DE102016013340A1

DE102016013340A1 - Klimaanlage für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102016013340A1
Application number: DE102016013340.6A
Authority: DE
Inventors: Thomas Frey; Daniela Horton; Mario Bareiß
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Daimler Truck Holding AG
Priority date: 2016-11-08
Filing date: 2016-11-08
Publication date: 2017-05-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage für ein Fahrzeug, vorzugsweise für einen Omnibus, umfassend einen ein Fluid als Kältemittel führenden Kreislauf (1), welcher einen Verdampfer (5) aufweist, der mit einem Kältemittelverdichter (9) verbunden ist, der auf einem Kältemittel-Flüssigkeits-Wärmetauscher (11) zur Wärmeabgabe an einen Innenraum des Fahrzeuges führt, welcher über ein Expansionsventil (3) auf den Verdampfer (5) zurückgeführt ist. Bei einer Klimaanlage, bei welcher die Wärmeverteilung innerhalb des Fahrgastraumes verbessert wird, ist der Kältemittel-Flüssigkeits-Wärmetauscher (11) in Reihe mit einem Kältemittel-Luft-Wärmetauscher (13) geschaltet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage für ein Fahrzeug, vorzugsweise für einen Omnibus, umfassend einen ein Fluid als Kältemittel führenden Kreislauf, welcher einen Verdampfer aufweist, der mit einem Kältemittelverdichter verbunden ist, der auf einem Kältemittel-Flüssigkeits-Wärmetauscher zur Wärmeabgabe an einen Innenraum des Fahrzeuges führt, welcher über ein Expansionsventil auf den Verdampfer zurückgeführt ist.
Aus der DE 10 2014 011 684 A1 ist ein Fahrzeug mit einer Einrichtung zum Kühlen und Heizen eines Fahrgastraumes bekannt, wobei das Fahrzeug vorzugsweise einen Omnibus darstellt. Die Einrichtung umfasst dabei einen Energieträgerkreislauf zum Erwärmen des Energieträgers über einen Flüssig/Flüssig-Wärmetauscher mit einem Heizkreislauf und zum Kühlen des Energieträgers über einen Verdampfer mit einem Kältemittelkreislauf. In einem Zwischenraum zwischen einer Fahrzeugaußenwand und einer dem Fahrgastraum zugewandten Innenfläche des Fahrzeuges ist eine Leitungsanordnung integriert, die von dem flüssigen Energieträger durchströmt wird. Jedes dieser mittels der integrierten Leitungsanordnung temperierbaren Flächenelemente stellt ein Heiz- bzw. Kühlungselement dar. Neben dem Heizkreislauf ist auch der Kühlkreislauf mit dem Energieträgerkreislauf gekoppelt, um den Energieträger im Energieträgerkreislauf entweder durch den Flüssig/Flüssig-Wärmetauscher zu erwärmen oder durch einen flüssigkeitsbeaufschlagten Verdampfer zu kühlen. Die Wärmeübertragung in den Fahrzeuginnenraum erfolgt dabei durch Konvektion und durch Wärmestrahlung.
Insbesondere bei Omnibus-Klimaanlagen, die eine integrierte Wärmepumpenfunktion und hohe Systemtemperaturen benötigen, können im Standardkreisprozess im Wärmepumpenbereich neben einer ungünstigen Wärmeverteilung und großen Ausblastemperaturschwankungen auch unerwünscht größere Ausblastemperaturen entstehen, was von den Fahrzeuginsassen als unangenehm empfunden wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Klimaanlage für einen Omnibus anzugeben, bei welchem die hohen Ausblastemperaturen zuverlässig unterbunden werden.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
Die Aufgabe ist mit einer Klimaanlage dadurch gelöst, dass Kältemittel-Flüssigkeits-Wärmetauscher in Reihe mit einem Kältemittel-Luft-Wärmetauscher geschaltet ist. Dies hat den Vorteil, dass durch die Verwendung dieser zwei Wärmetauscher eine zusätzliche Wärmesenke in das Klimasystem eingebracht wird. Diese Wärmesenke kann nicht nur zur Erhöhung und Aufheizen des Wasserkreislaufes genutzt werden, sondern dient gleichzeitig auch dazu, die Ausblastemperaturen unterhalb des Daches des Omnibusses zu reduzieren. Aufgrund dieser Ausgestaltung kann die Klimaanlage in energetisch optimierten Betriebspunkten betrieben werden, da über den Kältemittel-Flüssigkeits-Wärmetauscher dem Kältemittel ein Teil der Wärmeenergie entzogen wird, so dass die Temperatur des Kältemittels, welches in den Kältemittel-Luft-Wärmetauscher einströmt, bereits abgesenkt ist, wodurch hohe Ausblastemperaturen der Luft unterbunden werden.
Vorteilhafterweise ist der Kältemittel-Luft-Wärmetauscher dem Kältemittel-Flüssigkeits-Wärmetauscher unmittelbar nachgeschaltet. Die aufgenommene Wärme wird über einen Wasserkreislauf, der sich an den Kältemittel-Flüssigkeits-Wärmetauscher anschließt, genauso an den Fahrgastraum abgegeben, wie die Ausblastemperaturen, die von dem Kältemittel-Luft-Wärmetauscher abgegeben werden. Insbesondere die Ausblastemperaturen im Kältemittel-Luft-Wärmetauscher können moderat eingestellt werden und entsprechen dem erwarteten Empfinden der Fahrzeuginsassen.
In einer Ausgestaltung ist die Kombination aus Kältemittel-Flüssigkeits-Wärmetauscher und Kältemittel-Luft-Wärmetauscher direkt hinter dem Kältemittelverdichter auf dessen Hochdruckseite positioniert. Dies hat den Vorteil, dass die Temperatur des Kältemittels an dieser Stelle maximal ist und dieser durch zwei Wärmequellen dem Kältemittel Energie entzogen werden kann, wodurch die Temperierung des Innenraumes des Fahrzeuges zuverlässig erfolgen kann. Auch die Wärmeschichtung innerhalb des Fahrzeuges kann somit entsprechend vorteilhaft beeinflusst werden.
In einer Ausgestaltung sind der Kältemittel-Flüssigkeits-Wärmetauscher und/oder der Kältemittel-Luft-Wärmetauscher als Wärmepumpe ausgebildet. Dabei entfällt die Verwendung der von einem Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeuges bereitgestellten Heizenergie, welche bei einer Wärmepumpe aus einem natürlichen Medium entnommen wird. Die Verwendung von Wärmepumpen erlaubt somit einen Einsatz der vorgeschlagenen Lösung in Elektrofahrzeugen oder Fahrzeugen mit alternativen Antrieben, die keinen Verbrennungsmotor aufweisen.
Um die Schichtung der Temperatur innerhalb des Fahrgastraumes zu verbessern, erstreckt sich ein an den Kältemittel-Flüssigkeits-Wärmetauscher angeschlossener Wasserkreislauf nahe einem Boden des Fahrzeuges.
In einer Variante ist eine Temperatur des Kältemittels des Klimakreislaufs über einen Kältemittelvolumenstrom und/oder eine Kältemittelventilstellung einstellbar. Somit kann der Komfort innerhalb des Fahrzeuginnenraums ohne großen Regelaufwand gesteigert werden. Hinzu kommt, dass durch die Speichercharakteristik von Wasser der Verdichter bei geringer Wärmelast nicht so häufig takten muss, wodurch dessen Lebensdauer erhöht wird. Dadurch wird ebenfalls verhindert, dass der Verdichter bei kleiner Heizlast zu groß dimensioniert werden muss. Durch die Variation des Kältemittelvolumenstromes bzw. der Kältemittelventilstellung ist die Temperatur des Kältemittels auf der Hochdruckseite problemlos absenkbar und verursacht in Verbindung mit dem Kältemittel-Massenstrom entsprechend niedrigere Ausblastemperaturen.
Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, vorzugsweise einen Omnibus, umfassend eine Klimaanlage. Bei einem Fahrzeug, bei welchem der Fahrzeuginnenraum hinsichtlich einer Wärmeverteilung variiert werden kann, ist die Klimaanlage nach mindestens einem in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenen Merkmal ausgebildet.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der – gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung – zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale können für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung bilden, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separater Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigt:
1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Klimaanlage.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Klimaanlage eines Omnibusses in Form eines Kältemittelkreislaufes 1 dargestellt. Das in einem geschlossenen Kreislauf und unter hohem Druck stehende flüssige oder nassdampfförmige Kältemittel wird durch ein Expansionsventil 3 in einem Raum mit niedrigerem Druck entspannt. Dabei wird das flüssige/nassdampfförmige Kältemittel in einen Verdampfer 5 eingespritzt, wo es sich ausdehnt und sein Aggregatzustand von flüssig/nassdampfförmig in gasförmig wechselt. Das durch die Verdampfung im Verdampfer 5 gasförmig gewordene Kältemittel wird anschließend zu einem Kältemittelverdichter 9 weitergeleitet. Durch den Kältemittelverdichter 9 wird das gasförmige Kältemittel angesaugt und stark verdichtet, wobei die Temperatur des Kältemittels erhöht wird. Danach wird das komprimierte, gasförmige und heiße Kältemittel einem ersten Kältemittel-Flüssigkeits-Wärmetauscher 11 zugeführt, wo es teilweise abgekühlt wird. Das nun eine mittlere Temperatur aufweisende Kältemittel wird anschließend einem weiteren, sich unmittelbar in Reihe an diesen Kältemittel-Flüssigkeits-Wärmetauscher 11 anschließenden zweiten Kältemittel-Luft-Wärmetauscher 13 zur weiteren Abkühlung zugeführt. Das so abgekühlte und wieder verflüssigte Kältemittel wird wieder über das Expansionsventil 3 dem Verdampfer 5 zugeführt und der Kreislauf beginnt von neuem.
In einem sich an den Kältemittel-Wasser-Wärmetauscher 11 anschließenden Wasserkreislauf ist eine Bodenheizeinheit 15 eingebunden, welche die Wärme an den Fahrzeuginnenraum des Omnibusses abgibt. Die Wärme, welche dem Kältemittel durch den Kältemittel-Luft-Wärmetauscher 13 entzogen wurde, wird zur Temperierung der Ausblastemperaturen genutzt, die unterhalb des Dachs des Omnibusses ausgegeben werden. Der Kältemittel-Flüssigkeits-Wärmetauscher 11 und der Kältemittel-Luft-Wärmetauscher 13 sind Bestandteil einer Wärmepumpe, welche insbesondere bei elektrifizierten Fahrzeugen Anwendung finden. Da die Wärmepumpe einen Teil der Energie über den Verdampfer 5 aus der Umgebungsluft gewinnt, muss für die Erwärmung des Fahrzeuginnenraumes weniger Energie nicht aus der Batterie des Omnibusses entnommen werden. Dies hat zur Folge, dass die Reichweite des elektrifizierten Omnibusses, welcher durch die Batterie angetrieben wird, vergrößert wird. Gleichzeitig wird eine den Behaglichkeitsansprüchen der Fahrzeuginsassen bestehende Wärmeverteilung innerhalb des Fahrzeuginnenraums erreicht, wo die wärmsten Temperaturen im Fußbereich erwartet werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
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 102014011684 A1 [0002]

Claims

Klimaanlage für ein Fahrzeug, vorzugsweise für einen Omnibus, umfassend einen ein Fluid als Kältemittel führenden Kreislauf (1), welcher einen Verdampfer (5) aufweist, der mit einem Kältemittelverdichter (9) verbunden ist, der auf einem Kältemittel-Flüssigkeits-Wärmetauscher (11) zur Wärmeabgabe an einen Innenraum des Fahrzeuges führt, welcher über ein Expansionsventil (3) auf den Verdampfer (5) zurückgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittel-Flüssigkeits-Wärmetauscher (11) in Reihe mit einem Kältemittel-Luft-Wärmetauscher (13) geschaltet ist.
Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittel-Luft-Wärmetauscher (13) dem Kältemittel-Flüssigkeits-Wärmetauscher (11) unmittelbar nachgeschaltet oder parallel geschaltet ist.
Klimaanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination aus Kältemittel-Flüssigkeits-Wärmetauscher (11) und Kältemittel-Luft-Wärmetauscher (13) direkt hinter dem Kältemittelverdichter (9) auf dessen Hochdruckseite positioniert ist.
Klimaanlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittel-Flüssigkeits-Wärmetauscher (11) und/oder der Kältemittel-Luft-Wärmetauscher (13) als Wärmepumpe ausgebildet sind.
Klimaanlage nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein an den Kältemittel-Flüssigkeits-Wärmetauscher (11) angeschlossener Wasserkreislauf sich nahe einem Boden des Fahrzeuges erstreckt.
Klimaanlage nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur des Kältemittels des Kältemittelkreislaufs (1) über einen Kältemittelvolumenstrom und/oder eine Kältemittelventilstellung einstellbar ist.
Fahrzeug, vorzugsweise ein Omnibus, umfassend eine Klimaanlage, dadurch gekennzeichnet, dass die Klimaanlage nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.