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Die Erfindung betrifft eine Klimatisierungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, welche als Wärmepumpe und Klimaanlage betreibbar ist, mit einem ein Fluid führenden Fluidkreislauf, in welchem wenigstens ein innerer Wärmetauscher und wenigstens ein äußererer Wärmetauscher integriert sind und in welchem außerdem ein erster innerer Wärmeübertrager integriert ist.
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Durch die zunehmende Elektrifizierung des Antriebs bei Kraftfahrzeugen, wie insbesondere Personenkraftwagen oder Omnibusse, ist immer seltener Abwärme, insbesondere der Verbrennungskraftmaschine, für das Heizen in Kraftfahrzeugen vorhanden. Somit muss auf alternative Wärmequellen für das Heizen zurückgegriffen werden, wodurch vermehrt Klimatisierungseinrichtungen nicht nur als Klimaanlage, sondern auch als Wärmepumpe betrieben werden.
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Eine Klimatisierungseinrichtung, welche als Wärmepumpe und Klimaanlage betreibbar ist, kommt in einem sehr weiten Temperaturbereich zum Einsatz. Durch die weiten Einsatztemperaturgrenzen der Wärmepumpe beziehungsweise der Klimaanlage ist es aktuell nicht möglich, eine für beide Betriebsmodi optimale Kältemittelfüllmenge beziehungsweise Fluidfüllmenge festzulegen. Die Kältemittelfüllmenge, insbesondere wenn als Kältemittel beziehungsweise Fluid CO2 verwendet wird, ist ein Kompromiss zwischen Leistungsfähigkeit der Wärmepumpe und Abschalttemperatur der Klimaanlage.
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Die
DE 101 61 254 A1 zeigt eine Klimatisierungseinrichtung für ein Fahrzeug, mit einem Verdichter mit einem Verdichterantriebe, mit einem Innenraumwärmeübertrager, einem Expansionsorgan, einem Außenraumwärmeübertrager und einem internen Wärmeübertrager. Die Klimatisierungseinrichtung ist dabei so ausgebildet, dass sie als autarkes flaches Modul ausgebildet ist, wobei sie in einem Kältemodus zum Kühlen und in einem Wärmepumpenmodus zum Heizen vorgesehen ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Klimatisierungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, mittels welcher eine Kältemittelmenge abstimmbar ist, sodass eine Leistungssteigerung im Wärmepumpenbetrieb und zusätzlich ein erweiterter Betriebstemperaturbereich im Klimaanlagenbetrieb erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Klimatisierungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Klimatisierungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, welches insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Omnibus sein kann, ist als Wärmepumpe und als Klimaanlage betreibbar. Das heißt, sie kann in einem ersten Betriebszustand als Wärmepumpe arbeiten, um beispielsweise den Innenraum des Kraftfahrzeugs zu heizen, wohingegen sie in einem zweiten Betriebsmodus als Klimaanlage betreibbar ist, um insbesondere den Innenraum des Kraftwagens zu kühlen. Dazu weist die Klimatisierungseinrichtung einen fluidführenden Fluidkreislauf auf, welcher auch als Kühlmittelkreislauf bezeichnet werden kann. Das Fluid ist insbesondere ein sogenanntes Kältemittel beziehungsweise Kühlmittel, wie beispielsweise Kohlendioxid. In dem Fluidkreislauf sind wenigstens ein innerer Wärmetauscher und wenigstens ein äußerer Wärmetauscher integriert. Dabei ist der innere Wärmetauscher vorzugsweise in dem Innenraum des Kraftwagens angeordnet, um dort Wärme abzugeben beziehungsweise aufzunehmen, wohingegen der äußere Wärmetauscher außerhalb des Innenraums, insbesondere außen am Kraftfahrzeug, anordenbar ist, um dort mit einer Umgebung des Kraftfahrzeugs Wärme auszutauschen. Dabei können sowohl der innere als auch der äußere Wärmetauscher je nach Betriebsmodus, das heißt also während die Klimatisierungseinrichtung als Wärmepumpe beziehungsweise als Klimaanlage betrieben wird, jeweils beispielsweise als sogenannter Kondensator, in Verbindung mit Fluiden, die keinen Phasenwechsel vollziehen, wie z. B. CO2, Gaskühler genannt, beziehungsweise Verdampfer fungieren, wodurch Wärme aufgenommen beziehungsweise abgegeben werden kann. Darüber hinaus sind beispielsweise noch ein Kompressor und eine Drossel (Expansionsventil) in dem Fluidkreislauf angeordnet. Außerdem ist in dem Fluidkreislauf der erfindungsgemäßen Klimatisierungseinrichtung ein erster interner Wärmeübertrager integriert. Der interne Wärmeübertrager wird im Englischen mit Internal Heat Exchanger, kurz IHX, bezeichnet. Der IHX beziehungsweise der erste interne Wärmeübertrager ist beispielsweise als Flüssigkeitsdampfwärmeübertrager oder Gas-Gas-Wärmeübertrager mit einer Innen- und einer Außenkammer ausgebildet. Dabei ist er so in den Fluidkreislauf integriert, dass heißes Fluid aus einem der beiden Wärmetauscher, welcher insbesondere aktuell als Gaskühler / Kondensator arbeitet, in eine Richtung durch den IHX beziehungsweise Wärmeübertrager strömt. In die andere Richtung fließt durch den internen Wärmeübertrager kaltes Fluid, welches von dem als Verdampfer arbeitenden Wärmetauscher durch die andere Kammer des internen Wärmeübertrages strömt. So kann beispielsweise, nachdem der als Kondensator / Gaskühler arbeitende Wärmetauscher genügend Wärme abgeführt hat, um insbesondere das Fluid beziehungsweise das Kältemittel zu einer Flüssigkeit zu kondensieren oder das Gas abzukühlen, welche noch ziemlich warm ist, der interne Wärmeübertrager weitere Wärme aus dem Kältemittel übertragen. Dies kann beispielsweise zu einer Unterkühlung unterhalb der Kondensationstemperatur führen. Dadurch wird die Effizienz der Klimatisierungseinrichtung deutlich verbessert.
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Um nun die erfindungsgemäße Klimatisierungseinrichtung besonders vorteilhaft zu betreiben, sodass bei gleichzeitiger Erweiterung des Betriebstemperaturbereich im Klimaanlagenbetrieb die Leistung der Wärmepumpe hoch ist, ist erfindungsgemäß ein zweiter interner Wärmeübertrager vorgesehen, wobei jeweils einer der beiden Wärmeübertrager in einem zugeordneten Wärmepumpenteilkreislauf beziehungsweise einem zugeordneten Klimaanlagenteilkreislauf angeordnet ist beziehungsweise sind. Mit anderen Worten ist ein weiterer interner Wärmeübertrager in den fluidführenden Fluidkreislauf, also den Kältemittelkreislauf, integriert. Dabei ist der zweite interne Wärmeübertrager im Wesentlichen parallel zu dem ersten internen Wärmeübertrager in dem Schaltbild der Klimatisierungseinrichtung verschaltet. Wird die Klimatisierungseinrichtung nun als Wärmepumpe betrieben, wird beispielsweise und insbesondere der erste interne Wärmeübertrager verwendet bei gleichzeitiger Nichtbenutzung des zweiten Wärmeübertrages, sodass im Falle des Wärmepumpenbetriebs der erste interne Wärmeübertrager einem zugeordneten Wärmepumpenteilkreislauf angehört beziehungsweise zuordenbar ist. Für den Fall, dass die Klimatisierungseinrichtung als Klimaanlage betrieben wird, wird nun der erste interne Wärmeübertrager nicht benutzt, sondern stattdessen ist in einem Klimaanlagenteilkreislauf der zweite interne Wärmeübertrager angeordnet und betreibbar.
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Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass durch die beiden Einsatztemperaturgrenzen der Wärmepumpe beziehungsweise der Klimaanlage eine optimale Fluid- beziehungsweise Kühlmittelmenge schwer festzulegen ist. Mit mehr Fluid beziehungsweise Kältemittel kann die Wärmepumpe mehr Leistung erbringen und bei tieferen Temperaturen eingesetzt werden. Mit weniger Kältemittel kann jedoch im Klimaanlagenbetrieb die Klimaanlage beziehungsweise die Klimatisierungseinrichtung bei heißeren Temperaturen betrieben werden. Das heißt, die Kältemittelfüllmenge ist bisher im Stand der Technik ein Kompromiss zwischen Leistungsfähigkeit der Wärmepumpe und Abschalttemperatur der Klimaanlage.
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Durch den erfindungsgemäßen zweiten internen Wärmeübertrager (IHX) haben sowohl der Klimaanlagen- und der Wärmepumpenteilkreislauf jeweils einen separaten IHX.
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Untersuchungen zeigen, dass Klimatisierungseinrichtungen, welche sowohl als Wärmepumpe als auch als Klimaanlage betrieben werden, in der Regel im Sommer mit zirka 20 Prozent weniger Kältemittel betrieben werden sollten als im Winter.
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Durch die beiden internen Wärmeübertrager kann die Kältemittelfüllmenge auf den Wärmepumpenbedarf beziehungsweise den Klimaanlagenbedarf abgestimmt werden, da beispielsweise der klimaseitige IHX, also der dem Klimaanlagenteilkreislauf zugeordnete Wärmeübertrager, in Relation zu dem anderen Wärmeübertrager eine Größe hat, welche beispielsweise durch ein Zusatzvolumen zusätzlich Kältemittel aufnehmen kann, sodass dieses komprimiert beziehungsweise kompensiert werden kann. So sind durch die erfindungsgemäße Klimatisierungseinrichtung beide Betriebsmodi, also der Wärmepumpenbetriebsmodus als auch der Klimaanlagenbetriebsmodus, mit einer identischen, sich in dem Kühlkreislauf befindenden Fluid beziehungsweise Kältemittelmenge möglich, wobei beide Betriebsmodi besonders vorteilhaft durchführbar sind.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Klimatisierungseinrichtung ist somit, dass eine Kältemittelmenge beziehungsweise Fluidmenge besonders vorteilhaft für den jeweiligen Betriebsmodus abgestimmt werden kann. Dadurch kann eine Leistungssteigerung der Wärmepumpe ohne Reduzierung der Abschalttemperatur im Klimaanlagenbetrieb erreichbar sein. Zusätzlich ist im Wärmepumpenbetrieb der Einsatz bei tieferen Temperaturen möglich, wodurch beispielsweise an kalten Wintertagen das Kraftfahrzeug besonders vorteilhaft heizbar beziehungsweise erwärmbar ist.
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In vorteilhafter Ausgestaltung weist der erste Wärmeübertrager und/oder der zweite Wärmeübertrager jeweils eine Innenkammer und eine Außenkammer auf. Dadurch kann beispielsweise heißes Kältemittel, welches von einenends des Wärmeübertragers durch z. B. die innere Kammer strömt, von einem kühlenden, insbesondere verdampften, Kältemittel, welches von anderenends in entgegengesetzter Richtung durch z. B. die äußere Kammer des Wärmeübertrager strömt, kühlbar sein. Dadurch ist ein besonders effektiver Einsatz des Wärmeübertragers möglich.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind ein Fluss des Fluids durch den ersten Wärmeübertrager mittels eines ersten Ventils und ein Fluss des Fluids durch den zweiten Wärmeübertrager mittels eines zweiten Ventils steuerbar oder regelbar. Das heißt, insbesondere beim Wechsel der Betriebsmodi kann durch Schalten des ersten Ventils und/oder des zweiten Ventils zwischen dem Wärmepumpenkreislauf und dem Klimaanlagenteilkreislauf hin- und hergeschaltet werden, sodass die jeweiligen Betriebsmodi besonders vorteilhaft einnehmbar sind.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung sind das erste Ventil und/oder das zweite Ventil jeweils als Magnetventil ausgebildet. Magnetventile können insbesondere die Ausfallsicherheit verbessern. Vorteilhafterweise sind die als insbesondere Magnetventile ausgebildeten Ventile jeweils auf einer Saugseite des jeweiligen internen Wärmeübertrager beziehungsweise IHX angeordnet.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist der zweite Wärmeübertrager ein größeres von dem Fluid einnehmbares Volumen als der erste Wärmeübertrager auf. Dadurch kann in besonders vorteilhafter Weise Kältemittel beziehungsweise Fluid komprimiert beziehungsweise kompensiert werden, sodass in dem fluidführenden Kreislauf in einem Klimaanlagenbetrieb insgesamt das Druckniveau gesenkt und damit die obere Abschalttemperaturgrenze weiter zu höheren Temperaturen hin verschoben wird.
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Weiterhin wird hier, beispielsweise im Vergleich zu zusätzlich vorgesehenen Kältemittelsammelvolumenbehältern, welche ein festes oder ein veränderbaren Volumen aufweisen, keine Fluidteilmenge in einen abgeschlossenen Anlagenbereich eingeschlossen. Damit sind keine zusätzliche Schutz- und Überwachungseinrichtungen notwendig.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Ansicht einer Klimatisierungseinrichtung nach dem Stand der Technik; und
- 2 eine schematische Klimatisierungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem ersten internen Wärmeübertrager und einem zweiten internen Wärmeübertrager.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Klimatisierungseinrichtung 10 für ein Kraftfahrzeug, wie sie bereits Verwendung findet. Die Klimatisierungseinrichtung 10 ist sowohl als Wärmepumpe als auch als Klimaanlage betreibbar und weist einen fluidführenden Fluidkreislauf 12 auf, in welchen wenigstens ein innerer Wärmetauscher 14 und wenigstens ein äußerer Wärmetauscher 16 integriert ist beziehungsweise sind. Des Weiteren ist ein interner Wärmeübertrager 18 in den Fluidkreislauf 12 integriert. Ferner sind Lüfter, welche insbesondere als Axiallüfter 20 ausgebildet sind, vorgesehen, welche den äußeren Wärmetauscher und beispielsweise den inneren Wärmeübertrager 18 mit Luft versorgen beziehungsweise Luft von diesen abtransportieren können, sodass aufgrund der durch den beziehungsweise die Axiallüfter 20 verursachten Luftzirkulation ein möglichst effizienter Wärmeaustausch an den Wärmetauschern 14 beziehungsweise Wärmetauschern 16 stattfindet. Ferner sind mehrere Ventile 22 vorgesehen, mittels welchen die Klimatisierungseinrichtung 10 geregelt beziehungsweise gesteuert werden kann. Darüber hinaus ist, um insbesondere eine Wärmeübertragung zwischen einem der inneren Wärmetauscher 14 und einem der äußeren Wärmetauscher 16 vornehmen zu können, ein Kompressor 24, welcher auch als Verdichter bezeichnet werden kann, vorgesehen, mittels welchem das Fluid, also das Kältemittel, welches insbesondere CO2 ist, verdichtet werden kann.
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Im Gegensatz zu der in 1 gezeigten Klimatisierungseinrichtung 10 ist die in 2 gezeigte Klimatisierungseinrichtung 10 besonders vorteilhaft zu betreiben beziehungsweise betreibbar.
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Um nun die in 2 gezeigte Klimatisierungseinrichtung 10 besonders vorteilhaft zu betreiben, sodass eine Leistungssteigerung im Wärmepumpenbetriebsmodus ohne eine Reduzierung der Abschalttemperatur im Klimaanlagenbetriebsmodus möglich ist, ist in dem Ausführungsbeispiel der 2 ein zweiter interner Wärmeübertrager 26 vorgesehen, wobei jeweils einer der beiden Wärmeübertrager 18 beziehungsweise 26 in einem zugeordneten Wärmepumpenteilkreislauf 28 beziehungsweise einem zugeordneten Klimaanlagenteilkreislauf 30 angeordnet.
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Vorteilhafterweise weist der erste Wärmeübertrager 18 und/oder der zweite Wärmeübertrager 26 jeweils eine Innenkammer 32 sowie eine Außenkammer 34 auf. Dadurch kann besonders vorteilhaft kaltes Kältemittel in eine Richtung an einem im Vergleich warmen Kältemittel, welches in die entgegengesetzte Richtung fließt, vorbeifließen, wodurch insbesondere die Effizienz der Klimatisierungseinrichtung 10 steigerbar ist. Ferner wird vorteilhafterweise ein Fluss des Fluids beziehungsweise Kältemittels durch den ersten Wärmeübertrager 18 mittels eines ersten Ventils 36 und ein Fluss des Fluids beziehungsweise Kältemittels durch den zweiten Wärmeübertrager 26 mittels eines zweiten Ventils 38 gesteuert beziehungsweise geregelt. Dabei sind vorteilhafterweise das erste Ventil 36 und/oder das zweite Ventil 38 jeweils als Magnetventil ausgebildet. Ferner ist der zweite Wärmeübertrager 26 derart ausgebildet, dass ein größeres von dem Fluid beziehungsweise Kältemittel einnehmbares Volumen, welches insbesondere beispielsweise aus den Kammern 32 und 34 gebildet ist, einnehmbar ist als das Volumen des ersten Wärmeübertragers 18. Dadurch kann Kältemittel insbesondere im Klimaanlagenbetrieb besonders vorteilhaft kompensiert beziehungsweise reduziert werden, da das Druckniveau gesenkt werden kann. Im Klimabetrieb sind nun zusätzlich zu dem Ventil 38 ein Ventil 40 und ein Ventil 42 aktiv. Für den Wärmepumpenbetrieb sind das Ventil 36 sowie das Ventil 44 und Ventil 46 im Betrieb beziehungsweise aktiv. Das Volumen, insbesondere druckseitig in dem IHX, also dem zweiten internen Wärmeübertrager 26 des Klimaanlagenteilkreislaufs 30, ist also größer als das insbesondere druckseitige Volumen des ersten internen Wärmeübertragers 18 des Wärmepumpenteilkreislaufs 28.
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Ferner kann ein Chiller 48 vorgesehen sein, welcher über ein Ventil 50 an den Fluidkreislauf 12 ankoppelbar ist. Der Chiller 48 arbeitet dann in einem Klimaanlagenbetriebsmodus, da er insbesondere dann aktiviert wird, wenn Kaltwasser in dem Kraftfahrzeug benötigt wird. Bei einem Umschaltvorgang, insbesondere zwischen dem Betriebsmodus Wärmepumpe und dem Betriebsmodus Klimaanlage, können kurzzeitig alle Ventile parallel geöffnet werden.
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Um die Klimatisierungseinrichtung 10 besonders vorteilhaft betreiben zu können, sind ferner Doppelradialgebläse 52 vorgesehen, welche eine Luftzirkulation an den insbesondere in dem Fahrzeuginnenraum des Kraftfahrzeugs angeordneten inneren Wärmetauschern 14 erzeugen können. Darüber hinaus können zum Heizen des Fahrzeuginnenraums an den inneren Wärmetauschern 14 beispielsweise Warmwasserheizkörper 54 angeordnet sein. Um Wassereintrag ins Fahrzeuginnere zu vermeiden, kann sich in der Nähe des Wärmetauschers 14 zusätzlich ein Wasserabscheidelabyrinth 56 befinden. Darüber hinaus sind sowohl für die inneren Wärmetauscher 14 als auch für die äußeren Wärmetauscher 16 Luftansaugflächen 58 vorgesehen. Durch die in 2 gezeigte Klimatisierungseinrichtung 10 kann besonders vorteilhaft sowohl ein Klimaanlagenbetrieb als auch ein Wärmepumpenbetrieb realisiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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