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Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf für einen AC-Betrieb.
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Der Einsatz von Kälteanlagen in Fahrzeugklimaanlagen ist bekannt, wobei manche Varianten für die Innenraumklimatisierung eine 2-Verdampferanlage vorsehen, nämlich einen Frontverdampfer und einen Heckverdampfer.
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Elektrifizierte Fahrzeuge benötigen neben mindestens einem Innenraumverdampfer in einem Kältemittelkreislauf einen separaten Kühlmittelkreislauf zur Konditionierung und Temperierung des in der Regel als Hochvoltbatterie realisierten Energiespeichers. Ein solcher Kühlmittelkreislauf kann mittels eines Wärmeübertragers mit dem Kältemittelkreislauf gekoppelt werden, wobei ein solcher Wärmeübertrager seinerseits ebenfalls als Verdampfer zum Kühlen eines Luftstromes bzw. als sogenannter Chiller zum Kühlen von Wasser ausgebildet ist.
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Aus der
DE 198 39 477 A1 ist eine Fahrzeug-Kälteanlage bekannt, bei welcher nach einem Kältemittelkondensator und einem Flüssigkeitssammler eine erste Verzweigung des Kühlmittelkreislaufes vorgesehen ist, an der das Kühlmittel in einen ersten Kühlmittelstrom und einen zweiten Kühlmittelstrom verzweigt wird. Der erste Kühlmittelstrom fließt über ein erstes Expansionsorgan einem Verdampfer als Wärmeübertrager zu, während der zweite Kühlmittelstrom über ein zweites Expansionsorgan einem zusätzlichen Wärmeübertrager zufließt, der von einer Leistungselektronik beheizt wird.
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Solche zusätzlichen Wärmeübertrager befinden sich entweder aus Gründen einer optimalen geometrischen und funktionalen Anordnung (Package) im Hinterwagen des Fahrzeugs, wenn der zusätzliche Wärmeübertrager als Chiller für eine wassergekühlte Batterie oder als Luftverdampfer für eine luftgekühlte Batterie aufgebaut ist, oder aus Gründen der Funktionalität im Fahrzeugmittelbereich (Heckklimatisierung). Nachteilig an einer solchen Anordnung ist jedoch das zunehmend komplexer werdende Systemdesign, da zusätzliche Leitungsstränge erforderlich sind. Zusätzliche Leitungsstränge können jedoch zu Kältemittelverlagerungen führen und auch den Ölhaushalt der Kälteanlage negativ beeinflussen.
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Die
DE 10 2012 108 043 A1 beschreibt eine Kälteanlage für ein Fahrzeug zur Temperierung von Fahrzeug-Aggregaten und eines Fahrgastraums. Diese Kälteanlage umfasst einen ersten und einen zweiten Kühlmittelkreislauf, einen Heizkreislauf und einen Kältemittelkreislauf, wobei der Kältemittelkreislauf mittels eines ersten Wärmeübertragers mit dem Heizkreislauf thermisch gekoppelt ist und der Kältemittelkreislauf mittels eines zweiten Wärmeübertragers mit dem ersten und/oder dem zweiten Kühlmittelkreislauf koppelbar ist. Mittels in den Kreisläufen angeordneten Ventilen lassen sich diese bedarfsgerecht koppeln und/oder entkoppeln. Der Kältemittelkreislauf umfasst einen Kompressor, den mit dem Heizkreislauf thermisch gekoppelten ersten Wärmeübertrager, einen Verdampfer und den zweiten Wärmeübertrager, wobei diese Komponenten in der aufgeführten Reihenfolge von einem Kältemittel durchströmt werden. Der erste Kühlmittelkreislauf umfasst eine Wärmequelle, bspw. eine Elektromaschine oder ein elektronisches Bauteil und einen Kühlmittelkühler mit einem Lüfter, wobei dieser erste Kühlmittelkreislauf mit dem zweiten Wärmeübertrager kühlmittelseitig verbindbar ist. Der zweite Kühlmittelkreislauf weist neben einer Batterie einen Kühlmittelkühler auf, wobei dieser zweite Kühlmittelkreislauf ebenso thermisch mit dem zweiten Wärmeübertrager verbindbar ist.
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Eine Kälteanlage für ein Fahrzeug, insbesondere für einen Omnibus ist auch aus der
DE 10 2013 006 356 A1 bekannt. Diese bekannte Kälteanlage zum Temperieren eines in einen Fahrzeuginnenraum zuzuführenden Luftstromes umfasst einen Kühlkreis, in den wenigstens ein Kühlmittelwärmetauscher zum Kühlen des Luftstromes eingebunden ist, einen Heizkreis, in den wenigstens ein Heizwärmetauscher zum Beheizen des Luftstromes eingebunden ist, des Weiteren einen Zusatzwärmetauscher, der mittels einer Verschaltung wahlweise in den Heizkreis oder in den Kühlkreis einbindbar ist und schließlich einen Kältekreis, in den ein Kältemittelkompressor, ein Kondensator und ein Verdampfer derart eingebunden sind, dass der Verdampfer außerdem in den Kühlkreis eingebunden und der Kondensator außerdem in den Heizkreis eingebunden ist.
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Weiterhin ist aus der WO 2016/ 067 598 A1 eine Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf bekannt. Dieser Kältemittelkreislauf umfasst einen Kompressor, einen Kondensator und einen Chiller mit zugeordnetem Expansionsorgan. Dieser Chiller weist kühlmittelseitig einen Kühlmittelkreislauf auf, welcher neben einer Pumpe einen in einem Klimagerät angeordneten Kühlmittel-Luft-Wärmetauscher aufweist.
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Ferner beschreibt die US 2002/ 0 153 132 A1 ein Klimagerät für ein Fahrzeug, welches neben einem elektrischen Zuheizer einen Verdampfer aufweist. Dieser elektrische Zuheizer ist mit mehreren Heizzonen ausgebildet. Ein Gehäuse des Klimagerätes für diesen Verdampfer und diesen elektrischen Zuheizer weist eine Mehrzahl von Luftausströmern auf, die diesen Heizzonen zugeordnet sind.
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Aus der nachveröffentlichten
DE 10 2016 115 952 A1 ist eine Kälteanlage für ein Fahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf für einen Kühl- und Heizbetrieb bekannt. Der Kältemittelkreislauf umfasst neben einem Innenraum-Frontverdampfer einen mit einem Kühlmittelkreislauf thermisch gekoppelten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager mit zugehörigem Expansionsorgan. Dieser Kühlmittelkreislauf weist neben einem weiteren mit dem Kältemittelkreislauf gekoppelten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager eine von einer Batterie gebildeten Wärmequelle sowie einen in Reihe mit der Wärmequelle fluidisch verbundenen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager zur Luftkonditionierung mindestens eines Abschnittes des Fahrgastraums auf.
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Schließlich ist aus der ebenso nachveröffentlichten
DE 10 2016 117 075 A1 eine Kälteanlage mit einem Kältemittelkreislauf zur Mehrzonenfahrgastraumkühlung bekannt. Dieser Kältemittelkreislauf umfasst einen Front-Verdampfer und einen mit einem Kühlmittelkreislauf thermisch gekoppelten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager. In diesem Kühlmittelkreislauf ist ein mit dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager parallel fluidverbundener Fond-Verdampfer angeordnet, welchem ein Gebläse zugeordnet ist. Eine als Batterie ausgeführte Wärmequelle ist ebenso in dem Kühlmittelkreislauf parallel mit dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager fluidverbunden. Schließlich ist der Wärmequelle ein Batteriekühler in dem Kühlmittelkreislauf parallel geschaltet, welchem ein Lüfter zugeordnet ist, um die Wärmeabfuhr zu erhöhen, wenn das Kühlmittel den Batteriekühler durchströmt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung eine Fahrzeug-Kälteanlage anzugeben, welche nur eine geringe Anzahl von Verdampfern zur Wärmeaufnahme aus Luft- und/oder Kühlmittelströmen benötigt, ohne dass Komforteinbußen betreffend die Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums in Kauf genommen werden müssen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kälteanlage für Fahrzeuge mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Gemäß der Erfindung umfasst eine solche Kälteanlage mit einem Kältemittelkreislauf für einen AC-Betrieb:
- - einen Innenraum-Frontverdampfer mit einem zugeordneten Expansionsorgan
- - einen Kältemittelverdichter,
- - einen Kältemittelkondensator oder Gaskühler,
- - einen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager mit zugeordnetem Expansionsorgan,
- - eine Wärmequelle, die mit dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager thermisch über einen Kühlmittelkreislauf gekoppelt ist, und
- - einen als Innenraum-Heckverdampfer ausgebildeter Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager zur Luftkonditionierung des Fondraums des Fahrzeugs, der thermisch mit dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager über den Kühlmittelkreislauf gekoppelt ist, wobei
- - die Wärmequelle und der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager in dem Kühlmittelkreislauf des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager fluidisch parallel geschaltet sind,
- - der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager zusammen mit einem Luftgebläse als Klimagerät ausgebildet ist, und
- - das Klimagerät eine elektrische Heizvorrichtung aufweist.
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Bei dieser erfindungsgemäßen Kälteanlage wird mittels des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers, vorzugsweise ausgeführt als Chiller, neben dem Kältemittelkreislauf ein weiterer Kühlkreis realisiert, welcher neben der Kühlung einer Wärmequelle, bspw. einer Hochvoltbatterie, einen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager als Heckverdampfer aktiv versorgt und zusätzlich zum Innenraum-Frontverdampfer zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums dient.
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Gegenüber einer Kälteanlage gemäß dem Stand der Technik mit einem Innenraum-Frontverdampfer, einem Innenraum-Heckverdampfer sowie einem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager zur indirekten Kühlung einer bspw. als Hochvoltbatterie ausgeführten Wärmequelle, stellt die Erfindung eine Kälteanlage bereit, die lediglich einen Innenraum-Frontverdampfer und einen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager aufweist, der sowohl der Kühlung der Wärmequelle dient als auch mit konditioniertem Kühlmittel den Innenraum-Heckverdampfer versorgt.
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Da der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager als Innenraum-Heckverdampfer und die Hochvoltbatterie als zu kühlende Wärmequelle in der Regel im Hinterwagen des Fahrzeugs angeordnet sind, ist zur Realisierung des weiteren Kühlkreises anstelle der Verlegung von AC-Leitungen und Wasserverschlauchung in den Hinterwagen nur eine einzige Zu- und Rückleitung für das Kühlmittel zum als Chiller ausgeführten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager erforderlich, wobei ein solcher Chiller vorzugsweise im Frontbereich eines Fahrzeugs angeordnet ist. Als Kühlmittel wird bspw. Wasser eingesetzt.
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Erfindungsgemäß sind die Wärmequelle und der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager in dem Kühlmittelkreislauf des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager fluidisch parallel geschaltet.
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Erfindungsgemäß ist für den Fond des Fahrzeugs ein Klimagerät mit dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager und einem Luftgebläse vorgesehen. Damit ist nur ein einziger mit Kühlmittel beaufschlagter Wärmeübertrager erforderlich. Zum Nachheizen des Luftstromes in diesem Klimagerät weist dieses vorzugsweise eine elektrische Heizvorrichtung auf.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel einer Kälteanlage gemäß der Erfindung, und
- 2 ein nicht erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Kälteanlage.
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Die schematisch in 1 dargestellte Kälteanlage 1 eines Fahrzeugs umfasst einen Kältemittelkreislauf 1.1 sowie einen Kühlmittelkreislauf 1.2.
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Der Kältemittelkreislauf 1.1 umfasst einen Innenraum-Frontverdampfer 2 des Fahrzeugs, einen Kältemittelverdichter 3, einen Kältemittelkondensator oder Gaskühler 4 und einen als Chiller ausgebildeten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5. Dem Innenraum-Frontverdampfer 2 und dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 sind jeweils ein als Expansionsventil ausgebildetes Expansionsorgan 2.1 bzw. 5.1 vorgeschaltet.
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Das Kältemittel, bspw. R744 wird von dem Kältemittelverdichter 3 auf Hochdruck verdichtet und in Strömungsrichtung R dem Gaskühler 4 zur Kühlung mittels der Umgebungsluft des Fahrzeugs zugeführt. Anschließend wird das Kältemittel einerseits über das Expansionsorgan 2.1 in den Innenraum-Frontverdampfer 2 und andererseits über das Expansionsventil 5.1 in den als Chiller ausgebildeten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 entspannt und anschließend der Niederdruckseite des Kältemittelverdichters 3 zugeführt.
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Der als Chiller ausgebildete Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 ist einerseits in dem Kältemittelkreislauf 1.1 fluidisch eingebunden und mit dem Kühlmittelkreislauf 1.2 thermisch gekoppelt. Dieser Kühlmittelkreislauf 1.2 umfasst eine Wärmequelle 6, bspw. eine Hochvoltbatterie, deren Abwärme auf das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufes 1.2 übertragen wird, und einen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 7 als Innenraum-Heckverdampfer des Fahrzeugs, der der Luftkonditionierung des Fondraumes des Fahrzeuges dient. Der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 7 sowie die Wärmequelle 6 sind fluidisch parallel in dem Kühlmittelkreislauf 1.2 miteinander verbunden.
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Mit diesem als Chiller ausgebildeten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 wird der Kühlmittelkreislauf 1.2 aktiv versorgt und zwei Verbraucher, nämlich der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 7 und die Wärmequelle 6 mit konditioniertem Kühlmittel beaufschlagt. Damit wird sowohl die Kühlung der Hochvoltbatterie als Wärmequelle 6 als auch die Luftkonditionierung des Fondraumes des Fahrzeugs realisiert.
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Für die Zirkulation des Kühlmediums im Kühlmittelkreislauf 1.2 sorgt mindestens eine dort installierte Wasserpumpe 10. Ein Mehrwegeventil 11 (bspw. in der Ausführung als Drehschieber) oder mehrere Einzelventile (in 1 nicht dargestellt) setzen die Verteilung der Volumenströme geregelt um. Alternativ können je Wärmequelle separate Pumpeneinheiten vorgesehen werden, die unabhängig voneinander angesteuert werden. Damit kann jede Komponente 6 und 7 mit beliebigen Volumenströmen versorgt werden
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Vorteilhaft erweist es sich aus energetischen Gründen die Temperatur des Luftstroms im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 7 nicht auf das Niveau des Frontgeräts, nämlich des Innenraum-Frontverdampfers 2 abzusenken. Statt der üblichen 3°C Lufttemperatur können Werte, wie bspw. 10°C oder 15°C eingeregelt werden. Damit liegt zwar die Ausblastemperatur oberhalb üblicher Werte, jedoch wird weiterhin für einen kühlen Zuluftstrom gesorgt. Ggf. kann die Freigabe des Heckverdampfers, also des Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers 7 auch über eine Sitzplatzerkennung erfolgen. Ist ein Passagier anwesend erfolgt eine aktive Versorgung dieses Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers 7 mit kühlem Wasser, ansonsten beschränkt sich der Kühlmittelkreislauf 1.2 auf die Konditionierung des Hochvoltspeichers Wärmequelle (6).
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Im Fondraum des Fahrzeugs befindet sich ein anforderungsreduziertes Klimagerät 7.0, welches den Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 7, ein Luftgebläse 8 sowie eine elektrische Heizvorrichtung 9 aufnimmt.
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Für ein solches im Hinterwagen oder auch im Tunnel des Fahrzeugs angeordnetes Klimagerät 7.0 ist nur eine einzige Zu- und Rückleitung für das Kühlmittel zum als Chiller ausgebildeten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeüber-trager 5 erforderlich, wobei der Chiller vorzugsweise im Frontbereich des Fahrzeugs angeordnet ist.
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Um Kälteverluste bzw. die Wärmeaufnahme aus der Umgebung und Übertragung in den Kühlmittelkreislauf 1.2 möglichst auszuschließen, sind die Leitungen zur thermischen Entkoppelung gegenüber Umgebungseinflüssen mit einem Isolationsmaterial versehen.
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Mit der elektrischen Heizvorrichtung 9 kann der über das Klimagerät 7.0 geführte Luftstrom im Bedarfsfall nachgeheizt werden. Diese elektrische Heizvorrichtung 9 kann als Niedervoltheizer mit einer Bordnetzbasisspannung von 12 V oder als Hochvoltheizer mit einer Bordnetzbasisspannung von 48 V oder höher ausgeführt werden.
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Die erfindungsgemäße Kälteanlage 1 gemäß 1 umfasst somit theoretisch vier Verdampfer, nämlich den Innenraum-Frontverdampfer 2, den Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 7 sowie den als Chiller ausgebildeten Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5 und den Hochvoltspeicher Wärmequelle (6), von denen zwei mit Kältemittel, nämlich der Innenraum-Frontverdampfer 2 sowie der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 5, und der dritte, nämlich der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 7 und der Vierte mit Kühlmittel versorgt werden, wobei thermodynamisch betrachtet jedoch nur in dem Innenraum-Frontverdampfer2 und dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärme-übertrager5 ein Phasenwechsel und damit eine tatsächliche Verdampfung stattfindet. Der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 7 und der Hochvoltspeicher (Wärmequelle 6) erfüllen ihrerseits „nur“ eine Kühlungsfunktion ohne Phasenwechsel im Kühlmedium.
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Alternativ zu der Parallelschaltung aus dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 7 und der Wärmequelle 6 ist auch eine Reihenschaltung dieser beiden Komponenten möglich, wie dies in 2 dargestellt ist. Jedoch ist in diesem Fall eine Bypassleitung 1.20 für die Wärmequelle 6 und eine Bypassleitung 1.21 für den Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 7 vorzusehen. Die entsprechende Regelung durch die Wärmequelle 6 bzw. den Kühlmittel-Luft-Wärmeüber-trager 7 erfolgt mittels eines Mehrwegeventils 11 bzw. 12 (bspw. in der Ausführung als Drehschieber) oder mehrere Einzelventile (in 2 nicht dargestellt), um bei nicht bestehendem Kühlbedarf diese Komponenten 6 und 7 nicht mit Kälte zu beliefern.
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Die bevorzugte Verschaltung oder Betriebsweise des Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers 7 gemäß den 1 und 2 ist der Umluftmodus; damit wird dieser Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 7 stets mit vorkonditionierter und z.T. schon entfeuchteter Innenraumluft beaufschlagt, weshalb dieser Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 7 gegenüber üblichen Verdampfern geringere Leistungsanforderungen erfüllen muss.
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Eine erfindungsgemäße Kälteanlage 1 gemäß 1 weist ein einfaches Systemdesign auf und führt zu folgenden Vorteilen:
- - Es sind keine zusätzliche Expansionsventile abzustimmen,
- - Es besteht eine reduzierte Gefahr einer Ölumverlagerung,
- - Die Füllmengenbestimmung wird vereinfacht,
- - Der Kältemittelbedarf wird reduziert,
- - Die Umverlagerungsgefahr von Kältemittel wird vermindert,
- - Da der Innenraum-Frontverdampfer 2 weiterhin mit Kältemittel beaufschlagt wird, bleiben maximale Abkühldynamik und Effizienz erhalten.
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Die Kälteanlage 1 gemäß den 1 und 2 kann auch mit einer Wärmepumpenfunktion realisiert werden.
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Dieses Konzept zur Kombination einer Kälteanlage, ggf. auch mit Wärmepumpenfunktion mit einem Fluidkreislauf kann betriebsstoffunabhängig erfolgen und ist folglich nicht zwangsläufig an das Kältemittel R744 gekoppelt.
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Bezugszeichen
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- 1
- Kälteanlage eines Fahrzeugs
- 1.1
- Kältemittelkreislauf der Kälteanlage 1
- 1.2
- Kühlmittelkreislauf der Kälteanlage 1
- 2
- Innenraum-Frontverdampfer
- 2.1
- Expansionsorgan des Innenraum-Frontverdampfers 2
- 3
- Kältemittelverdichter
- 4
- Kältemittelkondensator, Gaskühler
- 5
- Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager
- 5.1
- Expansionsorgan des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 5
- 6
- Wärmequelle
- 7
- Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager
- 7.0
- Klimagerät
- 8
- Luftgebläse
- 9
- elektrische Heizvorrichtung
- 10
- Wasserpumpe
- 11
- Mehrwegeventil
- 12
- Mehrwegeventil
- R
- Strömungsrichtung
