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Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage für ein Fahrzeug.
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Eine solche Klimaanlage für ein Fahrzeug beschreibt die Patentanmeldung der Anmelderin mit dem Aktenzeichen
DE 10 2016 000 316 A1 .
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Diese bekannte Fahrzeugklimaanlage 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.
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Diese Klimaanlage 10 ist nach 3 mit einer Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit 2 zur Erzeugung von heißem oder kaltem Kühlmittel und einem mit der Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit 2 fluidverbundenen Mehrwegeventil 3 zur Verteilung von Kühlmittel an Verbraucher dargestellt. Diese Verbraucher sind zum einen ein Umgebungs-Wärmeübertrager 4 mit einem Kühlerlüfter 4.0 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 Heizungs-Wärmeübertrager 5.1 zum Heizen vorbeigeführt werden kann, um anschließend mit dem nicht beheizten Luftstrom als Zuluftstrom L2 in das Fahrzeuginnere geleitet zu werden.
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Ein vierter Kühlmittelkreislauf K4 ist ebenso mit dem Mehrwegeventil 3 verbunden, der von einem mit einer als Antriebskomponente ausgeführten Bauelement 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.
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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. Die Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit 2 bildet zusammen mit Mehrwegeventil 3 eine Thermomanagementeinheit 1
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Der Umgebungs-Wärmeübertrager 4 dient zum Abführen überschüssiger Wärmeleistung aus der Klimaanlage 10 an die Umgebungsluft des Fahrzeugs. Der Vorteil dieser Klimaanlage mit einem zentralen Kältemittelkreislauf 2.1 gemäß 3 besteht darin, dass dieses System mit nur einem einzigen Außenluft-Kühlmittelwärmeübertrager als Umgebungs-Wärmeübertrager 4 realisiert werden kann. Hierbei werden die Funktionen sowohl eines Niedertemperatur-Kühlers als auch eines Kondensators bzw. Gaskühlers zusammengefasst.
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Es können Betriebszustände, bspw. im Sommer auftreten, bei welchen sowohl durch elektrische Komponenten, bspw. der elektrischen Antriebskomponenten des Fahrzeugs als auch durch den indirekten Kondensator 2.4 hohe Wärmeleistungen abgegeben werden, die aus der Klimaanlage 10 abzuführen sind. Hierzu dient der Umgebungs-Wärmeübertrager 4. Dies bedeutet jedoch, dass die im Rücklauf des Umgebungs-Wärmeübertragers 4 erreichte Temperatur des Kühlmittels sowohl dem als Antrieb ausgeführtem Bauelement M und dem Energiespeicher 7 zur Kühlung derselben als auch dem indirekten Kondensator 2.4 zugeführt wird. Nachteilig hierbei sind die hieraus resultierenden hohen Vorlauftemperaturen am indirekten Kondensator 2.4 des Kältemittelkreislaufs 2.1 mit der Folge eines schlechten Wirkungsgrades des gesamten Kältemittelkreislaufs 2.1.
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Aus der
DE 42 38 853 A1 ist ein Kondensator als Kältemittel-Luftwärmeübertrager bekannt, welcher aus einem oberen Kondensationsbereich und einem unter demselben angeordneten Unterkühlungsbereich aufgebaut ist. Einen Kältemittel-Luft Wärmeübertrager beschreibt auch die
DE 10 2011 078 136 A1 , welcher in Stapelscheibenbauweise ebenso in einen Kondensationsbereich und in einen Unterkühlungsbereich unterteilt ist.
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Eine Klimaanlage für ein Fahrzeug umfasst gemäß der
DE 10 2013 109 666 A1 einen Kältemittelkreislauf mit einem Kältemittelverdichter, einem indirekten Kondensator mit einem ersten Kühlmittelkreislauf, einem indirekten Verdampfer mit einem zweiten Kühlmittelkreislauf sowie wenigstens einem Expansionsorgan. Der erste und zweite Kühlmittelkreislauf ist über eine Fluidverbindung verbunden, so dass ein Gesamt-Kühlmittelkreislauf mit einer Kühlmittelpumpe entsteht. In der von der Kühlmittelpumpe vorgegebenen Strömungsrichtung weist der Gesamt-Kältemittelkreislauf einen Innenraum-Wärmeübertrager zum Kühlen oder zum Heizen eines Fahrzeuginnenraums, einen Umgebungs-Wärmeübertrager und einen Aggregat-Wärmeübertrager auf, wobei der Umgebungs-Wärmeübertrager mittels eines Ventils umströmbar ist.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2015 220 623 A1 eine Kälteanlage eines Fahrzeugs mit einem Kältekreislauf bekannt, welcher mittels eines Chillers und einem indirekten Kondensator mit einem Kühlmittelkreislauf thermisch koppelbar ist. Dieser Kühlmittelkreislauf besteht aus einem Heizkreis mit einem Heizungswärmetauscher zur Innenraumklimatisierung und dem indirekten Kondensator, einem HVS-Kreis mit einem Hochvoltspeicher und einem Kühlkreis mit einem Kühler und einer Wärmequelle, bspw. ein Fahrzeugantrieb, eine Lade- oder Leistungselektronik des Fahrzeugs. Der Kühler des Kühlkreislaufs kann aus mehreren Kühlereinheiten, wie bspw. einer Hauptkühlereinheit und einer Nebenkühlereinheit aufgebaut werden. Aus der Hauptkühlereinheit wird über eine Kühler-Verzweigung ein Teilstrom des Kühlmittelstroms abgezweigt und der Wärmequelle zu deren Kühlung zugeführt, bevor dieser Teilstrom wieder dem Kühler zugeführt wird. Der in die Nebenkühlereinheit geführte Teilstrom wird zusätzlich abgekühlt und dem Heizkreis und dem HVS-Kreis zugeführt.
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In dieser
DE 10 2015 220 623 A1 wird auch vorgeschlagen, die Hauptkühlereinheit und die Nebenkühlereinheit jeweils als Teilabschnitte eines Kühlers und die Kühler-Verzweigung innerhalb eines solchen Kühlers anzuordnen.
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Der Vollständigkeit halber sei noch auf eine Kühleranordnung gemäß der
DE 10 2010 026 323 A1 verwiesen, welche drei Wärmetauscher, nämlich einen Kondensator einer Fahrzeugklimaanlage, einen zur Motorkühlung vorgesehenen Wasserkühler und einen Ladeluftkühler aufweist und die in einem Gehäuse angeordnet sind. Hierbei sind diese drei Wärmetauscher in dem dieselben umrahmenden Gehäuse derart angeordnet, dass der Kondensator und der Wasserkühler sich in Fahrzeuglängsrichtung hintereinander befinden und der Ladeluftkühler in Fahrzeughochrichtung gesehen unterhalb des Kondensators des Fahrzeugkühlers liegt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung eine Klimaanlage für Fahrzeuge anzugeben, bei welchem das dem indirekten Kondensator zuführbare Kühlmittel möglichst tiefe Vorlauftemperaturen aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Klimaanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Eine solche Klimaanlage für ein Fahrzeug umfasst
- - einen Kältemittelkreislauf mit einem indirekten Kondensator,
- - einen Kühlmittelkreislauf mit einem einen Hauptabschnitt und einen Unterkühlungsabschnitt aufweisenden Umgebungs-Wärmeübertrager, wobei der Hauptabschnitt des Umgebungs-Wärmeübertragers einen Zulauf für einen Gesamtmassenstrom des Kühlmittels des Kühlmittelkreislaufs und einen ersten Rücklauf für einen ersten Teilmassenstrom des Kühlmittels und der Unterkühlungsabschnitt des Umgebungs-Wärmeübertragers einen zweiten Rücklauf für einen zweiten Teilmassenstrom des Kühlmittels aufweist,
- - ein Ventilorgan zur Bildung des ersten Rücklaufs,
- - einen weiteren Kühlmittelkreislauf mit einem Kühlungs-Wärmeübertrager zur Kühlung eines Bauelementes, und
- - ein Mehrwegeventil zur Herstellung von Fluidverbindungen zwischen den Kühlmittelkreisläufen, wobei
- - der Unterkühlungsabschnitt in Fahrzeughochrichtung unterhalb des Hauptabschnittes des Umgebungs-Wärmeübertragers angeordnet ist,
- - der erste Rücklauf für den ersten Teilmassenstrom mit dem Kühlungs-Wärmeübertrager mittels eines Mehrwegeventils fluidverbunden ist,
- - der zweite Rücklauf für den zweiten Teilmassenstrom mit dem indirekten Kondensator kühlmittelseitig mittels des Mehrwegeventils fluidverbunden ist, und
- - mittels des Mehrwegeventils der erste und zweite Teilmassenstrom zum Gesamtmassenstrom zusammengeführt sind.
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Bei dieser erfindungsgemäßen Klimaanlage weist der Umgebungs-Wärmeübertrager einen Zulauf und zwei Rückläufe auf, nämlich einen ersten Rücklauf eines Hauptabschnittes des Umgebungs-Wärmeübertragers zur Fluidverbindung mit dem zu kühlenden Bauelement sowie einen zweiten Rücklauf eines Unterkühlungsabschnittes zur Fluidverbindung mit dem indirekten Kondensator. Das Kältemittel weist an den beiden Rückläufen unterschiedliche Temperaturniveaus auf, so ist die Temperatur des Kühlmittels am zweiten Rücklauf tiefer als am ersten Rücklauf. Insbesondere wird die tiefere Temperatur am zweiten Rücklauf nicht nur aufgrund des längeren Strömungsweges des durch den Unterkühlungsabschnitt strömenden Teilmassenstroms des Kältemittels erreicht, sondern auch dadurch, dass nur noch ein Teilmassenstrom, und nicht der dem Zulauf des Hauptabschnittes zugeführte Gesamtmassenstrom des Kühlmittels durch den Unterkühlungsabschnitt strömt.
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Mit der Bereitstellung von zwei Kühlmittelmassenströmen auf zwei verschiedenen Temperaturniveaus mittels der erfindungsgemäßen Klimaanlage ist ein wesentlich effizienterer Betrieb des Kältemittelkreislaufs bei gleichzeitig bedarfsgerechter Kühlung der entsprechenden Komponenten des Thermomanagement Systems durchführbar.
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Das zu kühlende Bauelement ist als elektrische Baugruppe, insbesondere als elektrische Antriebskomponente des Fahrzeugs ausgeführt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine Teildarstellung einer Klimaanlage gemäß der Erfindung,
- 2 eine schematische Darstellung eines Frontends eines Fahrzeugs mit einem Umgebungs-Wärmeübertrager gemäß der Klimaanlage nach 1, und
- 3 ein Schaltbild einer Klimaanlage gemäß dem Stand der Technik.
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Die in 1 teildargestellte Klimaanlage 10 entspricht in deren prinzipiellen Aufbau der Klimaanlage 10 nach 3, die bereits in der Beschreibungseinleitung ausführlich beschrieben ist. Der erfindungsgemäße Unterschied besteht in dem Aufbau des Umgebungs-Wärmeübertragers 4 und dessen Fluidverbindung zum ersten Kühlmittelkreislauf K1, der nachfolgend lediglich als Kühlmittelkreislauf K1 bezeichnet wird. Die weiteren Kühlmittelkreisläufe K2 und K3 sind in 1 nicht dargestellt.
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Der Umgebungs-Wärmeübertrager 4 besteht aus einem als Kondensationsbereich dienenden Hauptabschnitt 4.1 und einem als Unterkühlungsbereich dienenden Unterkühlungsabschnitt 4.2. Nach 2 ist dieser Umgebungs-Wärmeübertrager 4 im Frontend eines Fahrzeugs 20 angeordnet, so dass ein von der Umgebungsluft erzeugter Luftstrom mittels des Kühlerlüfters 4.0 durch den Umgebungs-Wärmeübertrager 4 strömt. Der Unterkühlungsabschnitt 4.2 ist in Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) unterhalb des Hauptabschnittes 4.1 angeordnet. Das Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreislauf K1 wird als Gesamtmassenstrom m0 einem Zulauf 4.10 des Hauptabschnittes 4.1 zugeführt, welcher am oberen Ende des Umgebungs-Wärmeübertragers 4 angeordnet ist. Über einen ersten Rücklauf 4.11 des Hauptabschnittes 4.1 wird mittels eines Ventilorgans 4.3, welches als 3/2-Wegeventil ausgeführt ist, ein erster Teilmassenstrom m01 von dem Gesamtmassenstrom m0 abgezweigt, der verbleibende Teilmassenstrom strömt weiter durch den Unterkühlungsabschnitt 4.2 und verlässt den Umgebungs-Wärmeübertrager 4 als zweiter Teilmassenstrom m02 über einen zweiten Rücklauf 4.12.
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Die Fluidverbindungen zwischen dem Kühlmittelkreislauf K1 mit dem Kühlmittelkreislauf K4 sowie mit dem Kältemittelkreislauf 2.1, welcher andeutungsweise lediglich mit dem indirekten Kondensator 2.4 dargestellt ist, werden zur Realisierung unterschiedlicher Betriebsweisen der Klimaanlage 10 mittels des Mehrwegeventils 3 hergestellt.
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Die erfindungsgemäße Fluidverbindung zwischen dem Kühlmittelkreislauf K1 und dem Kühlmittelkreislauf K4 einerseits und andererseits mit dem indirekten Kondensator 2.4 des Kältemittelkreislaufs 2.1 zeigt 1. Hiernach wird der mittels des Ventilorgans 4.3 abgezweigte erste Teilmassenstrom m01 aus dem ersten Rücklauf 4.11 dem Kühlungs-Wärmeübertrager 6 zur Kühlung der als Antriebskomponente ausgeführtem Bauelement M zugeführt. Damit ist diese Antriebskomponente mit den verbundenen Kühlmittelkreisläufen K1 und K4 thermisch gekoppelt. Der aus dem zweiten Rücklauf 4.12 strömende zweite Teilmassenstrom m02 wird mittels des Mehrwegeventils 3 dem indirekten Kondensator 2.4 kühlmittelseitig zugeführt und strömt anschließend zurück in den Kühlmittelkreislauf K1 und vereinigt sich mit dem ersten Teilmassenstrom m01 zum Gesamtmassenstrom m0.
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Der Vorteil der mittels des segmentierten Umgebungs-Wärmeübertragers 4 erzeugten Teilmassenströme m01 und m02 besteht darin, dass diese beiden Teilmassenströme unterschiedliche Temperaturniveaus aufweisen. So ist die Temperatur des zweiten Teilmassenstroms m02 niedriger als diejenige des ersten Teilmassenstroms m01. Die Ursache liegt zum einen in dem kürzeren durchströmten Weg des ersten Teilmassenstroms m01 innerhalb des Umgebungs-Wärmeübertragers 4 im Vergleich zum durchströmten Weg des zweiten Teilmassenstroms m02 und zum anderen darin, dass der zweite Teilmassenstrom m02 eine geringere Masse pro Zeiteinheit aufweist, als es der Fall wäre, wenn der Gesamtmassenstrom m0 die gesamte Wegstrecke sowohl des Hauptabschnittes 4.1 als auch des Unterkühlungsabschnittes 4.2 des Umgebungs-Wärmeübertragers 4 durchströmen würde.
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Damit wird eine gegenüber dem Stand der Technik tiefere Vorlauftemperatur am Kondensator 2.4 des Kältemittelkreislaufs 2.1 erreicht, wodurch ein deutlich effizienterer Betrieb der Klimaanlage 10 als Kälteanlage sowie eine bedarfsgerechte Kühlung der entsprechenden Komponenten des Fahrzeugs, insbesondere bei hohen Außentemperaturen sichergestellt ist. Damit eignet sich dieser Betrieb der Klimaanlage 10 gemäß 1 insbesondere für den Sommerbetrieb.
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Bezugszeichenliste
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- 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
- 4.0
- Kühlerlüfter
- 4.1
- Hauptabschnitt des Umgebungs-Wärmeübertragers 4
- 4.10
- Zulauf des Hauptabschnittes 4.1
- 4.11
- erster Rücklauf des Umgebungs-Wärmeübertragers 4
- 4.12
- zweiter Rücklauf des Umgebungs-Wärmeübertragers 4
- 4.2
- Unterkühlungsabschnitt des Umgebungs-Wärmeübertragers 4
- 4.3
- Ventilorgan des Umgebungs-Wärmeübertragers 4
- 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 des Fahrzeugs 20
- 20
- Fahrzeug
- K1
- erste Kühlmittelkreislauf
- K2
- zweiter Kühlmittelkreislauf
- K3
- dritter Kühlmittelkreislauf
- K4
- vierter Kühlmittelkreislauf
- L1
- Luftstrom
- L2
- Zuluftstrom
- M
- zu kühlendes Bauelement
- m0
- Gesamtmassenstrom des Kühlmittelkreislaufs K1
- m01
- erster Teilmassenstrom des Gesamtmassenstroms m0
- m02
- zweiter Teilmassenstrom des Gesamtmassenstrom m0
