DE102018213835A1

DE102018213835A1 - Fahrzeug mit einem Kältemittelkreis

Info

Publication number: DE102018213835A1
Application number: DE102018213835.4A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Gläßer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-08-16
Filing date: 2018-08-16
Publication date: 2020-02-20
Anticipated expiration: 2038-08-17
Also published as: DE102018213835B4

Abstract

Fahrzeug, mit einem von einem Kältemittel durchströmten Kältemittelkreis (1), mit
- einem Verdichter (2),
- einem Kondensator (3), der, in Strömungsrichtung (7) des Kältemittels, nach dem Verdichter (2) angeordnet ist, wobei das Kältemittel im Kondensator (3) Wärme abgeben kann,
- einem Expansionsorgan (4), über das vom Kondensator (3) kommendes Kältemittel entspannbar ist,
- einem Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher (5), der, in Strömungsrichtung (7) des Kältemittels, nach dem Expansionsorgan (4) angeordnet ist und über den Wärme aus einer Flüssigkeit dem Kältemittel zuführbar ist,
- einem Kältemittel/Luftwärmetauscher (6) über den Wärme aus einem Luftvolumenstrom dem Kältemittel zuführbar ist, wobei
- der Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher (5) in Strömungsrichtung (7) des Kältemittels nach dem Expansionsorgan (4) und
- der Kältemittel/Luftwärmetauscher (6) in Strömungsrichtung (7) des Kältemittels seriell nach dem Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher (5) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Kältemittelkreislauf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Kältemittelkreisläufe von Fahrzeugklimaanlagen weisen, in Strömungsrichtung des Kältemittels betrachtet, einen Verdichter, einen Kondensator, ein Expansionsorgan und einen Verdampfer auf, von dem das Kältemittel zurück zum Verdichter strömt. Über den Verdampfer nimmt das Kältemittel Wärme aus der einem Fahrgastraum zuzuführenden Luft auf.
Bei manchen Kältemittelkreisläufen ist parallel zum Verdampferzweig, d. h. parallel zu dem dem Verdampfer zugeordneten Expansionsorgan und dem Verdampfer, ein zweiter Kältemittelzweig vorgesehen, in dem ein weiteres Expansionsorgan und ein weiterer Verdampfer oder ein Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher angeordnet ist. Das weitere Expansionsorgan ist mit einem zusätzlichen Kostenaufwand verbunden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fahrzeug mit einem Kältemittelkreis zu schaffen, der einfach und kostengünstig aufgebaut ist und der zusätzlich zu einem Verdampfer einen Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Fahrzeug mit einem von einem Kältemittel durchströmten Kältemittelkreis, der einen Verdichter, einen Kondensator (oder Verflüssiger), ein Expansionsorgan, einen Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher (im Folgenden auch als „Chiller“ bezeichnet) und einen Kältemittel-Luftwärmetauscher (der auch als „Verdampfer“ bezeichnet werden kann), aufweist.
Der Kondensator ist in an sich bekannter Weise in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Verdichter angeordnet. In dem Kondensator kann das Kältemittel Wärme abgeben. Vom Kondensator kommendes Kältemittel wird in dem Expansionsorgan entspannt.
Der Kältemittel//Flüssigkeitswärmetauscher (Chiller) ist, in Strömungsrichtung des Kältemittels betrachtet, nach dem Expansionsorgan angeordnet. Über den Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher kann dem Kältemittel Wärme aus einer Flüssigkeit zugeführt werden bzw. mittels des Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauschers kann Flüssigkeit gekühlt werden. Die Flüssigkeit kann z.B. zur Kühlung einer Fahrzeugkomponente, wie z.B. einer Batterie bzw. eines Hochvoltspeichers o.ä. verwendet werden.
Der Kältemittel/Luftwärmetauscher (Verdampfer) ist dazu vorgesehen, aus einem den Kältemittel/Luftwärmetauscher durchströmenden Luftvolumenstrom (der z. B. einen Fahrgastraum des Fahrzeugs zugeführt wird) Wärme aufzunehmen, d. h. den Luftvolumenstrom zu kühlen.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Kältemittel//Flüssigkeitswärmetauscher (Chiller) in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Expansionsorgan und der Kältemittel/Luftwärmetauscher (Verdampfer) in Strömungsrichtung des Kältemittels seriell nach dem Kältemittel/Luftwärmetauscher angeordnet ist.
Sowohl der Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher als auch der Kältemittel/Luftwärmetauscher werden somit von demselben vom Expansionsorgan kommenden Kältemittelstrom durchströmt. Sowohl dem Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher als auch dem Kältemittel/Luftwärmetauscher ist gemeinsam das (eine) Expansionsorgan zugeordnet.
Im Unterschied zu manchen herkömmlichen Anordnungen mit einem separaten, parallel geschalteten Kältemittelzweig wird hier kein zusätzliches Expansionsorgan benötigt, da der Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher und der Kältemittel/Luftwärmetauscher in Reihe hintereinander, d.h. seriell geschaltet sind. Es findet also keine Aufteilung des Kältemittels auf zwei parallele Zweige statt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist das Fahrzeug eine sogenannte „Stirnwand“ auf, welche ein, in Fahrtrichtung gesehen, ein vorderes Ende eines Fahrgastraums des Fahrzeugs von einem vorderhalb des Fahrgastraums befindlichen Raum trennt. Bei den meisten herkömmlichen Fahrzeugen ist dieser Raum der „Motorraum“, in dem der Verbrennungsmotor angeordnet ist. Bei manchen Fahrzeugkonzepten befindet sich in diesem Raum kein Motor, sondern er dient als Gepäckraum.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind der Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher und der Kältemittel/Luftwärmetauscher im Bereich der Stirnwand oder an der Stirnwand angeordnet bzw. es kann vorgesehen sein, dass der Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher und der Kältemittel/Luftwärmetauscher Komponenten eines sogenannten „Klimageräts“ bilden, das in einer Öffnung, die in der Stirnwand vorgesehen ist, angeordnet ist und das zumindest teilweise in den Fahrgastraum ragt. Ein Teil des Klimageräts kann auch in den Motorraum ragen.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher und der Kältemittel/Luftwärmetauscher auf einer dem Fahrgastraum zugewandten Seite der Stirnwand angeordnet sind.
Aus Sicherheitsgründen kann vorgesehen sein, dass ein zum Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher führender Kältemittelanschluss (Kältemitteleinlass) und ein vom Kältemittel/Luftwärmetauscher kommender Kältemittelanschluss (Kältemittelauslass) auf einer dem Fahrgastraum abgewandten Seite der Stirnwand angeordnet sind. Dadurch wird sichergestellt, dass bei einer evtl. Undichtigkeit an einem der Anschlüsse Kältemittel nicht in den Fahrgastraum eintritt, sondern in den vorderhalb des Fahrgastraums befindlichen Raum (z. B. Motorraum).
Dementsprechend kann vorgesehen sein, dass die Anschlüsse (Kältemitteleinlass und/oder Kältemittelauslass) jeweils eine Stelle darstellen, an denen Kältemittelleitungen lösbar, z. B. über eine Schraubverbindung miteinander verbunden sind.
Im Unterschied dazu kann nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Strömungsweg vom Kältemitteleinlass zum Kältemittelauslass ausschließlich durch stoffschlüssig miteinander verbundene, insbesondere miteinander verlötete, Leitungsabschnitte gebildet ist, die zerstörungsfrei nicht auftrennbar sind. Dies bedeutet, dass der gesamte Strömungsweg des Kältemittels vom Kältemitteleingang in den Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher (Chiller) bis zum Kältemittelauslass des Kältemittel/Luftwärmetauschers (Verdampfer) keinerlei lösbare Leitungsverbindungen, wie z. B. Verschraubungen o. ä. aufweist. Vorzugsweise sind sämtliche Kältemittel führende Abschnitte zwischen dem Kältemitteleinlass des Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauschers und dem Kältemittelauslass des Kältemittel/Luftwärmetauschers stoffschlüssig und somit unlösbar miteinander verbunden, z. B. durch Lötverbindungen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher und der Kältemittel/Luftwärmetauscher eine „bauliche Einheit“ bilden, die genau vier Fluidanschlüsse aufweist, nämlich den oben bereits erwähnten Kältemitteleinlass, den oben bereits erwähnten Kältemittelauslass, einen zum Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher führenden Flüssigkeitseinlass und einen vom Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher kommenden Flüssigkeitsauslass sowie eine zum Kältemittel/Luftwärmetauscher führende Zuströmöffnung für Luft und eine vom Kältemittel/Luftwärmetauscher kommende Abströmöffnung für gekühlte Luft. Diese bauliche Einheit kann vollständig von einem Lieferanten von Klimatisierungs- bzw. Kühlungskomponenten vorgefertigt und zum Fahrzeughersteller geliefert und dort in ein herzustellendes Fahrzeug eingebaut werden, was deutlich kostengünstiger ist, als die einzelnen Komponenten (Chiller, Verdampfer) beim Fahrzeughersteller zusammen zu montieren.
Bei dem Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher kann es sich vorzugsweise um einen Plattenwärmetauscher handeln. Der Kältemittel/Luftwärmetauscher ist vorzugsweise als Flachrohrwärmetauscher ausgebildet, d. h. die Strömungskanäle des Kältemittel/Luftwärmetauschers weisen einen rechteckähnlichen Querschnitt auf, dessen Strömungsquerschnittsbreite um ein Vielfaches, d. h. z.B. um ein zweifaches, Dreifaches, Vierfaches, Fünffaches, Sechsfaches, Siebenfaches, Achtfaches, Neunfaches, Zehnfaches oder noch mehr, größer ist als dessen Strömungsquerschnittshöhe.
Wie oben bereits erwähnt wurde, kann der Kältemittel/Luftwärmetauscher zur Aufnahme von Wärme aus Luft vorgesehen und bestimmt sein, die dem Fahrgastraum zuzuführen ist.
Der Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher kann z. B. zur Kühlung eines Hochvoltspeichers (Hochvoltbatterie) vorgesehen sein. Dementsprechend kann der Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher mit Flüssigkeitsleitungen in Strömungsverbindung stehen, die durch einen Hochvoltspeicher des Fahrzeugs geführt sind. Über den oben genannten Flüssigkeitseinlass des Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauschers kann diesem warmes bzw. heißes, von einem Hochvoltspeicher kommendes Kühlmittel (Kühlflüssigkeit) zugeführt und über den Flüssigkeitsauslass wieder abgeführt werden.
Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass der Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher mit einem Flüssigkeits/Luftwärmetauscher in Strömungsverbindung steht, der zur Aufnahme von Wärme aus Luft vorgesehen und bestimmt ist, die dem Fahrgastraum zuzuführen ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass einem hinteren Bereich des Fahrgastraums des Fahrzeugs der o. g. zusätzliche Flüssigkeits/Luftwärmetauscher zugeordnet ist, über den dem hinteren Fahrgastraumbereich des Fahrzeugs zuzuführende Luft gekühlt wird.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass, in Strömungsrichtung des Kältemittels betrachtet, nach dem Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher nicht nur ein einziger Verdampfer angeordnet ist, sondern zwei parallel geschaltete Verdampfereinheiten. Dies bedeutet, dass das vom Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher (Chiller) kommende Kältemittel nach dem Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher aufgesplittet wird und ein erster Teilvolumenstrom durch einen ersten Verdampfer und ein zweiter Teilvolumenstrom durch einen zweiten Verdampfer, wobei die beiden Teilvolumenströme nach den beiden Verdampfern wieder zusammengeführt werden können.
Zusammenfassend werden mit der Erfindung insbesondere folgende Vorteile erreicht:

- Kosteneinsparung durch Entfall eines zusätzlichen Expansionsorgans;
- Kälte kann zu 100% über den Massenstrom des Kühlmittels im Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher und dem Kältemittel/Luftwärmetauscher (Verdampfer) verteilt werden.

Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 das Grundprinzip eine erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs in schematischer Darstellung.

1 zeigt einen Kältemittelkreislauf 1, welcher eine Verdichter 2, einen Kondensator 3, ein Expansionsorgan 4, einen Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher 5 (der hier als „Chiller“ bezeichnet wird) und einen Kältemittel/Luftwärmetauscher, der hier als Verdampfer 6 bezeichnet wird, aufweist. Die Strömungsrichtung des Kältemittels im Kältemittelkreislauf 1 ist durch einen Pfeil 7 angedeutet. Der Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher 5 und der Verdampfer 6 können als bauliche Einheit 8 ausgebildet sein, die vier Fluidanschlüsse aufweist, nämlich einen Kältemitteleinlass 8a, einen Kältemittelauslass 8b, einen Flüssigkeitseinlass 8c und einen Flüssigkeitsauslass 8d.
Dementsprechend ergibt sich im „Flüssigkeitskreislauf“ eine durch einen Pfeil 9 angedeutete Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit. Der Flüssigkeitskreislauf, der hier mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist, kann z. B. zur Kühlung eines Hochvoltspeichers oder einer anderen zu kühlenden Komponente 11 vorgesehen sein. Bei der zu kühlenden Komponente 11 kann es sich beispielsweise auch um einen „Heckverdampfer“ handeln, d. h. um einen Flüssigkeits/Luftwärmetauscher, über den Luft, die einem hinteren Bereich des Fahrgastraums des Fahrzeugs zuzuführen ist, gekühlt wird.
Der Verdampfer 6 kann dann einem vorderen Bereich des Fahrgastraums zugeordnet sein, d. h. über den Verdampfer 6 kann dann in einem vorderen Bereich des Fahrgastraums zuzuführende Luft gekühlt werden. Alternativ dazu kann der Verdampfer 6 auf dem Fahrgastraum zugeordnet sein, d. h. es kann vorgesehen sein, dass die gesamte, dem Fahrgastraum zuzuführende Luft über den Verdampfer 6 gekühlt wird.

Claims

Fahrzeug, mit einem von einem Kältemittel durchströmten Kältemittelkreis (1), mit - einem Verdichter (2), - einem Kondensator (3), der, in Strömungsrichtung (7) des Kältemittels, nach dem Verdichter (2) angeordnet ist, wobei das Kältemittel im Kondensator (3) Wärme abgeben kann, - einem Expansionsorgan (4), über das vom Kondensator (3) kommendes Kältemittel entspannbar ist, - einem Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher (5), der, in Strömungsrichtung (7) des Kältemittels, nach dem Expansionsorgan (4) angeordnet ist und über den Wärme aus einer Flüssigkeit dem Kältemittel zuführbar ist, - einem Kältemittel/Luftwärmetauscher (6) über den Wärme aus einem Luftvolumenstrom dem Kältemittel zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass - der Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher (5) in Strömungsrichtung (7) des Kältemittels nach dem Expansionsorgan (4) und - der Kältemittel/Luftwärmetauscher (6) in Strömungsrichtung (7) des Kältemittels seriell nach dem Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher (5) angeordnet ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug eine Stirnwand aufweist, welche ein, in Fahrtrichtung des Fahrzeugs gesehen, vorderes Ende des Fahrgastraums des Fahrzeugs von einem vorderhalb des Fahrgastraums befindlichen Raum trennt, wobei der Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher (5) und der Kältemittel/Luftwärmetauscher (6) im Bereich der Stirnwand oder an der Stirnwand oder durch die Stirnwand hindurchragend angeordnet sind.
Fahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher (5) und der Kältemittel/Luftwärmetauscher (6) auf einer dem Fahrgastraum zugewandten Seite der Stirnwand angeordnet sind.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein zum Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher (5) führender Kältemitteleinlass (8a) und ein vom Kältemittel/Luftwärmetauscher (6) kommender Kältemittelauslass (8b) auf einer dem Fahrgastraum abgewandten Seite der Stirnwand angeordnet sind.
Fahrzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemitteleinlass (8a) und der Kältemittelauslass (8b) jeweils eine Stelle darstellen, an denen Kältemittelleitungen lösbar miteinander verbunden sind.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsweg vom Kältemitteleinlass (8a) zum Kältemittelauslass (8b) durch stoffschlüssig miteinander verbundene, insbesondere miteinander verlötete, Leitungsabschnitte gebildet ist, die zerstörungsfrei nicht auftrennbar sind.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher (5) und der Kältemittel/Luftwärmetauscher (6) eine bauliche Einheit (8) bilden, die genau vier Fluidanschlüsse aufweist, nämlich - den Kältemitteleinlass (8a), - den Kältemittelauslass (8b), - einen Flüssigkeitseinlass (8c) und - einen Flüssigkeitsauslass (8d), sowie - eine Zuströmöffnung für zu kühlende Luft und - eine Abströmöffnung für gekühlte Luft.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher (5) ein Plattenwärmetauscher ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittel/Luftwärmetauscher (6) ein Flachrohrwärmetauscher ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittel/Luftwärmetauscher (6) zur Aufnahme von Wärme aus Luft vorgesehen und bestimmt ist, die einem Fahrgastraum des Fahrzeugs zuzuführen ist.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher mit Flüssigkeitsleitungen in Strömungsverbindung steht, die durch einen Hochvoltspeicher des Fahrzeugs geführt sind.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittel/Flüssigkeitswärmetauscher (5) mit einem Flüssigkeits/Luftwärmetauscher (11) in Strömungsverbindung steht, der zur Aufnahme von Wärme aus Luft vorgesehen und bestimmt ist, die dem Fahrgastraum zuzuführen ist.