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Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertrageranordnung für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs zum Konditionieren der Zuluft für einen Fahrgastraum mit einem Kältemittelkreislauf und einem Kühlmittelkreislauf. Der Kältemittelkreislauf ist mit einem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und der Kühlmittelkreislauf ist mit einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager ausgebildet.
Die Erfindung betrifft zudem ein Klimatisierungssystem für ein Kraftfahrzeug zum Konditionieren der Zuluft für einen Fahrgastraum und Verfahren zum Betreiben des Klimatisierungssystems.
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Herkömmliche Klimatisierungssysteme von Kraftfahrzeugen weisen ein Klimagerät zum Konditionieren, Fördern und Leiten der Luft, insbesondere der Zuluft für einen Fahrgastraum, einen Kältemittelkreislauf sowie einen Kühlmittelkreislauf und eine Steuereinheit auf. Im Kältemittelkreislauf zirkuliert ein Kältemittel als ein erstes Wärmeträgerfluid, während im Kühlmittelkreislauf ein Kühlmittel als ein zweites Wärmeträgerfluid umgewälzt wird. Das Klimagerät weist ein Gebläse zum Ansaugen der Luft in ein Gehäuse und zum Fördern der Luft durch das Gehäuse auf.
Ein Klimagerät eines Kraftfahrzeugs ist ausgebildet, um die angesaugte Luft zu reinigen oder zu filtern, mögliche Gerüche aus der Luft zu entfernen, die Luft zu konditionieren, das heißt je nach Bedarf abzukühlen und/oder zu entfeuchten beziehungsweise zu erwärmen und anschließend dem Fahrgastraum als Zuluft zuzuführen. Das Klimagerät dient folglich der Belüftung des Fahrgastraums. Mit der konditionierten Zuluft kann zum einen eine Temperatur der Luft im Fahrgastraum eingestellt und zum anderen die Luft im Fahrgastraum verteilt werden.
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Aus dem Stand der Technik bekannte Klimageräte weisen das Gehäuse mit einem Einlass für Umluft aus dem Fahrgastraum und einem Einlass für Frischluft aus der Umgebung auf. Die Einlässe werden mittels einer Luftleiteinrichtung je nach Bedarf geöffnet oder geschlossen. Ein von dem Gebläse durch mindestens einen der Einlässe angesaugter Luftmassenstrom wird zunächst durch einen als Verdampfer des Kältemittelkreislaufs betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager geleitet. Je nach Bedarf und Stellung einer weiteren, auch als Temperaturklappe bezeichneten Luftleiteinrichtung kann die beim Durchströmen des Verdampfers abgekühlte und/oder entfeuchtete Luft einerseits in einen ersten Strömungspfad und dabei durch einen als Heizwärmeübertrager des Kühlmittelkreislaufs betriebenen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager strömen sowie erwärmt werden. Der Heizwärmeübertrager nutzt dabei hauptsächlich die Abwärme des Verbrennungsmotors als Wärmequelle für die Zuluft. Andererseits kann die beim Durchströmen des Verdampfers abgekühlte und/oder entfeuchtete Luft in einen zweiten Strömungspfad, welcher als Bypass zum ersten Strömungspfad ausgebildet ist, eingeleitet und damit am Heizwärmeübertrager des Kühlmittelkreislaufs vorbei geleitet werden. Die Strömungsquerschnitte der Strömungspfade können stufenlos zwischen 0 % und 100 % verschlossen oder geöffnet werden. Die durch die Strömungspfade geleiteten Massenströme der Zuluft werden anschließend je nach Betriebsmodus vermischt oder unvermischt in den Fahrgastraum geführt.
Beim Durchströmen des Verdampfers wird die Luft auf ein gewünschtes Temperaturniveau abgekühlt. Die Austrittstemperatur der Luft aus dem Verdampfer liegt typischerweise im Bereich von 2°C bis 10°C. Während eines sogenannten Nachheizmodus als Betriebsmodus des Klimatisierungssystems, auch als „Reheat“ bezeichnet, wird die dem Fahrgastraum zuzuführende Zuluft beim Durchströmen des Verdampfers abgekühlt und dabei entfeuchtet, anschließend wird die entfeuchtete Luft geringfügig aufgeheizt. Im Nachheizmodus ist die erforderliche Nachheizleistung meist geringer als die erforderliche Kälteleistung zum Abkühlen und Entfeuchten der Luft.
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Mit der Steuerung des Klimatisierungssystems, speziell auch des Klimageräts mit der Temperaturklappe, wird sichergestellt, dass die Temperatur der Zuluft für den Fahrgastraum auf jeden beliebigen Wert zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert im System eingestellt werden kann. Mit dem Aufteilen des Luftmassenstroms durch den ersten Strömungspfad mit dem Heizwärmeübertrager und den zweiten Strömungspfad als Bypass um den Heizwärmeübertrager wird die Temperatur der Zuluft auf das gewünschte Niveau eingestellt. Der erste Strömungspfad wird auch als Warmluftpfad bezeichnet, während der zweite Strömungspfad als Kaltluftpfad bekannt ist.
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Bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, wie Elektrofahrzeugen, kurz als EV bezeichnet, und Hybridfahrzeugen, kurz als HEV bezeichnet, wird insbesondere vom Antriebsmotor einerseits eine unzureichende Abwärme zum Beheizen des Fahrgastraums erreicht, sodass das Klimatisierungssystem eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs einen sehr großen Einfluss auf die Effizienz des Betriebs des Kraftfahrzeugs und dessen Energieverbrauch ausübt. Um den Energieverbrauch und die Effizienz des Betriebes des Kraftfahrzeugs zu erhöhen, werden Klimatisierungssysteme mit Wärmepumpenfunktion eingesetzt, welche verschiedene Wärmequellen nutzen können.
Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge weisen andererseits aufgrund der Ausbildung mit zusätzlichen Komponenten, wie einer Hochvoltbatterie, einem internen Ladegerät, einem Transformer, einem Inverter sowie dem Elektromotor, meist einen höheren Kältebedarf als Kraftfahrzeuge mit einem reinen verbrennungsmotorischen Antrieb beziehungsweise einen zusätzlichen Kühlbedarf auf. Auch um insbesondere die erlaubten Temperaturgrenzen der Hochvoltbatterie, welche üblicherweise im Bereich von 0°C bis 35°C, insbesondere zwischen 20°C und 35°C, liegen, einzuhalten, werden bevorzugt Systeme mit Wärmepumpenfunktion eingesetzt, welche zum Umsetzen aktiver Kühlkonzepte und Heizkonzepte dienen. Die zusätzlichen Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs sind beispielsweise als Wärmequellen nutzbar.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, für ein aktives Kühlen der Batterie einen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, welcher auch als Chiller bezeichnet wird und den Kältemittelkreislauf mit einem Kühlmittelkreislauf zum Temperieren der Batterie oder anderer Komponenten des Antriebsstrangs thermisch verbindet, zu verwenden. Der Kältemittelkreislauf dient insbesondere zur Aufnahme der Abwärme der Batterie bei Temperaturen, welche deutlich unterhalb der Temperatur der Umgebungsluft liegen. Der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager wird herkömmlich parallel zum ebenfalls als Verdampfer des Kältemittels betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Konditionieren der Zuluft für den Fahrgastraum mit Kältemittel beaufschlagt, sodass das Kältemittel am Auslass der Verdampfer ein gleiches Niederdruckniveau aufweist.
Der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ist kühlmittelseits innerhalb eines Niedertemperatur-Kühlmittelkreislaufs integriert, welcher den Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager über eine Fördervorrichtung, insbesondere eine Kühlmittelpumpe, mit einem Batterie-Wärmeübertrager verbindet. Für ein aktives Erwärmen der Batterie mittels des Batterie-Wärmeübertragers und damit des Kühlmittels kann der Kühlmittelkreislauf mit einer elektrischen Widerstandsheizung, kurz als PTC-Widerstand für englisch „Positive Temperature Coefficient - Thermistor“ beziehungsweise HV-PTC für Hochvolt-PTC bezeichnet, ausgebildet sein.
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In der
DE 10 2017 114 136 A1 wird ein Kraftfahrzeug mit einem thermischen System, aufweisend einen Kältemittelkreislauf und einen Kühlmittelkreislauf, beschrieben. Der Kältemittelkreislauf und der Kühlmittelkreislauf sind über einen Wärmeübertrager thermisch miteinander verbunden. Der Kältemittelkreislauf dient dem Temperieren der Zuluft für einen Fahrgastraum und zur Aufnahme von Wärme aus dem Kühlmittelkreislauf, welcher insbesondere dem Kühlen von Komponenten des elektrischen Antriebsstrangs, wie einer Batterie, des Kraftfahrzeugs dient.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung zur Wärmeübertragung beziehungsweise einer Wärmeübertrageranordnung für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs, welche die Vorteile eines Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers und eines Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers verbindet. Dabei sollen die Herstellungs-, Wartungs- und Betriebskosten sowie der erforderliche Bauraum der Anordnung minimal sein. Des Weiteren sollen ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs und Verfahren zum Betreiben des Klimatisierungssystems vorgeschlagen werden, wobei das Klimatisierungssystem und damit das Kraftfahrzeug mit maximaler Effizienz betreibbar sind.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände und Verfahren mit den Merkmalen des selbstständigen Patentanspruchs gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Wärmeübertrageranordnung für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs zum Konditionieren der Zuluft für einen Fahrgastraum mit einem Kältemittelkreislauf und einem Kühlmittelkreislauf gelöst. Der Kältemittelkreislauf ist mit einem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und der Kühlmittelkreislauf ist mit einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager ausgebildet.
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Nach der Konzeption der Erfindung weist die Wärmeübertrageranordnung mindestens eine erste mit einem Kältemittel des Kältemittelkreislaufs beaufschlagbare Wärmeübertragerreihe des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers, eine zweite mit einem Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs beaufschlagbare Wärmeübertragerreihe des Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers und eine dritte mit dem Kältemittel des Kältemittelkreislaufs beaufschlagbare Wärmeübertragerreihe des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers auf.
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Die Wärmeübertragerreihen sind vorteilhaft nacheinander mit Luft beaufschlagbar angeordnet. Dabei sind die Wärmeübertragerreihen vorzugsweise in der Reihenfolge erste Wärmeübertragerreihe, zweite Wärmeübertragerreihe und dritte Wärmeübertragerreihe nacheinander mit Luft beaufschlagbar, sodass die erste und die dritte Wärmeübertragerreihe jeweils als eine äußere Wärmeübertragerreihe der Wärmeübertrageranordnung und die zweite Wärmeübertragerrreihe als eine zwischen den äußeren Wärmeübertragerreihen angeordnete mittlere Wärmeübertragerreihe ausgebildet sind. Die Wärmeübertrageranordnung wird in der Reihenfolge erste, äußere Wärmeübertragerreihe, zweite, mittlere Wärmeübertragerreihe und dritte, äußere Wärmeübertragerreihe von Luft durchströmt.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die erste Wärmeübertragerreihe und die dritte Wärmeübertragerreihe nacheinander mit Kältemittel beaufschlagbar angeordnet. Dabei sind die Wärmeübertragerreihen bevorzugt in der Reihenfolge dritte Wärmeübertragerreihe und erste Wärmeübertragerreihe nacheinander mit Kältemittel beaufschlagbar. Die Wärmeübertrageranordnung wird folglich vorzugsweise in der Reihenfolge dritte Wärmeübertragerreihe und erste Wärmeübertragerreihe vom Kältemittel durchströmt.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass jede Wärmeübertragerreihe mit einem Einlass und einem Auslass ausgebildet ist. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind ein Auslass der dritten Wärmeübertragerreihe und ein Einlass der ersten Wärmeübertragerreihe zum Durchleiten von Kältemittel über eine Verbindungsleitung miteinander verbunden.
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Ein Auslass der dritten Wärmeübertragerreihe und ein Einlass der ersten Wärmeübertragerreihe sind vorzugsweise an einer gemeinsamen ersten Seitenfläche der Wärmeübertrageranordnung ausgebildet. Zudem sind vorteilhaft ein Einlass der dritten Wärmeübertragerreihe und ein Auslass der ersten Wärmeübertragerreihe an einer gemeinsamen zweiten Seitenfläche der Wärmeübertrageranordnung vorgesehen.
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Ein Einlass und ein Auslass der zweiten Wärmeübertragerreihe zum Durchleiten von Kühlmittel sind bevorzugt an einer gemeinsamen Seitenfläche der Wärmeübertrageranordnung ausgebildet.
Dabei können der Einlass der ersten Wärmeübertragerreihe, der Einlass und der Auslass der zweiten Wärmeübertragerreihe sowie der Auslass der dritten Wärmeübertragerreihe an der gemeinsamen ersten Seitenfläche der Wärmeübertrageranordnung vorgesehen sein.
Die erste Seitenfläche und die zweite Seitenfläche sind sich vorteilhaft gegenüberliegend und damit voneinander wegweisend an der Wärmeübertrageranordnung angeordnet.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Wärmeübertragerreihen jeweils aus Strömungspfaden ausgebildet, welche sich zwischen zwei parallel zueinander angeordneten Sammlerrohren erstrecken. Dabei sind die Strömungspfade vorzugsweise aus Rohren, insbesondere aus Flachrohren, ausgebildet, welche parallel zueinander angeordnet sind.
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Die Sammlerrohre der ersten Wärmeübertragerreihe sowie der dritten Wärmeübertragerreihe sind bevorzugt in einer horizontalen Richtung angeordnet, während die Strömungspfade der ersten Wärmeübertragerreihe sowie der dritten Wärmeübertragerreihe in einer vertikalen Richtung angeordnet sind.
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Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind die Sammlerrohre der zweiten Wärmeübertragerreihe in einer vertikalen Richtung und die Strömungspfade der zweiten Wärmeübertragerreihe in einer horizontalen Richtung ausgerichtet.
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Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind die Sammlerrohre der Wärmeübertragerreihen in einer gemeinsamen ersten Richtung und die Rohre der Strömungspfade in einer gemeinsamen zweiten Richtung angeordnet, wobei zwischen benachbart angeordneten Rohren der Strömungspfade die Wärmeübertragerreihen übergreifend Rippen ausgebildet sind.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Wärmeübertragerreihen über Verbindungselemente mechanisch miteinander verbunden und zueinander fixiert.
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Die Aufgabe wird auch durch ein erfindungsgemäßes Klimatisierungssystem für ein Kraftfahrzeug zum Konditionieren der Zuluft für einen Fahrgastraum gelöst. Das Klimatisierungssystem weist einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter, einem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager, einem als erster Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager mit einem in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgelagerten ersten Expansionsorgan sowie einem als zweiter Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager mit einem in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgelagerten zweiten Expansionsorgan, sowie einen Kühlmittelkreislauf mit dem als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager auf.
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Wenn die Verflüssigung des Kältemittels bei unterkritischem Betrieb erfolgt, wie zum Beispiel mit dem Kältemittel R134a oder bei bestimmten Umgebungsbedingungen mit Kohlendioxid, werden die Wärmeübertrager als Kondensator bezeichnet. Ein Teil der Wärmeübertragung findet bei konstanter Temperatur statt. Bei überkritischem Betrieb beziehungsweise bei überkritischer Wärmeabgabe im Wärmeübertrager nimmt die Temperatur des Kältemittels stetig ab. In diesem Fall wird der Wärmeübertrager auch als Gaskühler bezeichnet. Überkritischer Betrieb kann unter bestimmten Umgebungsbedingungen oder Betriebsweisen des Kältemittelkreislaufs zum Beispiel mit dem Kältemittel Kohlendioxid auftreten.
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Nach der Konzeption der Erfindung weist der Kühlmittelkreislauf einen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme zwischen dem Kühlmittel und der Zuluft für den Fahrgastraum auf, wobei das Klimatisierungssystem mit einer erfindungsgemäßen Wärmeübertrageranordnung ausgebildet ist. Der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager ist sowohl zum Übertragen von Wärme vom Kühlmittel an die Zuluft für den Fahrgastraum als auch zum Übertragen von Wärme von der Zuluft an das Kühlmittel konfiguriert und angeordnet.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager mit dem ersten Expansionsorgan innerhalb eines ersten Strömungspfades und der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager mit dem zweiten Expansionsorgan innerhalb eines zweiten Strömungspfades des Kältemittelkreislaufs angeordnet. Die Strömungspfade sind sich jeweils von einer Abzweigstelle bis zu einer Mündungsstelle des Kältemittelkreislaufs erstreckend, parallel zueinander angeordnet und je nach Bedarf einzeln oder parallel zueinander mit Kältemittel beaufschlagbar ausgebildet.
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Zudem kann der Kältemittelkreislauf mit einem inneren Wärmeübertrager ausgebildet sein. Unter dem inneren Wärmeübertrager ist dabei ein kreislaufinterner Wärmeübertrager zu verstehen, welcher der Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel bei Hochdruck und dem Kältemittel bei Niederdruck dient. Dabei wird beispielsweise einerseits das flüssige Kältemittel nach der Kondensation oder Verflüssigung weiter abgekühlt und andererseits das Sauggas vor dem Verdichter überhitzt.
Des Weiteren kann der Kältemittelkreislauf mit einem niederdruckseitig angeordneten Kältemittelsammler, auch als Akkumulator bezeichnet, ausgebildet sein.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Klimatisierungssystem ein Klimagerät mit einem Gebläse zum Fördern der Zuluft für den Fahrgastraum durch ein Gehäuse auf. Dabei ist die Wärmeübertrageranordnung innerhalb des Gehäuses vorzugsweise den gesamten Strömungsquerschnitt des Gehäuses einnehmend angeordnet.
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Das Gehäuse weist bevorzugt einen ersten Strömungspfad und einen zweiten Strömungspfad auf, welche parallel zueinander angeordnet und je nach Bedarf einzeln oder parallel zueinander mit der Zuluft beaufschlagbar ausgebildet sind. Innerhalb des ersten Strömungspfades ist ein Heizwärmeübertrager angeordnet. Der zweite Strömungspfad ist dabei als ein Bypass zum ersten Strömungspfad ausgebildet.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein Batterie-Wärmeübertrager innerhalb eines ersten Strömungspfades und der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager innerhalb eines zweiten Strömungspfades des Kühlmittelkreislaufs angeordnet sind. Die Strömungspfade sind sich jeweils von einer Abzweigstelle bis zu einer Mündungsstelle erstreckend, parallel zueinander angeordnet und je nach Bedarf einzeln oder parallel zueinander mit Kühlmittel beaufschlagbar ausgebildet.
Damit ist das Klimatisierungssystem des Kraftfahrzeugs mit einem thermischen System, insbesondere einem Thermomanagementsystem für Antriebskomponenten des Kraftfahrzeugs, speziell der Batterie, gekoppelt, um die Temperatur der Batterie innerhalb eines zulässigen Bereiches einzustellen.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind innerhalb des Kühlmittelkreislaufs ein Zusatzheizwärmeübertrager zum Übertragen von Wärme an das Kühlmittel und der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager nacheinander mit Kühlmittel beaufschlagbar in Strömungsrichtung des Kühlmittels zwischen der Mündungsstelle und der Abzweigstelle angeordnet.
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Die Aufgabe wird auch durch erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines konzeptionsgemäßen Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs für einen Betrieb in einem Kälteanlagenmodus, in einem Wärmepumpenmodus und in einem Heizmodus oder einem Nachheizmodus für die zu konditionierende Zuluft eines Fahrgastraums gelöst.
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Nach einer Konzeption der Erfindung werden beim Betrieb des Klimatisierungssystems in einem Kälteanlagenmodus für die Zuluft des Fahrgastraums ein erster Strömungspfad eines Kältemittelkreislaufs mit einem als erster Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zur Aufnahme von Wärme aus der Zuluft und ein zweiter Strömungspfad des Kältemittelkreislaufs mit einem als zweiter Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager zur Aufnahme von Wärme aus einem Kühlmittel mit Kältemittel beaufschlagt. Dabei wird das von einer Fördervorrichtung durch einen Kühlmittelkreislauf geförderte Kühlmittel zumindest als ein Teilmassenstrom zwischen dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager derart umgewälzt, dass im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager vom Kühlmittel aus der Zuluft aufgenommene Wärme im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager an das Kältemittel übertragen wird.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird die Zuluft zum Übertragen von Wärme an das Kältemittel und an das Kühlmittel durch eine Wärmeübertrageranordnung geleitet, welche eine als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildete Komponente und mindestens eine als Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager ausgebildete Komponente aufweist.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Kühlmittel bei einem Betrieb in einem aktiven Kühlmodus einer Batterie als Komponente eines Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs zumindest als ein Teilmassenstrom zwischen dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager und einem Batterie-Wärmeübertrager derart umgewälzt, dass die im Batterie-Wärmeübertrager vom Kühlmittel aus der Batterie aufgenommene Wärme im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager an das Kältemittel übertragen wird.
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Nach einer weiteren Konzeption der Erfindung wird beim Betrieb des Klimatisierungssystems in einem Heizmodus für die Zuluft des Fahrgastraums von einer Fördervorrichtung durch einen Kühlmittelkreislauf gefördertes Kühlmittel zumindest als ein Teilmassenstrom zwischen einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager und einem Zusatzheizwärmeübertrager derart umgewälzt, dass die im Zusatzheizwärmeübertrager vom Kühlmittel aufgenommene Wärme im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager an die Zuluft übertragen wird.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das Kühlmittel bei einem Betrieb in einem Heizmodus einer Batterie als Komponente eines Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs zumindest als ein Teilmassenstrom zwischen dem Zusatzheizwärmeübertrager und einem Batterie-Wärmeübertrager derart umgewälzt, dass die im Zusatzheizwärmeübertrager vom Kühlmittel aufgenommene Wärme im Batterie-Wärmeübertrager an die Batterie übertragen wird.
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Die erfindungsgemäße Wärmeübertrageranordnung beziehungsweise das erfindungsgemäße Klimatisierungssystem mit der Wärmeübertrageranordnung weisen zusammenfassend diverse Vorteile auf. Die Wärmeübertrageranordnung ersetzt als ein Kombinationswärmeübertrager den Kältemittel-Luft-Verdampfer und ist mit einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager kombiniert innerhalb des Klimageräts angeordnet, wobei die Vorteile eines Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers und eines Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers in einer Komponente vereint sind. Dabei ist die Wärmeübertrageranordnung sowohl zum Kühlen als auch zum Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum betreibbar, was einen minimalen Bauraum bei maximaler Effizienz beim Betrieb des Klimatisierungssystems zur Folge hat. Der effiziente Betrieb des Klimatisierungssystems führt zu einem geringeren Energieverbrauch und damit zu einer höheren Reichweite des Kraftfahrzeugs. Zudem verursachen die Wärmeübertrageranordnung und das Klimatisierungssystem geringe Kosten bei der Herstellung und Wartung sowie während des Betriebs.
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Das Klimatisierungssystem, insbesondere der Kältemittelkreislauf, ist unabhängig vom verwendeten Kältemittel und damit auch für R134a, R744, R1234yf oder andere Kältemittel ausgelegt.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
- 1: einen Kältemittelkreislauf zum Abkühlen und/oder Entfeuchten der Zuluft für einen Fahrgastraum eines Klimatisierungssystems mit einem Kühlmittelkreislauf zum Temperieren von Antriebskomponenten, insbesondere einer Batterie, sowie zur Abgabe von Wärme an den Kältemittelkreislauf aus dem Stand der Technik,
- 2: einen Kältemittelkreislauf zum Abkühlen und/oder Entfeuchten der Zuluft für einen Fahrgastraum eines erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems mit einem Kühlmittelkreislauf zum Temperieren von Antriebskomponenten, insbesondere einer Batterie, sowie zur Abgabe von Wärme an den Kältemittelkreislauf und zum Übertragen von Wärme mit der Zuluft für den Fahrgastraum,
- 3: eine Anordnung eines als Verdampfer des Kältemittels betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers und eines Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers zum Übertragen von Wärme zwischen dem Kühlmittel und der Zuluft für den Fahrgastraum innerhalb eines Klimageräts,
- 4a: eine erfindungsgemäße Wärmeübertrageranordnung als Kombinationswärmeübertrager eines als Verdampfer des Kältemittels betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers und eines Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers in einer perspektivischen Ansicht sowie
- 4b: die Wärmeübertrageranordnung in einer Seitenansicht,
- 5: das Klimatisierungssystem aus 2 bei einem Betrieb in einem Kälteanlagenmodus der Zuluft für den Fahrgastraum und einem Kühlmodus der Batterie sowie
- 6: das Klimatisierungssystem aus 2 bei einem Betrieb in einem Heizmodus der Zuluft für den Fahrgastraum und einem Heizmodus der Batterie.
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1 zeigt einen Kältemittelkreislauf 2' zum Abkühlen und/oder Entfeuchten der Zuluft für einen Fahrgastraum eines Klimatisierungssystems 1' mit einem Kühlmittelkreislauf 3` zum Temperieren von Antriebskomponenten, insbesondere einer Batterie, sowie zur Abgabe von Wärme an den Kältemittelkreislauf 2' aus dem Stand der Technik.
Der Kältemittelkreislauf 2' ist mit einem Verdichter 4, einem als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager 5, einem als erster Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 sowie einem als zweiter Verdampfer betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 12 und den Verdampfern 6, 12 zugeordneten Expansionsorganen 7, 13 ausgebildet. Die Verdampfer 6, 12 sind parallel zueinander mit Kältemittel beaufschlagbar angeordnet.
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Der erste Verdampfer 6 ist mit dem vorgelagerten Expansionsorgan 7 innerhalb eines ersten Strömungspfades 8 angeordnet, welcher sich von einer Abzweigstelle 9 bis zu einer Mündungsstelle 10 erstreckt. Der als Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager ausgebildete erste Verdampfer 6 ist zum Konditionieren, insbesondere zum Abkühlen und/oder Entfeuchten der Zuluft für den Fahrgastraum konfiguriert.
Der zweite Verdampfer 12 ist mit dem vorgelagerten Expansionsorgan 13 innerhalb eines zweiten Strömungspfades 11 angeordnet, welcher sich ebenfalls von der Abzweigstelle 9 bis zur Mündungsstelle 10 erstreckt und damit parallel zum ersten Strömungspfad 8 verläuft. Der als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs 2' ausgebildete zweite Verdampfer 12, welcher den Kältemittelkreislauf 2' thermisch mit dem Kühlmittelkreislauf 3' verbindet, ist zum Übertragen von Wärme vom Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs 3' an das Kältemittel des Kältemittelkreislaufs 2' konfiguriert.
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Die Expansionsorgane 7, 13 sind vorzugsweise als Expansionsventile ausgebildet, mit welchen der Massenstrom des Kältemittels in Teilmassenströme durch die Strömungspfade 8, 11 aufgeteilt werden kann. Dabei kann der Massenstrom durch die Verdampfer 6, 12 stufenlos zwischen 0 % und 100 % eingestellt werden. Die Teilmassenströme werden an der Mündungsstelle 10 zusammengeführt.
Der Verdichter 4 saugt das Kältemittel je nach Betriebsmodus des Klimatisierungssystems 1', insbesondere des Kältemittelkreislaufs 2', aus den Strömungspfaden 8, 11 an. Der Kältemittelkreislauf 2' ist geschlossen.
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Der Kühlmittelkreislauf 3' weist neben dem als Verdampfer für das Kältemittel betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 12 als thermische Verbindung zum Kältemittelkreislauf 2' eine Fördervorrichtung 30, speziell eine Kühlmittelpumpe, und einen Zusatzheizwärmeübertrager 31 zum Übertragen von Wärme an das Kühlmittel auf. Der Zusatzheizwärmeübertrager 31, der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 12 und die Fördervorrichtung 30 sind nacheinander vom Kühlmittel beaufschlagbar im Kühlmittelkreislauf 3' angeordnet. Mit dem Zusatzheizwärmeübertrager 31, vorzugsweise einem elektrischen Zusatzheizer, wie einer Widerstandsheizung, kann bei Bedarf an vom Kühlmittel abzugebender Wärme zusätzlich Wärme bereitgestellt werden.
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Der Kühlmittelkreislauf 3' ist zum Kühlen von Komponenten des Antriebsstrangs, insbesondere einer Batterie, mit einem Batterie-Wärmeübertrager 32 ausgebildet. Mit dem Batterie-Wärmeübertrager 32 kann die Wärme zwischen dem durch den Wärmeübertrager strömenden Kühlmittel direkt mit der Batterie, insbesondere einer Hochvoltbatterie, übertragen werden. Das im Kühlmittelkreislauf 3' zirkulierende Kühlmittel, insbesondere zum Konditionieren, speziell zum Abkühlen der Batterie als eine Komponente des Antriebsstrangs, wird beim Durchströmen des Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 12 aktiv abgekühlt.
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In 2 ist ein Kältemittelkreislauf 2 zum Abkühlen und/oder Entfeuchten der Zuluft für den Fahrgastraum eines erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems 1 mit einem Kühlmittelkreislauf 3 zum Temperieren von Antriebskomponenten, insbesondere der Batterie, speziell der Hochvoltbatterie, sowie zur Abgabe von Wärme an den Kältemittelkreislauf 2 und zum Übertragen von Wärme mit der Zuluft für den Fahrgastraum gezeigt.
Der Kältemittelkreislauf 2 ist ähnlich dem Kältemittelkreislauf 2' des Klimatisierungssystems 1' aus 1 ausgebildet. Der wesentliche Unterschied der Kältemittelkreisläufe 2, 2' liegt in der Ausbildung des als erster Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 6, welcher im Kältemittelkreislauf 2 nach 2 als ein kombinierter Wärmeübertrager beziehungsweise als ein Kombinationswärmeübertrager in einer Wärmeübertrageranordnung 40 ausgebildet ist. Dabei sind gleiche Komponenten der Kältemittelkreisläufe 2, 2' mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Im Vergleich zum Kühlmittelkreislauf 3' des Klimatisierungssystems 1' aus 1 ist auch der Kühlmittelkreislauf 3 des Klimatisierungssystems 1 aus 2 zum Kühlen von Komponenten des Antriebsstrangs, insbesondere der Batterie, mit dem Batterie-Wärmeübertrager 32 innerhalb eines ersten Strömungspfades 33 angeordnet ausgebildet. Der erste Strömungspfad 33 erstreckt sich von einer Abzweigstelle 34 bis zu einer Mündungsstelle 35.
Parallel zum ersten Strömungspfad 33 des Kühlmittelkreislaufs 3 ist ein zweiter Strömungspfad 36 vorgesehen, welcher sich ebenfalls von der Abzweigstelle 34 bis zur Mündungsstelle 35 erstreckt. Innerhalb des zweiten Strömungspfades 36 ist ein Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 37 zum Übertragen von Wärme zwischen der Zuluft für den Fahrgastraum und dem Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs 3 angeordnet. Die Abzweigstelle 34 ist vorzugsweise als als ein Drei-Wege-Ventil ausgebildet, mit welchem der Massenstrom des Kühlmittels in Teilmassenströme durch die Strömungspfade 33, 36 aufgeteilt werden kann. Dabei kann der Massenstrom des Kühlmittels stufenlos zwischen 0 % und 100 % eingestellt werden. Die Teilmassenströme werden an der Mündungsstelle 35 wieder zusammengeführt.
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Der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 37 des Kühlmittelkreislaufs 3 ist mit dem als erster Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 des Kältemittelkreislaufs 2 als kombinierter Wärmeübertrager beziehungsweise Kombinationswärmeübertrager in der Wärmeübertrageranordnung 40 ausgebildet.
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3 zeigt eine Anordnung des als erster Verdampfer des Kältemittels betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 6 zur Aufnahme von Wärme aus der Zuluft für den Fahrgastraum und des Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers 37 zum Übertragen von Wärme zwischen dem Kühlmittel und der Zuluft für den Fahrgastraum innerhalb eines Klimageräts 60. Der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 und der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 37 sind als Kombinationswärmeübertrager in der Wärmeübertrageranordnung 40 und damit als eine Einheit ausgebildet.
Das Klimagerät 60 weist ein Gehäuse 61 mit einem Einlass 63 für Umluft aus dem Fahrgastraum und einem Einlass 64 für Frischluft aus der Umgebung auf. Die Einlässe 63, 64 werden mittels einer Luftleiteinrichtung 65 je nach Bedarf geöffnet oder geschlossen, wobei die Strömungsquerschnitte der Einlässe 63, 64 stufenlos zwischen 0 % und 100 % versperrt oder freigegeben werden können.
Ein von einem Gebläse 62 durch mindestens einen der Einlässe 63, 64 angesaugter Luftmassenstrom wird zunächst durch die Wärmeübertrageranordnung 40 geleitet. Die Wärmeübertrageranordnung 40 ist aus zwei Wärmeübertragerreihen 40-6a, 40-6b des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 6 ausgebildet. Zwischen den Wärmeübertragerrreihen 40-6a, 40-6b des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 6 ist der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 37 als eine weitere Wärmeübertragerreihe 40-37 der Wärmeübertrageranordnung 40 angeordnet, sodass die zu konditionierende Zuluft in Strömungsrichtung 66 nacheinander die erste Wärmeübertragerreihe 40-6a des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 6, den Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 37 als zweite Wärmeübertragerreihe 40-37 sowie die dritte Wärmeübertragerreihe 40-6b des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 6 durchströmt. Die Wärmeübertragerreihen 40-6a, 40-37, 40-6b sind als Wärmeübertrageranordnung 40 jeweils den gesamten Strömungsquerschnitt des Gehäuses 61 einnehmend ausgebildet.
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Je nach Bedarf und Stellung einer Luftleiteinrichtung 67, insbesondere einer Temperaturklappe, kann die beim Durchströmen der Wärmeübertrageranordnung 40 zumindest vorkonditionierte Luft einerseits in einen ersten Strömungspfad und dabei durch einen Heizwärmeübertrager 68 strömen sowie erwärmt werden. Andererseits kann die beim Durchströmen der Wärmeübertrageranordnung 40 zumindest vorkonditionierte Luft in einen zweiten Strömungspfad, welcher als Bypass zum ersten Strömungspfad ausgebildet ist, eingeleitet und damit an dem Heizwärmeübertrager 68 vorbei geleitet werden.
Die Strömungsquerschnitte der Strömungspfade können stufenlos zwischen 0 % und 100 % verschlossen oder geöffnet werden. Die durch die Strömungspfade geleiteten Massenströme der Zuluft werden anschließend je nach Betriebsmodus vermischt oder unvermischt in Strömungsrichtung 66 in den Fahrgastraum geführt.
Der Heizwärmeübertrager 68 ist den gesamten Strömungsquerschnitt des ersten Strömungspfades des Gehäuses 61 einnehmend angeordnet und kann beispielsweise als ein Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager eines Kühlmittelkreislaufs, als eine elektrische Widerstandsheizung, insbesondere als eine elektrische Widerstands-Luftheizung, kurz als Luft-PTC bezeichnet, als ein Innenraum-Kondensator/Gaskühler eines Kältemittelkreislaufs oder eine beliebige andere Vorrichtung zum Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum ausgebildet sein.
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Je nach Betriebsmodus des Klimatisierungssystems 1 kann die Wärmeübertrageranordnung 40 mit dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 37 des Kühlmittelkreislaufs 3 als ein erweiterter kühlmittelbasierter Kühlwärmeübertrager, insbesondere auch in Verbindung mit dem als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6, zum Abkühlen oder als ein Heizwärmeübertrager zum Erwärmen der in den Fahrgastraum einströmenden Zuluft dienen. Die Wärmeübertrageranordnung 40 ist als Kombinationswärmeübertrager sowohl mit dem Kältemittelkreislauf 2 als auch mit dem Kühlmittelkreislauf 3, speziell dem Niedertemperaturkühlmittelkreislauf, verbunden.
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In den 4a und 4b ist eine erfindungsgemäße Wärmeübertrageranordnung 40 als ein Kombinationswärmeübertrager eines als Verdampfer des Kältemittels betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 6 und eines Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers 37 in einer perspektivischen Ansicht sowie einer Seitenansicht dargestellt.
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Die Wärmeübertrageranordnung 40 ist als ein dreireihiger Kreuzgegenstrom-Wärmeübertrager ausgebildet, bei welchem die in Luftströmungsrichtung 66 außen angeordneten erste Wärmeübertragerreihe 40-6a und dritte Wärmeübertragerreihe 40-6b mit Kältemittel beaufschlagt werden können, während die zwischen den äußeren Wärmeübertragerreihen 40-6a, 40-6b angeordnete mittlere, zweite Wärmeübertragerreihe 40-37 vom Kühlmittel durchströmbar ist. Die Angabe der Reihenfolge der Wärmeübertragerreihen 40-6a, 40-37, 40-6b bezieht sich auf die Strömungsrichtung 66 der Zuluft für den Fahrgastraum und das nacheinander Anströmen der Wärmeübertragerreihen 40-6a, 40-37, 40-6b mit der Zuluft.
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Das Kältemittel strömt durch einen an der dritten Wärmeübertragerreihe 40-6b ausgebildeten Einlass 41 in die Wärmeübertrageranordnung 40 ein, wird durch eine Verbindungsleitung 43 zur ersten Wärmeübertragerreihe 40-6a geleitet und strömt durch einen an der ersten Wärmeübertragerreihe 40-6a ausgebildeten Auslass 45 aus der Wärmeübertrageranordnung 40 aus. Mit der Verbindungsleitung 43 wird ein an der dritten Wärmeübertragerreihe 40-6b vorgesehener Auslass 42 für das Kältemittel mit einem ein an der ersten Wärmeübertragerreihe 40-6a vorgesehenen Einlass 44 für das Kältemittel gekoppelt. Damit wird das aus dem ersten Expansionsorgan 7 ausströmende und im Zwei-Phasengebiet vorliegende Kältemittel in die dritte Wärmeübertragerreihe 40-6b eingeleitet, von der dritten Wärmeübertragerreihe 40-6b zur ersten Wärmeübertragerreihe 40-6a übergeleitet und aus der ersten Wärmeübertragerreihe 40-6a abgeleitet sowie anschließend vom Verdichter 4 angesaugt.
Der Einlass 41 der dritten Wärmeübertragerreihe 40-6b und der Auslass 45 der ersten Wärmeübertragerreihe 40-6a des Kältemittels sind jeweils an einer ersten Stirnseite der Wärmeübertragerreihen 40-6a, 40-6b und damit an einer gemeinsamen ersten Seitenfläche der Wärmeübertrageranordnung 40 angeordnet. Zudem sind der Auslass 42 der dritten Wärmeübertragerreihe 40-6b und der Einlass 44 der ersten Wärmeübertragerreihen 40-6a des Kältemittels, welche über die Verbindungsleitung 43 miteinander gekoppelt sind, jeweils an einer der ersten Stirnseite der Wärmeübertragerreihen 40-6a, 40-6b gegenüberliegenden zweiten Stirnseite und damit an einer gemeinsamen zweiten Seitenfläche der Wärmeübertrageranordnung 40 ausgebildet.
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Die mit Kältemittel beaufschlagten äußeren Wärmeübertragerreihen 40-6a, 40-6b weisen in vertikaler Richtung und parallel zueinander ausgerichtete Strömungspfade auf. Die Strömungspfade sind aus Rohren, insbesondere Flachrohren, ausgebildet, welche sich jeweils zwischen zwei in horizontaler Richtung ausgerichtet angeordneten Sammlerrohren erstrecken. Das jeweils durch einen an einem ersten Sammlerrohr ausgebildeten Einlass 41, 44 in die Wärmeübertragerreihen 40-6a, 40-6b einströmende Kältemittel wird innerhalb der ersten Sammlerrohre auf die Strömungspfade aufgeteilt. Anschließend strömt das Kältemittel durch die die Strömungspfade ausbildenden Rohre zum zweiten Sammlerrohr und wird vermischt. Dabei kann jede Wärmeübertragerreihe 40-6a, 40-6b mehrere Kältemitteldurchgänge mit unterschiedlicher Anzahl von Rohren, auch als Fluten bezeichnet, aufweisen. Je nach Anzahl der Fluten der Wärmeübertragerreihen 40-6a, 40-6b wird das Kältemittel im Sammlerrohr in der Strömungsrichtung umgelenkt und durch andere Strömungspfade zum gegenüberliegenden Sammlerrohr zurückgeleitet oder aus dem zweiten Sammlerrohr der jeweiligen Wärmeübertragerreihe 40-6a, 40-6b heraus geleitet. Die in den 4a und 4b dargestellten Wärmeübertragerreihen 40-6a, 40-6b der Wärmeübertrageranordnung 40 sind vorzugsweise einflutig ausgebildet, können jedoch ebenso eine ungerade Anzahl an Fluten für das Kältemittel aufweisen.
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Das Kühlmittel strömt durch einen an der zweiten Wärmeübertragerreihe 40-37 ausgebildeten Einlass 46 in die Wärmeübertrageranordnung 40 ein und strömt durch einen ebenfalls an der zweiten Wärmeübertragerreihe 40-37 ausgebildeten Auslass 47 aus der Wärmeübertrageranordnung 40 aus. Der Einlass 46 und der Auslass 47 der zweiten Wärmeübertragerreihe 40-37 des Kühlmittels sind an einer gemeinsamen Stirnseite der Wärmeübertragerreihe 40-37 und an der zweiten Seitenfläche der Wärmeübertrageranordnung 40 angeordnet.
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Die mit Kühlmittel beaufschlagte innere oder mittlere Wärmeübertragerreihe 40-37 weist in horizontaler Richtung und parallel zueinander ausgerichtete Strömungspfade auf. Die Strömungspfade sind aus Rohren, insbesondere Flachrohren, ausgebildet, welche sich jeweils zwischen zwei in vertikaler Richtung ausgerichtet angeordneten Sammlerrohren erstrecken. Das jeweils durch einen an einem ersten Sammlerrohr ausgebildeten Einlass 46 in die Wärmeübertragerreihe 40-37 einströmende Kühlmittel wird innerhalb des ersten Sammlerrohres auf die Strömungspfade aufgeteilt. Anschließend strömt das Kühlmittel durch die die Strömungspfade ausbildenden Rohre zum zweiten Sammlerrohr, wird vermischt, in der Strömungsrichtung umgelenkt und auf andere Strömungspfade aufgeteilt. Die zweite Wärmeübertragerreihe 40-37 weist mindestens zwei Kühlmitteldurchgänge, beispielsweise mit unterschiedlicher Anzahl von Rohren, ebenfalls als Fluten bezeichnet, auf, sodass das Kühlmittel durch Strömungspfade zum ersten Sammlerrohr zurückströmt. Anschließend wird das Kühlmittel aus dem Auslass 47 der zweiten Wärmeübertragerreihe 40-37 heraus geleitet. Die in den 4a und 4b dargestellte zweite Wärmeübertragerreihe 40-37 der Wärmeübertrageranordnung 40 ist vorzugsweise zweiflutig ausgebildet, kann jedoch ebenso eine gerade Anzahl an Fluten für das Kühlmittel aufweisen.
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Zudem können die Rohre der Wärmeübertragerreihen 40-6a, 40-37, 40-6b in einer beliebigen Orientierung, das heißt jeweils in vertikaler oder in horizontaler Richtung, ausgerichtet sein. Dabei sind die Rohre einer Wärmeübertragerreihe 40-6a, 40-37, 40-6b stets in einer gemeinsamen Richtung und parallel zueinander angeordnet.
Bei gleicher Ausrichtung aller Rohre der Wärmeübertrageranordnung 40 und damit aller drei Wärmeübertragerreihen 40-6a, 40-37, 40-6b können luftseitig durchgehend ausgebildete und damit die Wärmeübertragerreihen 40-6a, 40-37, 40-6b übergreifende Rippen (49) beziehungsweise Lamellen vorgesehen werden, welche sich durch den gesamten Kern der Wärmeübertrageranordnung 40 erstrecken. Mit den zwischen den Rohren der Wärmeübertragerreihen 40-6a, 40-37, 40-6b angeordneten und die Rohre miteinander verbindenden Rippen (49) wird beispielsweise die Wärmeübertragerfläche vergrößert.
Zum Fixieren der Wärmeübertrageranordnung 40 sind die Wärmeübertragerreihen 40-6a, 40-37, 40-6b zudem über Verbindungselemente 48 mechanisch miteinander gekoppelt.
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In den 5 und 6 sind verschiedene Betriebsmodi des Klimatisierungssystems 1 aus 2 dargestellt. Die Strömungsrichtungen des Kältemittels innerhalb des Kältemittelkreislaufs 2 und des Kühlmittels innerhalb des Kühlmittelkreislaufs 3 sind jeweils mit Hilfe von Pfeilen gekennzeichnet.
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In 5 ist das Klimatisierungssystem 1 bei einem Betrieb in einem Kälteanlagenmodus der Zuluft für den Fahrgastraum und einem Kühlmodus der Batterie gezeigt.
Die durch das Klimagerät 60 geleitete Zuluft für den Fahrgastraum wird beim Überströmen der Wärmeübertragungsflächen der äußeren Wärmeübertragerreihen 40-6a, 40-6b des als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 6 sowie der mittleren Wärmeübertragerreihe 40-37 des Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers 37 als Komponenten der Wärmeübertrageranordnung 40 abgekühlt und/oder entfeuchtet. Die Wärmeübertrageranordnung 40 wird sowohl mit Kältemittel als auch mit Kühlmittel beaufschlagt, um die durch die Wärmeübertrageranordnung 40 hinduchströmende Zuluft zu konditionieren.
Der Heizwärmeübertrager 68 wird nicht mit der Zuluft beaufschlagt, welche durch den zweiten Strömungspfad des Klimageräts 60 um den Heizwärmeübertrager 68 herumgeleitet wird. Damit wird im Heizwärmeübertrager 68 keine Wärme übertragen.
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Die vom Kältemittel aus dem Kältemittelkreislauf 2 abzuführende Wärme wird vollständig im als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager 6 übertragen. Anschließend wird das Kältemittel auf die Strömungspfade 8, 11 aufgeteilt. Im ersten Expansionsorgan 7 des ersten Verdampfers 6 sowie im zweiten Expansionsorgan 13 des zweiten Verdampfers 12 wird jeweils ein Teilmassenstrom des Kältemittels auf Niederdruckniveau entspannt und beim Durchströmen der Verdampfer 6, 12 unter Aufnahme von Wärme verdampft. Die Teilmassenströme des Kältemittels werden an der Mündungsstelle 10 vermischt und vom Verdichter 4 angesaugt.
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Mittels der Stellung der als Drei-Wege-Ventil ausgebildeten Abzweigstelle 34 wird das von der Fördervorrichtung 30 geförderte Kühlmittel innerhalb des Kühlmittelkreislaufs 3 in einen ersten Teilmassenstrom durch den ersten Strömungspfad 33 und damit durch den Batterie-Wärmeübertrager 32 sowie einen zweiten Teilmassenstrom durch den zweiten Strömungspfad 36 und damit durch den Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 37 aufgeteilt. Das Kühlmittel wird einerseits zwischen dem als Verdampfer des Kältemittelkreislaufs 2 betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 12 und andererseits dem Batterie-Wärmeübertrager 32 sowie dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 37 umgewälzt, sodass sowohl die im Batterie-Wärmeübertrager 32 von der Batterie als auch die im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 37 von der Zuluft für den Fahrgastraum vom Kühlmittel aufgenommene Wärme im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 12 vollständig an das Kältemittel abgegeben wird. Die Teilmassenströme des Kühlmittels werden an der Mündungsstelle 35 vermischt. Der Zusatzheizwärmeübertrager 31 ist außer Betrieb.
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Der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 12 wird derart betrieben, Kälteleistung für die Zuluft für den Fahrgastraum und hauptsächlich zum Kühlen der Batterie bereitzustellen. Das Kühlmittel wird dabei auf einen Wert der Temperatur abgekühlt, welcher unterhalb des Wertes der Temperatur der Umgebung liegt.
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Zumindest ein Anteil der durch die dritte Wärmeübertragerreihe 40-6b der Wärmeübertrageranordnung 40 strömenden flüssigen Phase des Kältemittels wird verdampft. Beim anschließenden Durchströmen der ersten Wärmeübertragerreihe 40-6a der Wärmeübertrageranordnung 40 wird die flüssige Phase des Kältemittels vollständig verdampft und das nunmehr dampfförmige Kältemittel gegebenenfalls überhitzt. Um die Überhitzung zu gewährleisten, wird die erste Wärmeübertragerreihe 40-6a mit Zuluft höherer Temperatur angeströmt. Beim Durchströmen der ersten Wärmeübertragerreihe 40-6a wird die Zuluft vorgekühlt und anschließend in der zweiten Wärmeübertragerreihe 40-37 weiter abgekühlt. Die Zuluft strömt abschließend mit der gewünschten Temperatur aus der dritten Wärmeübertragerreihe 40-6b der Wärmeübertrageranordnung 40 aus.
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Mit der Wärmeübertrageranordnung 40 wird die Kühlfähigkeit für die Zuluft des Fahrgastraums erweitert, da sowohl Kältemittel als auch Kühlmittel zum Konditionieren der Zuluft verwendet werden. Durch die kombinierte Verwendung von Kältemittel und Kühlmittel kann zudem eine höhere Kälteleistung mit schnellerer Kühldynamik für die Abkühlung der Zuluft für den Fahrgastraum bereitgestellt werden. Dabei kann zudem einerseits die durch die Wärmeübertrageranordnung 40 hindurchströmende Zuluft weiter abgekühlt werden als mit herkömmlichen Kältemittel-Verdampfern. Anderseits kann das Kältemittel auf eine höhere Temperatur überhitzt werden, wobei die höhere Überhitzung auch tolerierbar ist. Das Klimatisierungssystem 1 kann mit einer höheren Effizienz als herkömmliche Systeme betrieben werden.
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Durch die Verwendung der Wärmeübertrageranordnung 40 mit den drei Wärmeübertragerreihen 40-6a, 40-37, 40-6b lässt sich ein sehr homogenes Temperaturfeld der Zuluft am Austritt der Wärmeübertrageranordnung 40 einstellen.
Die Kühlmitteldurchgänge der zweiten Wärmeübertragerreihe 40-37 der Wärmeübertrageranordnung 40 sind derart ausgebildet, dass luftseitig unter gleichen Bedingungen ein geringerer Druckabfall als bei herkömmlichen als Verdampfer betriebenen Kältemittel-Luft-Wärmeübertragern erzeugt wird.
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In einem nicht dargestellten Nachheizmodus kann die beim Durchströmen der Wärmeübertrageranordnung 40 abgekühlte und/oder entfeuchtete Zuluft durch den ersten Strömungspfad des Klimageräts 60 geleitet und beim Durchströmen des Heizwärmeübertragers 68 erwärmt werden. Die Luftleiteinrichtung 67 ist derart eingestellt, dass zumindest ein Teilmassenstrom der Luft durch den ersten Strömungspfad geleitet wird.
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6 zeigt das Klimatisierungsystems 1 bei einem Betrieb in einem Heizmodus für die Zuluft für den Fahrgastraum und einem Heizmodus der Batterie mit Betrieb des Zusatzwärmeübertragers 31 des Kühlmittelkreislaufs 3. Der Verdichter 4 des Kältemittelkreislaufs 2 ist außer Betrieb. Im Kältemittelkreislauf 2 wird kein Kältemittel umgewälzt, sodass keine Wärme übertragen wird.
Die durch das Klimagerät 60 geleitete Zuluft für den Fahrgastraum wird beim Überströmen der Wärmeübertragungsfläche der mittleren Wärmeübertragerreihe 40-37 des Kühlmittel-Luft-Wärmeübertragers 37 als Komponente der Wärmeübertrageranordnung 40 erwärmt. Die Wärmeübertrageranordnung 40 wird ausschließlich mit Kühlmittel beaufschlagt, um die durch die Wärmeübertrageranordnung 40 hinduchströmende Zuluft zu konditionieren. Zudem kann der Heizwärmeübertrager 68 mit der Zuluft beaufschlagt werden, welche durch den ersten Strömungspfad des Klimageräts 60 hindurch geleitet wird. Damit kann die Wärmeübertrageranordnung 40 entweder als alleinige Wärmequelle zum Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum oder als Zusatzheizung verwendet werden, um die Zuluft vorzuwärmen und anschließend im Heizwärmeübertrager 68 auf die gewünschte Temperatur zu erwärmen.
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Mittels der Stellung der als Drei-Wege-Ventil ausgebildeten Abzweigstelle 34 wird das von der Fördervorrichtung 30 geförderte Kühlmittel innerhalb des Kühlmittelkreislaufs 3 in einen ersten Teilmassenstrom durch den ersten Strömungspfad 33 und damit durch den Batterie-Wärmeübertrager 32 sowie einen zweiten Teilmassenstrom durch den zweiten Strömungspfad 36 und damit durch den Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 37 aufgeteilt. Das Kühlmittel wird einerseits zwischen dem Zusatzheizwärmeübertrager 31 und andererseits dem Batterie-Wärmeübertrager 32 sowie dem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 37 umgewälzt. Die Teilmassenströme des Kühlmittels werden an der Mündungsstelle 35 vermischt. Der als Verdampfer betriebene Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6 ist, wie der gesamte Kältemittelkreislauf 2, außer Betrieb. Der Zusatzheizwärmeübertrager 31 wird derart betrieben, das Kühlmittel, insbesondere unter Verwendung einer elektrischen Widerstandsheizung, auf einen Wert der Temperatur oberhalb des Wertes der Temperatur der Umgebung zu erwärmen und folglich eine Wärmeleistung für die Zuluft für den Fahrgastraum und zum Erwärmen der Batterie bereitzustellen.
Damit strömt das an der Mündungsstelle 35 vermischte Kühlmittel durch den Zusatzheizwärmeübertrager 31, um Wärme aufzunehmen. Da der Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 12 nicht mit Kältemittel beaufschlagt wird, wird im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 12 keine Wärme übertragen, sodass die im Zusatzheizwärmeübertrager 31 vom Kühlmittel aufgenommene Wärme im Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 37 an die Zuluft für den Fahrgastraum und/oder im Batterie-Wärmeübertrager 32 an die Batterie übertragen wird. Folglich können sowohl die Batterie als auch die Zuluft für den Fahrgastraum entweder separat oder gleichzeitig erwärmt werden. Der Zusatzheizwärmeübertrager 31 wird als Wärmequelle für die Zuluft des Fahrgastraums beziehungsweise die Batterie genutzt. Der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 37 wird als Heizwärmeübertrager für die Zuluft verwendet. Das Klimatisierungssystem 1 kann auch beim Betrieb im Heizmodus mit einer höheren Effizienz als herkömmliche Systeme betrieben werden.
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Die Wärmeübertrageranordnung 40 kann dabei zusätzlich zum innerhalb des Klimageräts 60 angeordneten Heizwärmeübertrager 68 als ein eigenständiger Zuheizer für das Erwärmen der Zuluft verwendet werden, was eine gleichmäßigere Temperaturschichtung der Zuluft ermöglicht. Damit wird das Verwenden von lediglich einer elektrischen Widerstandsheizung für das Erwärmen der Batterie und der Zuluft für den Fahrgastraum, auch bei einem Ausfall des Kältemittelkreislaufs 2 als Komponente des Wärmepumpensystems, möglich. Folglich können die Kosten für eine elektrische Widerstandsheizung zum Erwärmen der Zuluft entfallen.
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Bei einem nicht dargestellten Betrieb des Klimatisierungssystems 1 in einem Wärmepumpenmodus kann die Wärmeübertrageranordnung 40 zudem als eine zusätzliche Wärmequelle verwendet werden, um Wärme aus der Umluft des Fahrgastraums aufzunehmen und im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 12 als Verdampfungswärme an das Kältemittel zu übertragen.
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Das Klimatisierungssystem 1 wird beispielsweise vorrangig im Betriebsmodus nach 6 und damit in einem Vorkonditionierungsmodus betrieben, um einerseits die Luft im Fahrgastraum in kurzer Zeit zu erwärmen und um andererseits die Batterie direkt zu erwärmen, während die Batterie des Kraftfahrzeugs an einer Steckdose und damit im Stand des Kraftfahrzeugs aufgeladen wird. Dieser Betriebsmodus ist erforderlich, um die Batterie insbesondere bei geringen Temperaturen der Umgebung innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs zu halten. Zudem kann die Batterie, insbesondere aufgrund der großen thermischen Masse, als Wärmespeicher verwendet werden. Die gespeicherte Wärme kann nachfolgend beispielsweise als Wärmequelle zum Verdampfen des Kältemittels beim Betrieb im Wärmepumpenmodus verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1'
- Klimatisierungssystem
- 2, 2'
- Kältemittelkreislauf
- 3, 3`
- Kühlmittelkreislauf
- 4
- Verdichter Kältemittelkreislauf
- 5
- Wärmeübertrager, Kondensator/Gaskühler
- 6
- Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, erster Verdampfer
- 7
- erstes Expansionsorgan
- 8
- erster Strömungspfad
- 9
- Abzweigstelle
- 10
- Mündungsstelle
- 11
- zweiter Strömungspfad
- 12
- Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager, zweiter Verdampfer
- 13
- zweites Expansionsorgan
- 30
- Fördervorrichtung Kühlmittelkreislauf
- 31
- Zusatzheizwärmeübertrager
- 32
- Batterie-Wärmeübertrager
- 33
- erster Strömungspfad
- 34
- Abzweigstelle
- 35
- Mündungsstelle
- 36
- zweiter Strömungspfad
- 37
- Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager
- 40
- Wärmeübertrageranordnung
- 40-6a
- erste Wärmeübertragerreihe - Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6
- 40-37
- zweite Wärmeübertragerreihe - Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 37
- 40-6b
- dritte Wärmeübertragerreihe - Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 6
- 41
- Einlass Kältemittel dritte Wärmeübertragerreihe 40-6b
- 42
- Auslass Kältemittel dritte Wärmeübertragerreihe 40-6b
- 43
- Verbindungsleitung Kältemittel
- 44
- Einlass Kältemittel erste Wärmeübertragerreihe 40-6a
- 45
- Auslass Kältemittel erste Wärmeübertragerreihe 40-6a
- 46
- Einlass Kühlmittel
- 47
- Auslass Kühlmittel
- 48
- Verbindungselement
- 49
- Rippen
- 60
- Klimagerät
- 61
- Gehäuse
- 62
- Gebläse
- 63
- Einlass Umluft
- 64
- Einlass Frischluft
- 65
- Luftleiteinrichtung
- 66
- Strömungsrichtung Zuluft
- 67
- Luftleiteinrichtung
- 68
- Heizwärmeübertrager
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017114136 A1 [0007]
