strömungsrichtung S durchströmt werden. Hierbei ist das Absperrventil A1 geöffnet, während das Absperrventil A2 sowie das erste und zweite Expansionsorgan 6.1 und 6.2 geschlossen sind. Wird nur die Wärmequelle 13 für den Heizbetrieb des Kältemittelkreislaufs 1 verwendet, kann das zweite Expansionsorgan 6.2 durch ein Rückschlagventil ersetzt und das dem Chiller 10 nachgeschaltete Rückschlagventil R2 verzichtet werden.
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Somit kann das erfindungsgemäße Verfahren unter Verwendung des erfindungsgemäßen Klimagerätes 7 auch bei der Verwendung des Chillers 10 als Wärmequelle durchgeführt werden.
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Die Fahrzeugkälteanlage 1 gemäß 1 weist entsprechende Temperatursensoren T_Um und Druck-Temperatursensoren pT1, pT2, pT3 und pT4 auf, wobei die Funktion des Druck-Temperatursensors pT4 bereits erläutert wurde. Mit dem Temperatursensor T_Um wird die Umgebungstemperatur der Fahrzeugkälteanlage 1, mit dem Druck-Temperatursensor pT1 wird der maximale Druck und die Temperatur des Kältemittels auf der Hochdruckseite des Kältemittelverdichters 4, mit dem Druck-Temperatursensor pT2 der optimale Druck und die Temperatur am Ausgang des als Gaskühler arbeitenden Wärmeübertragers 5 und mit dem Druck-Temperatursensor pT3 wird der Druck und die Temperatur des Kältemittels am Ausgang des Kältemittelsammlers 9 gemessen. Die Sensorwerte dieser Sensoren werden dem Klimasteuergerät 15 der Fahrzeugkälteanlage 1 zugeführt, welches die Komponenten der Fahrzeugkälteanlage 1 ansteuert und mit diesen kommuniziert.
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Als Heizregister 5.1 kann bspw. ein Wärmetauscher in einer Flachrohr-Ausführung eingesetzt werden. Im Prinzip sind alle dem Fachmann bekannten Ausführungen von Wärmetauschern geeignet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren als auch das erfindungsgemäße Klimagerät kann auch in Fahrzeugen mit lediglich einer Brennkraftmaschine als Antrieb eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kälteanlage eines Fahrzeugs
- 2
- Kältemittelkreislauf
- 2.1
- Kältekreislauf
- 2.2
- Wärmepumpenkreislauf
- 2.21
- Wärmepumpenleitungsabschnitt
- 2.22
- weiterer Wärmepumpenleitungsabschnitt
- 2.3
- Absaugleitungsabschnitt
- 3
- Verdampfer
- 4
- Kältemittelverdichter
- 5
- Wärmeübertrager
- 5.1
- Heizregister
- 5.10
- Umluftgehäuse des Heizregisters 5.1
- 5.11
- Zuluftklappe des Umluftgehäuses 5.10
- 5.12
- Zuluftklappe des Umluftgehäuses 5.10
- 5.13
- Abluftklappe des Umluftgehäuses 5.10
- 5.14
- Abluftklappe des Umluftgehäuses 5.10
- 6.1
- erstes Expansionsorgan
- 6.2
- zweites Expansionsorgan
- 6.3
- drittes Expansionsorgan
- 7
- Klimagerät der Kälteanlage 1
- 7.1
- Gehäuse des Klimagerätes 7
- 7.10
- erste Kanalabschnitt des Gehäuses 7.1
- 7.11
- zweiter Kanalabschnitt des Gehäuses 7.1
- 7.12
- dritter Kanalabschnitt des Gehäuses 7.1
- 8
- innerer Wärmeübertrager
- 9
- Kältemittelsammler
- 10
- Niederdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
- 11
- Ausströmer für den Frontbereich des Fahrzeuginnenraums
- 12
- Ausströmer für den Fond-Bereich des Fahrzeuginnenraums
- 13
- Wärmequelle des Kühlmittelkreislaufs 14
- 14
- Kühlmittelkreislauf des Niederdruck-Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 10
- 15
- Klimasteuergerät
- A1
- Ventilorgan, Absperrventil
- A2
- Absperrventil
- A3
- Absperrventil
- A4
- Absperrventil
- L1
- Zuluftstrom
- L10
- Teilzuluftstrom
- L11
- Teilzuluftstrom
- L12
- Teilfrischluftstrom
- L13
- Warmluftstrom
- L14
- Warmluftstrom
- L2
- Abluftstrom
- L3
- Abluftstrom
- M1
- Mischraum des Klimagerätes 7
- M2
- Mischraum des Klimagerätes 7
- R1
- Rückschlagventil des ersten Wärmepumpenzweiges WPZ1
- R2
- Rückschlagventil des zweiten Wärmepumpenzweiges WPZ2
- R3
- Rückschlagventil des dritten Wärmepumpenzweiges WPZ3
- R4
- Rückschlagventil
- S
- Strömungsrichtung des Kältemittelkreislaufs 2
