DE102019204720A1

DE102019204720A1 - Vorrichtung zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeuginnenraums, Verdampfer für einen Kältemittelkreislauf, Verfahren zum Betreiben einer Klimatisierungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeuginnenraums

Info

Publication number: DE102019204720A1
Application number: DE102019204720.3A
Authority: DE
Inventors: Özgür Aktas; Thomas Hackl; Daniel Hildebrandt; Martin Kolb
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2019-04-03
Filing date: 2019-04-03
Publication date: 2020-10-08

Abstract

Vorrichtung zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeuginnenraums, mit einem Kältemittelkreislauf, der einen Kältemittelkompressor und einen Kältemittelverdampfer aufweist, wobei der Kältemittelverdampfer Wärme aus einem zum Fahrzeuginnenraum hin gerichteten Luftstrom aufnimmt, und mit einem Kühlmittelkreislauf, der thermisch mit einer Wärmequelle gekoppelt ist und einen Wärmetauscher zum Abgeben der aufgenommenen Wärme aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass der Wärmetauscher in dem Luftstrom angeordnet ist. Ein Verdampfer für einen Kältemittelkreislauf zeichnet sich aus durch einen integrierten Wärmetauscher für einen Kühlmittelkreislauf. Ein Verfahren zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeuginnenraums weist die Schritte auf:a. Austauschen von Wärme zwischen einem in Richtung des Kraftfahrzeuginnenraums strömenden Luftstrom und einem Kältemittelverdampfer, der Teil eines Kältemittelkreislaufs ist, undb. gleichzeitiges Austauschen von Wärme zwischen einem Wärmetauscher, der Teil eines Kühlmittelkreislaufs ist, und dem Luftstrom, oder zwischen dem Wärmetauscher und dem Kältemittelverdampfer, wobei der Wärmeaustausch zwischen dem Wärmetauscher und dem Kältemittelverdampfer mittels Wärmeleitung erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeuginnenraums, mit einem Kältemittelkreislauf, der einen Kältemittelkompressor und einen Kältemittelverdampfer aufweist, wobei der Kältemittelverdampfer Wärme aus einem zum Fahrzeuginnenraum hin gerichteten Luftstrom aufnimmt, und mit einem Kühlmittelkreislauf, der thermisch mit einer Wärmequelle gekoppelt ist und einen Wärmetauscher aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Verdampfer für einen Kältemittelkreislauf, ein Verfahren zum Betreiben einer Klimatisierungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeuginnenraums.
Mit fortschreitender Entwicklung sind in den letzten Jahren die in Kraftfahrzeugen eingesetzten Klimatisierungsvorrichtungen immer aufwendiger und komplexer geworden. Einerseits ist hierfür das Streben nach höherem Komfort für die Fahrzeuginsassen verantwortlich. So wurden Klimatisierungsvorrichtungen mit höheren Leistungen und komplexen Regelmöglichkeiten entwickelt. In vielen Fahrzeugen besteht heutzutage bereits die Möglichkeit, den Fahrzeuginnenraum in unterschiedliche Klimazonen aufzuteilen. Für die einzelnen Klimazonen kann dann jeweils eine eigene Temperatur eingestellt werden. Beispielsweise kann für den Beifahrerbereich eine andere Temperatur als für den Fahrerbereich eingestellt werden. Ebenso ist es oftmals möglich, den hinteren Bereich des Fahrzeuginnenraums mit einer von dem vorderen Bereich unterschiedlichen Lufttemperatur zu versorgen. Es sind entsprechende Klimatisierungsvorrichtungen mit zwei, drei oder sogar vier voneinander getrennt regelbaren Klimazonen bekannt.
Hierzu kann im Kühlungsfall einerseits ein einzelner Klimakompressor verwendet werden, der dann eine entsprechend hohe Leistung aufweisen muss. Weiterhin muss die gekühlte Luft dann vom im Regelfall im vorderen Bereich des Fahrzeugs angeordneten Klimakompressor zum hinteren Bereich des Fahrzeuginnenraums transportiert werden, ggf. in ihrer Temperatur angepasst werden und alsdann in den Fahrzeuginnenraum entlassen werden. Je nach Größe des Fahrzeugs kann es dabei einfacher und effizienter sein, anstelle der temperierten Luft ein Kältemittel in den hinteren Bereich des Fahrzeugs zu transportieren und dort die für den hinteren Bereich des Fahrzeuginnenraums benötigte Luft mit Hilfe eines zweiten Klimakompressors zu konditionieren.
Zum anderen stehen moderne Elektro- und Hybridfahrzeuge weitere neuartige Anforderungen an eine Klimatisierungsvorrichtung. So müssen oftmals Traktionskomponenten und hierbei insbesondere die Traktionsbatterien bzw. die Kühlmittelflüssigkeit der Hochspannungs-Batterien bei bestimmten Umgebungsbedingungen aktiv gekühlt werden. Zu diesem Zweck ist es bekannt, einen weiteren Kältemittelverdampfer in den Klimakreislauf zu integrieren. Diese oftmals als „Chiller“ bezeichneten Verdampfer dienen dann zur Kühlung der genannten Traktionskomponenten.
Wenn nun in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug eine Klimatisierung mit vier getrennten Klimazonen zur Verfügung gestellt werden soll, so wären eigentlich ein erster Kältemittelverdampfer für den vorderen Bereich des Innenraums, ein zweiter Kältemittelverdampfer für den hinteren Bereich des Innenraums sowie ein dritter Kältemittelverdampfer zur Kühlung der Batterie bzw. der Traktionskomponenten notwendig. Es ist allerdings regelungstechnisch sehr schwierig bis unmöglich, einen Kältemittekreislauf mit mehr als zwei Kältemittelverdampfern zu betreiben und dabei eine zuverlässige Ölrückführung zu gewährleisten. Um bei einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug mit aktiver Batteriekühlung eine Vierzonenklimatisierung aufbauen zu können, müsste daher nach derzeitigem Stand ein zweiter Klimakompressor mit entsprechendem Kältemittelmittelkreis eingebaut werden. Es entsteht dadurch die Einschränkung. dass bei den entsprechenden Fahrzeugen kein zweiter Innenraumverdampfer, wie eigentlich bei einer Vierzonen-Klimaanlage notwendig, installiert werden kann.
Aus der DE 10 2016 117 075 A1 ist beispielsweise eine Klimatisierungsvorrichtung bekannt, die einen vorderen Kältemittelverdampfer aufweist, mit Hilfe dessen das in einem sekundären Kühlmittelkreislauf umlaufende Kühlmittel gekühlt wird. Der sekundäre Kühlmittelkreislauf wird dann zum einen verwendet, um die Batterie zu kühlen. Zum anderen kann über Ventile das Kühlmittel derart gelenkt werden, dass es mittels eines Wärmetauschers und eines Gebläses die dem hinteren Teil des Fahrzeuginnenraums zugeleitete Luft kühlt.
Die DE 10 2017 101 218 A1 beschreibt eine Klimatisierungsvorrichtung mit einem vorderen Verdampfer und einem hinteren Verdampfer sowie einem Wärmetauscher, der für einen thermischen Austausch zwischen dem die beiden Verdampfer umfassenden Kältemittelkreislauf und einem sekundären Kühlmittelkreislauf sorgt. Der sekundäre Kühlmittelkreislauf wiederum kühlt eine Hochvoltbatterie.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen sind entweder mit hohem konstruktivem Aufwand verbunden oder ermöglichen keine flexible Kühlung des Fahrzeuginnenraums mit drei oder vier unabhängigen Klimazonen. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Klimatisierungsvorrichtung anzugeben, die bei einfacher Regelbarkeit und einfacher Konstruktion eine effiziente und flexible Kühlung des Fahrzeuginnenraums und gleichzeitig die Kühlung von Traktionskomponenten, insbesondere von Hochspannungsbatterien, ermöglicht.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeuginnenraums der eingangs genannten Art vorgeschlagen, bei der der Wärmetauscher in dem Luftstrom angeordnet ist. Weiterhin wird ein Verdampfer für einen Kältemittelkreislauf, der sich durch einen integrierten Wärmetauscher für einen Kühlmittelkreislauf auszeichnet, ein Verfahren zum Betreiben einer Klimatisierungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeuginnenraums vorgeschlagen.
Die vorgeschlagene Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Kältemittelverdampfer genutzt wird, um zum einen den Luftstrom zu kühlen und zum anderen effektiv auch Wärme aus dem Kühlmittelkreislauf aufzunehmen. Hierzu kann der Luftstrom als Transportmedium genutzt werden. Beispielsweise kann der Luftstrom auf eine Temperatur unterhalb der gewünschten Ausblastemperatur abgekühlt und dann von dem Wärmetauscher wieder erwärmt werden, so dass die Leistung des Kältemittelverdampfers auch zur Kühlung des Sekundärkreislaufs verwendet wird. Streng genommen wird dabei zwar keine Wärme aus dem Kühlkreislauf an den Kältemittelkreislauf abgegeben, wenn man aber einen inversen Prozess des „Kältetransports“ betrachtet wird Kälte von dem Kältemittelkreislauf mittels des Luftstroms zu dem Kühlkreislauf transportiert. Dabei ist die Richtung des angenommenen Kälteflusses entgegengesetzt dem realen Wärmefluss.
Es kann hierfür zweckmäßig sein, wenn der Wärmetauscher des Kühlkreislaufs in unmittelbarer räumlicher Nähe zu dem Kältemittelverdampfer angeordnet ist. Es ergibt sich dann eine kompakte Ausgestaltung sowie ein geringer Verlust beim Wärme- bzw. Kältetransport mittels des Luftstroms zwischen dem Kältemittelkreislauf und dem Kühlmittelkreislauf. Die Anordnung zeichnet sich dann dadurch aus, dass auf engem Raum sowohl ein Kältemittelstrom, ein Kühlmittelstrom und ein Luftstrom entlang geführt werden und thermisch miteinander wechselwirken können.
Zweckmäßigerweise wird dann im Betrieb der Anlage über den Wärmetauscher Wärme aus dem Kühlkreislauf an den Luftstrom und/oder an den Verdampfer abgegeben. Eine Ausführungsform sieht vor, dass der Kältemittelkreislauf über den Kältemittelverdampfer den diesen überströmenden Luftstrom kühlt. Der Kältemittelverdampfer ist also in dem Luftstrom angeordnet und nimmt aus diesem Wärme auf. Die abgekühlte Luft kann dann weiter so an dem Wärmetauscher des Kühlkreislaufs vorbei geführt werden, dass ein thermischer Austausch zwischen der abgekühlten Luft und dem Kühlkreislauf ermöglicht wird. Das in dem Kühlkreislauf angeordnete Medium, beispielsweise ein Wasser-Glykol-Gemisch, strömt dabei im erhitzten Zustand in den Wärmetauscher ein. Es hat also Wärme von einer zu kühlenden Komponente aufgenommen. Diese Wärme kann dann an den Luftstrom, der zuvor durch Wechselwirkung mit dem Kältemittelverdampfer abgekühlt worden ist, abgegeben werden. Der Luftstrom kann hierzu vorzugsweise auf eine Temperatur unterhalb der gewünschten Innenraumtemperatur bzw. der zum Einstellen der gewünschten Innenraumtemperatur benötigten Temperatur des Luftstroms eingestellt werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Steuergerät vorhanden, das die einzelnen Wärmeströme regelt und aufeinander abstimmt. Typischerweise kann aus der Temperatur der durch den Kühlkreislauf zu kühlenden Komponente die hierfür benötigte Kühlleistung ermittelt werden. Entsprechend kann die von dem Luftstrom aufzunehmende Wärmeleistung berechnet und die Abkühlung des Luftstroms durch den Kältemittelverdampfer entsprechend eingestellt werden.
Zweckmäßigerweise ist bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform der Wärmetauscher im Luftstrom in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Verdampfer angeordnet. Hierdurch wird es möglich, dass der Wärmetauscher mit Hilfe des zuvor durch den Kältemittelverdampfer abgekühlten Luftstroms gekühlt wird. Es kann ein Bypass vorgesehen sein, der einen Luftstrom sowohl an dem Wärmetauscher als auch an dem Verdampfer vorbeiführt und der es so ermöglicht, unkonditionierte Luft in den Innenraum zu leiten. Es findet dann kein Wärmeaustausch zwischen dem durch den Bypass strömenden Lufstrom und dem Wärmetauscher oder dem Verdampfer statt. Selbstverständlich kann der in den Innenraum strömende Luftstrom auch aufgeteilt werden, so dass er teilweise durch den Bypass strömt und teilweise mit dem Wärmetauscher und/oder mit dem Verdampfer wechselwirkt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Kältemittelkreislauf zumindest einen weiteren Verdampfer aufweist. Es wird so eine flexiblere Anordnung erreicht, die entweder den Fahrzeuginnenraum differenziert und individuell in verschiedene Klimazonen unterschiedlicher Temperatur aufteilen kann, oder es wird möglich, weitere Komponenten zu kühlen.
Entsprechend können drei separat regelbare Klimazonen und bevorzugt vier separat regelbare Klimazonen in dem Fahrzeuginnenraum vorgesehen sein. Dabei können beispielsweise ein erster Verdampfer für zwei vordere Klimazonen und ein zweiter Verdampfer für zwei hintere Klimazonen vorhanden sein. Der Wärmetauscher des Kühlkreislaufs kann dann mit dem ersten Verdampfer oder mit dem zweiten Verdampfer bzw. mit dem am jeweiligen Verdampfer vorbeigeführten Luftstrom wechselwirken.
Die Wärmequelle, die über den Kühlkreislauf gekühlt wird, kann eine Traktionskomponente eines elektrischen Fahrzeugantriebs und insbesondere eine Batterie sein. Weitere Traktionskomponenten können beispielsweise eine Leistungselektronik oder auch ein Elektromotor sein.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind der Verdampfer und der Wärmetauscher in einem Bauteil integriert. Es ergibt sich dann eine besonders kompakte Ausgestaltung. Das neuartige integrierte Bauteil zeichnet sich dadurch aus, dass in einem einzigen Bauteil ein Kältemittelstrom, ein Kühlmittelstrom und ein Luftstrom wechselwirken und Wärme austauschen können. Unter einem Kältemittel wird dabei insbesondere ein Medium verstanden, das in einem Kreislauf umläuft, der zumindest einen Kompressor und einen Verdampfer aufweist. Das Kältemittel führt während des Betriebs der Vorrichtung also Phasenübergänge aus. Unter einem Kühlmittel wird insbesondere ein Medium verstanden, das während des Betriebs keine Phasenübergänge durchführt und Wärme alleine aufgrund seiner Wärmekapazität transportiert.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist das Bauteil dabei auf einen Wärmeaustausch einerseits zwischen dem Kältemittel und dem Luftstrom und andererseits zwischen dem Kältemittel und dem Kühlmittel optimiert. Da der Kältemittelkreislauf als aktiver Kühlkreislauf verwendet werden kann und im Regelfall der einzige Kreislauf sein soll, der Netto-Wärme aufnimmt, kann so vermieden werden, dass Wärme aus dem Kühlkreislauf zunächst an den Luftstrom abgegeben und von diesem dann wiederum an den Kältemittelkreislauf abgegeben wird. Die Anzahl der Wärmeübertragungen wird so reduziert, da jeweils eine direkte Möglichkeit zum Wärmeaustausch zwischen den im Regelfall Wärme abgebenden Strömen, nämlich dem Kühlmittelstrom und dem Luftstrom, und dem Wärme aufnehmenden Strom, nämlich dem Kältemittelstrom, geschaffen wird.
Hierzu ist es von Vorteil, wenn der Wärmetauscher mit dem Verdampfer derart in dem Bauteil integriert ist, dass eine Wärme leitende Verbindung zwischen dem Wärmetauscher und dem Verdampfer besteht. Vorzugsweise ist der Abstand zwischen dem Wärmetauscher und dem Verdampfer klein, um eine effiziente Wärmeleitung zu ermöglichen. Idealerweise grenzen eine Außenseite einer Kältemittel führenden Komponente des Verdampfers und eine Außenseite einer Kühlmittel führenden Komponente des Wärmetauschers aneinander an oder sind durch ein Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit miteinander verbunden. Die Verbindung weist dabei vorzugsweise einen großen Flächenquerschnitt auf, so dass Wärmeaustausch zwischen dem Wärmetauscher und dem Verdampfer bzw. den darin strömenden Medien mit ebenfalls hohem Wirkungsquerschnitt möglich wird.
Hierzu ist es beispielsweise möglich, dass der Verdampfer und der Wärmetauscher miteinander verlötet sind. Im Kontaktbereich können dabei sowohl die Kältemittel führende Leitung des Verdampfers als auch die Kühlmittel führende Leitung des Wärmetauschers schlangenförmig bzw. mäanderförmig oder im Zickzack verlaufen. Mit anderen Worten kann die Länge der genannten Leitung und somit auch die Länge der Interaktionszone durch eine entsprechende Formgebung der Leitungen verlängert sein.
Ein erfindungsgemäßer Verdampfer zeichnet sich entsprechend durch einen integrierten Wärmetauscher für einen Kühlmittelkreislauf mit den oben beschriebenen Eigenschaften aus. Dabei ist vorzugsweise ein Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittelkreislauf und dem Kühlmittelkreislauf über Wärmeleitung möglich.
Der Verdampfer bzw. das integrierte Bauteil kann in einer Weiterbildung darüber hinaus Wärmeleitelemente mit großer Oberfläche, die geeignet für den Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittelkreislauf und einem Luftstrom sind, aufweisen. Solche lamellenartigen Elemente vergrößern die Oberfläche des Bauteils und bieten so die Möglichkeit eines effektiven Wärmetransfers an die vorbei strömende Luft. Die Lamellen sind dabei wiederum vorzugsweise aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise aus einem Metall, hergestellt. Vorzugsweise sind die Lamellen wärmeleitend mit dem Verdampfer verbunden. Um eine Erwärmung der Lamellen durch den Kühlmittelkreislauf zu verhindern können die Lamellen derart an dem integrierten Bauteil angeordnet sein, dass eine Wärmeleitung zwischen dem Wärmetauscher und den Lamellen vermieden oder zumindest weitgehend vermieden wird.
Je nach Einsatzzweck kann es auch vorteilhaft sein, wenn ein Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und dem Luftstrom einfach möglich ist. Das Bauteil ist dann zusätzlich auf einen Wärmeaustausch einerseits zwischen dem Kühlmittel und dem Luftstrom optimiert. Dies kann beispielsweise durch zusätzliche Wärmeleitelemente mit großer Oberfläche, die geeignet für den Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittelkreislauf und einem Luftstrom sind, erreicht werden. Es können auch Wärmeleitelemente derart angeordnet sein, dass sie gleichzeitig im thermischen Kontakt mit dem Kältemittelkreislauf und dem Kühlmittelkreislauf sind und so den jeweiligen Wärmeaustausch ermöglichen. Gleichzeitig verbessern solche Wärmeleitelemente bzw. Lamellen auch den Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und dem Kältemittel.
Innerhalb des Verdampfers kann eine Kältemittelleitung flächig mit einer Kühlmittelleitung verlötet sein. Es ergibt sich dann ein gut wärmeleitender physischer Kontakt zwischen der Kältemittelleitung und der Kühlmittelleitung und somit ein effizienter Wärmetransfer vom Kühlkreislauf zum Kältemittelkreislauf.
Ein mögliches Verfahren zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeuginnenraums kann die folgenden Schritte aufweisen:

a. Austauschen von Wärme zwischen einem in Richtung des Kraftfahrzeuginnenraums strömenden Luftstrom und einem Kältemittelverdampfer, der Teil eines Kältemittelkreislaufs ist, und
b. gleichzeitiges Austauschen von Wärme zwischen einem Wärmetauscher, der Teil eines Kühlmittelkreislaufs ist, und dem Luftstrom, oder zwischen dem Wärmetauscher und dem Kältemittelkompressor, wobei der Wärmeaustausch zwischen dem Wärmetauscher und dem Kältemittelkompressor mittels Wärmeleitung erfolgt.

Besonders geeignet zur Ausführung eines solchen Verfahrens ist eine Vorrichtung zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeuginnenraums der zuvor beschriebenen Art.
Das Verfahren und somit auch die Vorrichtung können auf veschiedene Arten eingesetzt werden. Abhängig von den aktuellen Anforderungen, die sich aus Umgebungstemperatur, gewünschter Innenraumtemperatur und den Temperaturen der einzelnen Aggregate des Kraftfahrzeugs ergeben, können unterschiedliche Betriebszustände der Vorrichtung bzw. Verfahrensschritte eingesetzt werden. Über einer Steuereinheit können die unterschiedlichen Betriebszustände bzw. Verfahrensschritte eingestellt werden. Die Parameter, die dabei von der Steuereinheit gesteuert bzw. geregelt werden, können dabei neben der Kompressorleistung bzw. Kompressordrehzahl sowie einer Regelung des Luftstroms, der in den Fahrzeuginnenraum strömt, insbesondere das Ansteuern eines sogenannten Batteriekreises sowie eines sogenannten HWT-Kreises bestehen.
Unter einem Batteriekreis wird dabei insbesondere ein Kreislauf verstanden, in dem ein Kühlmittel umläuft und ein Aggregat des Kraftfahrzeugs, insbesondere eine Traktionskomponente des Fahrzeugs wie eine Batterie, eine Leistungselektronik oder einen Elektromotor, temperiert. Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Temperierung einer Batterie erläutert. Das Funktionsprinzip lässt sich aber ohne weiteres auf jede andere Art von zu temperierendem Aggregat übertragen. Der Batteriekreis entspricht im Regelfall dem zuvor als Kühlmittelkreislauf bezeichnetem Kreislauf.
Unter einem HWT-Kreis oder Hochtemperatur-Wärmetauscher-Kreis wird dabei insbesondere ein Kreislauf verstanden, in dem ein Kühlmittel umläuft, und der eine Heizvorrichtung sowie einen Kühlmittel-Luft-Wärmetauscher aufweist, um einen in Richtung des Fahrzeuginnenraums strömenden Luftstrom zu temperieren.
Wenn sowohl der Fahrzeuginnenraum als auch die Batterie des Fahrzeugs unterhalb der gewünschten Temperatur liegen, so liegt ein Zustand vor, in dem typischerweise eine Heizungsanforderung sowohl für den Fahrzeuginnenraum als auch für die Batterie vorliegt. In diesem Fall kann die Steuerung veranlassen, dass der Batteriekreis geöffnet wird, um die Batterie mit Wärme zu versorgen. Ebenso wird der HWT-Kreis geöffnet, so dass Wärme, die von der Heizvorrichtung generiert wird, an den Luftstrom abgegeben wird. Da der Batteriekreis mit dem Luftstrom wechselwirkt und direkt oder indirekt Wärme mit diesem austauscht kann der HWT-Kreislauf genutzt werden, um die Batterie zu erwärmen.
In einem typischen Ausführungsbeispiel strömt dabei der Luftstrom zunächst an dem zum Batteriekreis gehörenden Luft-Wärmetauscher vorbei und wird dabei abgekühlt. Die von dem Batteriekreis aufgenommene Wärme kann dann zum Erwärmen der Batterie verwendet werden. Der Luftstrom kann im Umluftbetrieb aus dem Fahrzeuginnenraum oder im Frischluftbetrieb aus der Umgebung stammen. Ein Mischbetrieb zwischen Umluft und Frischluft ist natürlich ebenfalls möglicht. Es kann dabei sinnvoll sein, den Luftstrom, der bereits eine niedrige Temperatur unterhalb der gewünschten Innenraumtemperatur aufweist, noch weiter abzukühlen, da der Luftstrom mit Hilfe des HWT-Kreises in der Folge wieder erwärmt werden kann, so dass dann die gewünschte Temperatur für den in den Innenraum strömenden Luftstrom erreicht wird.
Mit anderen Worten kann das Verfahren derart ausgestaltet sein, dass in Schritt a) der Luftstrom abgekühlt wird, und dass die dabei dem Luftstrom entzogene Wärme mittels des Wärmetauschers eingesetzt wird, um gezielt eine weitere Komponente des Kraftfahrzeugs zu erwärmen.
Es kann hierbei sinnvoll sein, den Kompressor nicht zu aktivieren, da im gesamten System keine Kühlanforderung, sondern lediglich Heizungsanforderungen vorliegen. Ein solcher Betriebszustand kann zusätzlich zum Start des Fahrzeugs auch vorliegen, wenn die Außentemperatur so niedrig ist, dass kontinuierlich sowohl der Fahrzeuginnenraum als auch die Batterie geheizt werden müssen. Wenn der Innenraum bereits die gewünschte Temperatur aufweist, die Batterie aber noch erwärmt werden soll, kann hierfür weiterhin Wärme aus dem HWT-Kreis verwendet werden, ohne dass der Klimakompressor aktiviert wird. Hierdurch kann eine signifikante Energieeinsparung realisiert werden.
In einer weiteren Betriebsphase bzw. in einem weiteren Betriebszustand kann es vorkommen, dass die Batterietemperatur über einem Minimalwert, der eine untere Grenze des zum Betrieb der Batterie optimalen Temperaturbereichs beschreibt und beispielsweise bei 5° C liegen kann, liegt, die Temperatur der Luft im Fahrzeuginnenraum aber weiterhin unterhalb der gewünschten Temperatur liegt. In diesem Fall liegt für die Batterie weder eine Heizanforderung noch eine Kühlanforderung vor. Mit anderen Worten ist die Batterie aktuell konditioniert. Es kann dann der Batteriekreis geschlossen werden. Mit anderen Worten kann also die Batterie von dem restlichen Kreislauf abgekoppelt werden, so dass diese weder Wärme aus anderen Quellen aufnimmt, noch Wärme an andere Elemente abgibt.
Im Regelfall erwärmt sich die Batterie während der Fahrt weiter. Es kann ein Temperaturbereich existieren, der gut zum Betrieb der Batterie geeignet ist. Ein solcher Betriebstemperaturbereich kann beispielsweise zwischen 5° C und 30° C liegen. Innerhalb dieses Bereichs kann die Batterie und der angeschlossene Batteriekreis als Wärmereservoir oder auch als Kältereservoir genutzt werden. Hat sich beispielsweise während der Fahrt die Batterie auf eine Temperatur deutlich über der unteren Grenze des Betriebstemperaturbereichs erwärmt, beispielsweise auf 25° C, so kann der Batteriekreis geöffnet und der HTW-Kreis geschlossen werden. Es wird dann Wärme aus der Batterie genutzt, um den in den Fahrzeuginnenraum strömenden Luftstrom zu erwärmen. Aufgrund der typischerweise hohen Wärmekapazität der Batterie kann hier ein signifikanter Vorteil gegenüber herkömmlichen Betriebszuständen, bei denen die Batterie aktiv gekühlt wird und der Innenraum gleichzeitig aktiv beheizt wird, erzielt werden. Umgekehrt kann insbesondere in einer Startphase des Fahrzeugs der Batteriekreis und die Wärmekapazität der Batterie als Wärmesenke genutzt werden, um die Innenraumluft zu entfeuchten. Eine solche Entfeuchtung ist oftmals besonders bei kalten Umgebungstemperaturen zu Beginn einer Fahrt notwendig, um einen Feuchtigkeitsniederschlag an den Scheiben zu verhindern. Auch hier kann zunächst auf das energieaufwendige Betreiben des Kältemittelkompressors verzichtet werden.
Gleichzeitig zum Entfeuchten der Innenraumluft wird dann die Batterie erwärmt, so dass sie schneller in den optimalen Betriebstemperaturbereich gelangt.
Bei hohen Außentemperaturen, insbesondere wenn das Fahrzeug intensiver Sonneneinstrahlung ausgesetzt war, kann der umgekehrte Fall auftreten, dass bei Betriebsbeginn sowohl der Fahrzeuginnenraum als auch die Batterie gekühlt werden müssen. In diesem Fall ist es sinnvoll, den HWT-Kreis zu schließen, den Batteriekreis zu öffnen und den Klimakompressor zu aktivieren, um für eine ausreichende aktive Kühlleistung zu sorgen. Die Abwärme sowohl der Batterie als auch des Innenraums werden über das Kältemittel des Kältemittelkreislaufs aufgenommen und schlussendlich an die Fahrzeugumgebung abgegeben.
Wenn die Batterietemperatur nun innerhalb des Betriebstemperaturbereichs liegt kann der Batteriekreis ebenfalls geschlossen werden. Es liegt dann eine Situation vor, die einer herkömmlichen Klimaanlage vergleichbar ist, in der mittels des Kältemittels und des Klimakompressors Wärme aus dem Fahrzeuginnenraum abgeführt wird.
Beispielsweise, wenn die Außentemperatur in etwa den Wert der gewünschten Innenraumtemperatur aufweist kann der Fall eintreten, dass die Innenraumluft nach relativ kurzer Zeit konditioniert ist und die gewünschte Temperatur angenommen hat. Wenn nun gleichzeitig eine Kühlungsanforderung für die Batterie vorliegt kann der Batteriekreis geöffnet und gleichzeitig der Kältemittelkompressor deaktiviert werden. Es wird dann die konditionierte Innenraumluft, vorwiegend in einem Umluftbetrieb, zur Kühlung der Batterie verwendet. Wenn die Innenraumluft aufgrund der Wärmezufuhr aus dem Batteriekreis sich nun auf eine Temperatur oberhalb der gewünschten Innenraumtemperatur erwärmt, so kann entweder durch Erhöhung des Frischluftanteils am in den Innenraum geleiteten Luftstrom ein Teil der überschüssigen Wärme an die Umgebung abgeführt werden, oder es können andere bekannte Maßnahmen zur Kühlung ergriffen werden. Beispielsweise kann der Klimakompressor aktiviert und zur Kühlung genutzt werden.
Eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Klimatisierungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, wobei die Klimatisierungsvorrichtung einen Kältemittelkreislauf mit einem Kältemittelkompressor und einem Kältemittelverdampfer sowie einen Kühlmittelkreislauf, der ausgestaltet ist, um ein Aggregat des Kraftfahrzeugs zu temperieren, aufweist, kann derart ausgestaltet sein, dass in einer Startbetriebsphase Wärme aus einem Innenraum des Kraftfahrzeugs verwendet wird, um das Aggregat zu erwärmen. Auch in dieser Ausgestaltung kann das Aggregat erwärmt und gleichzeitig die Luft im Fahrzeuginnenraum abgekühlt werden, ohne, dass ein Klimakompressor aktiviert wird.
Der Kühlmittelkreislauf kann dabei über ein Thermostatventil gesteuert werden und vorgesehen sein, um beispielsweise einen Verbrennungsmotor zu kühlen oder zu heizen. Die entsprechende Vorrichtung kann einen Mehrphasen-Mehrwege-Wärmetauscher aufweisen, in dem ein Kältemittelverdampfer, der Teil des Kältemittelkreislaufs ist und auch als Kältemittel-Luft-Wärmetauscher fungiert, und ein Luft-Wärmetauscher, der Teil des Kühlmittelkreislaufs ist, vereint sind. Dieser Mehrphasen-Mehrwege-Wärmetauscher kann vorzugsweise so ausgestaltet sein, dass sowohl das Kältemittel als auch das Kühlmittel Wärme mit der Luft austauschen können, wobei gleichzeitig auch ein Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und dem Kühlmittel möglich ist.
Wenn sowohl für den Innenraum als auch für das Aggregat, beispielsweise also für den Verbrennungsmotor, eine Kühlanforderung vorliegt, so kann der Klimakompressor aktiviert und das Thermostatventil geöffnet sein, um eine Kühlung zu ermöglichen. Gleichzeitig kann eine so genannte Jalousie, die ein Luftverbindung zur Umgebung des Kraftfahrzeugs verschließen kann, geöffnet sein, so dass die Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann.
Wenn ein Betriebszustand eine Kühlung des Innenraums vorsieht, das Aggregat aber noch nicht seine ideale Betriebstemperatur erreicht hat, kann das Thermostatventil geöffnet sein, die Jalousie hingegen kann geschlossen sein. Es ist so möglich, die Wärme, die dem Fahrzeuginnenraum entzogen wird, für die Erwärmung des Aggregats zu verwenden. Die geschlossene Jalousie verhindert in diesem Fall, dass die dem Innenraum entzogene Wärme aus dem Fahrzeug heraus transportiert wird. Die ideale Betriebstemperatur hängt dabei von der Art des Aggregats ab. Für einen Verbrennungsmotor kann diese beispielsweise bei 90 °C, für eine Brennstoffzelle bei 60 °C und für eine Batterie bei 25 °C liegen.
Wenn ein Betriebszustand es vorsieht, dass sowohl der Fahrzeuginnenraum als auch das Aggregat geheizt werden sollen, so kann das Thermostatventil geschlossen werden. Das Aggregat wird dann ausschließlich durch die bei seinem Betrieb anfallende Abwärme erwärmt. Gleichzeitig kann die Jalousie geöffnet sein, um ggf. über einen Wärmepumpenmodus Wärme aus der Außenluft aufzunehmen zu können. Natürlich kann auch eine in das Fahrzeug integrierte Zusatzheizung aktiviert werden.
Wenn der Fahrzeuginnenraum geheizt werden soll und gleichzeitig das Aggregat gekühlt werden soll, so kann das Thermostatventil geöffnet werden. Es wird dann die Abwärme des Aggregats direkt verwendet, um den in den Innenraum strömenden Luftstrom zu erwärmen. Ein solcher Betriebszustand kann insbesondere bei einer längeren Fahrt bei niedrigen Außentemperaturen auftreten. Die Jalousie kann abhängig von der Größe des von dem Aggregat erzeugten Wärmeüberschuss geschlossen oder geöffnet sein. Wenn die von dem Aggregat gelieferte Wärmemenge ausreicht oder mehr als ausreicht, um die Innenraumluft zu temperieren, so kann der Wärmeüberschuss so an die Fahrzeugumgebung abgegeben werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung eines erstes Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2: eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3: eine schematische Darstellung eines erstes Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verdampfers, und
4: einen Schnitt durch die Darstellung aus 3.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. eines erfindungsgemäßen Klimageräts 2. Dabei ist der an sich bekannte Kältemittelkreislauf 5 mit dem Kältemittelkompressor 4 nur teilweise im Interaktionsbereich mit den weiteren Komponenten des Klimaheizgeräts 10 dargestellt. Aus der Fahrzeugumgebung oder aus dem Fahrzeuginnenraum angesaugte Luft 6 wird mittels eines Lüfters 8 in das Klimaheizgerät 10 transportiert und gelangt dort in den Wechselwirkungsbereich mit dem Mehrphasen-Mehrwege-Wärmetauscher 12. Dieser wird sowohl von dem in dem Kältemittelkreislauf 5 umlaufenden Kältemittel als auch von dem in dem Kühlmittelkreislauf 14 umlaufenden Kühlmittel durchströmt. Es handelt sich bei dem Mehrphasen-Mehrwege-Wärmetauscher 12 also um ein integriertes Bauteil, dass die Funktionen eines klassischen Verdampfers und eines klassischen Wärmetauschers in sich vereint.
Der Mehrphasen-Mehrwege-Wärmetauscher 12 nimmt dabei Wärme aus dem Luftstrom 6 und aus dem Kühlmittelkreislauf 14 auf und gibt sie an den Kältemittelkreislauf 5 ab. Das derart abgekühlte Kühlmittel wird dann interhalb des Kühlmittelkreislaufs 14 durch die Pumpe 16 zu der zu kühlenden Komponente, die im dargestellten Beispiel eine HV-Batterie 18 ist, transportiert und nimmt dort von der zu kühlenden Komponente 18 Wärme auf. Das so erwärmte Kühlmittel fließt dann durch den Kühlmittelkreislauf 14 zu dem Mehrphasen-Mehrwege-Wärmetauscher 12, wo es wiederum abgekühlt wird.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein weiterer Kreislauf, nämlich ein so genannter Hochtemperaturkreislauf 20, vorhanden. Dieser ist optional, für das dargestellte Beispiel einer Realisierung einer Mehrzonen-Klimaautomatik bei gleichzeitiger Batteriekühlung mit nur einem Kompressor aber vorteilhaft. In dem Hochtemperaturkreislauf 20 ist eine Heizung 26 angeordnet, die ein in dem Hochtemperaturkreislauf umlaufendes Medium erwärmt. Die Art des Mediums kann dabei vorteilhafterweise identisch zu dem im Kühlkreislauf umlaufenden Kühlmedium sein. Es kann sich beispielsweise in beiden Fällen um ein Wasser-Glykol-Gemisch handeln.
Ein Teil der in dem Mehrphasen-Mehrwege-Wärmetauscher 12 abgekühlten Luft 30 wird an einem Wärmetauscher 22 vorbeigeleitet und von diesem erwärmt. Ein anderer Teil der abgekühlten Luft 30 strömt ohne Interaktion mit dem Wärmetauscher 22 zu einem Klappensystem 28, mit Hilfe dessen sich einstellen lässt, wie groß der Anteil an von dem Wärmetauscher 22 erwärmter Luft 32 und an abgekühlter Luft 30 ist, der in den jeweils rechten oder linken Teil des Fahrzeuginnenraums 50 gelangt. Es lässt sich so für die rechte Seite und für die linke Seite des Fahrzeuginnenraums 50 die Temperatur separat einstellen. Über einen 3-Wege-Mischer 24 kann zusätzlich ein Austausch zwischen dem Kühlmittelkreislauf 14 und dem Hochtemperaturkreislauf 24 vermittelt werden, so dass auch die Abwärme beispielsweise der Batterie 18 genutzt werden kann, um über den Wärmetauscher 22 Teile der abgekühlten Luft 30 wieder zu erwärmen.
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. eines erfindungsgemäßen Klimageräts 2. Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch, dass anstelle des Mehrphasen-Mehrwege-Wärmetauschers nun zwei einzelne Komponenten, nämlich der Verdampfer 34 und der Wärmetauscher 36, vorhanden sind. Der Verdampfer 34 ist dabei Teil des Kältemittelkreislaufs 4 und der Wärmetauscher 36 ist Teil des Kühlmittelkreislaufs 14. Der Verdampfer 34 temperiert die einströmende Luft 6, die also abgekühlt wird. Der Wärmetauscher 36 erwärmt weiter stromabwärts im Luftstrom einen Teil der Luft, wobei die Abwärme der Batterie 18 an die Luft abgegeben wird. Der Wärmetauscher 36 ist dabei in unmittelbarer Nähe des Verdampfers 34 angeordnet und interagiert mit dem gleichen Luftstrom 6 wie der Verdampfer 34.
3 zeigt eine schematische Ansicht der Funktionsweise eines erfindungsgemäßen Mehrphasen-Mehrwege-Wärmetauschers 12. Dieser weist dabei eine Kühlmittelleitung 38 sowie eine Kältemittelleitung 40 auf, die parallel zueinander verlaufen und mit einander in großflächigem Kontakt stehen, um einen Wärmeaustausch über Wärmeleitung zu ermöglichen. Um hierbei einen nochmals vergrößerten Wirkungsquerschnitt zu erzielen verlaufen beide Leitungen 38, 40 mäanderförmig bzw. schlangenförmig. Um mit einem senkrecht zur Bildebene strömenden Luftstrom zu wechselwirken sind eine Verrippung bzw. Lamellen 42 vorhanden, die einerseits eine große Oberfläche zum Wechselwirken mit dem Luftstrom aufweisen und andererseits wärmeleitend mit der Kühlmittelleitung 38 und/oder mit der Kältemittelleitung 40 verbunden sind. Die Lamellen 42 können dabei aus Metall, beispielsweise aus Aluminium, hergestellt sein.
4 zeigt das Ausführungsbeispiel aus 3 in einem Querschnitt. Die Kühlmittelleitung 38 und die Kältemittelleitung 40 liegen flächig aneinander an und sind aneinander gelötet, weswegen zwischen den beiden Leitungen 38, 40 eine Lotschicht 44 erkennbar ist. Die Lamellen 42 stehen mit der Kältemittelleitung 38 in wärmeleitendem Kontakt und werden von der Luft 46 angeströmt, so dass es auch hier zu einer Wärmeübertragung kommt. Es sind somit Wärmeflüsse 48 aus dem Kühlmittel 38 in das Kältemittel 40 sowie von den Lamellen 42 zum Kältemittel 40 hin vorhanden. Die Lamellen 42 sind so ausgeformt, dass sie keinen direkten Kontakt zu der Kühlmittelleitung 38 haben, so dass kein direkter Wärmeaustausch zwischen der Kühlmittelleitung 38 und dem Luftstrom entsteht. Die Ausblastemperatur des Luftstroms lässt sich auf diese Weise besonders gut kontrollieren.
Bezugszeichenliste

2: Klimagerät
4: Kältemittelkompressor
5: Kältemittelkreislauf
6: Luft
8: Lüfter
10: Klimaheizgerät
12: Mehrphasen-Mehrwege-Wärmetauscher
14: Kühlmittelkreislauf
16: Pumpe
18: HV-Batterie
20: Hochtemperaturkreislauf
22: Wärmetauscher
24: 3-Wege-Mischer
26: Heizung
28: Klappensystem
30: Luft
32: Luft
34: Verdampfer
36: Wärmetauscher
38: Kühlmittelleitung
40: Kältemittelleitung
42: Lamellen
44: Lot
46: Luft
48: Wärmefluss
50: Fahrzeuginnenraum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016117075 A1 [0006]
DE 102017101218 A1 [0007]

Claims

Vorrichtung (2) zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeuginnenraums (50), mit einem Kältemittelkreislauf (5), der einen Kältemittelkompressor (4) und einen Kältemittelverdampfer (12, 34) aufweist, wobei der Kältemittelverdampfer (12, 34) Wärme aus einem zum Fahrzeuginnenraum hin gerichteten Luftstrom (6, 32) aufnehmen kann, und mit einem Kühlmittelkreislauf (14), der thermisch mit einer Wärmequelle (18) gekoppelt ist und einen Wärmetauscher (22) zum Abgeben der aufgenommenen Wärme aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (22) in dem Luftstrom (6, 32) angeordnet ist.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über den Wärmetauscher (22) Wärme aus dem Kühlkreislauf (14) an den Luftstrom (6, 32) und/oder an den Kältemittelverdampfer (12, 34) abgegeben werden kann.
Vorrichtung nach (2) einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (22) im Luftstrom (6, 32) in Strömungsrichtung gesehen hinter dem Kältemittelverdampfer (34) angeordnet ist.
Vorrichtung (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelverdampfer (34) und der Wärmetauscher (38) in einem Bauteil (12) integriert sind.
Vorrichtung (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher mit dem Verdampfer derart in dem Bauteil (12) integriert ist, dass eine Wärme leitende Verbindung zwischen dem Wärmetauscher (38) und dem Kältemittelverdampfer (40) besteht.
Verdampfer (12) für einen Kältemittelkreislauf (5), gekennzeichnet durch einen integrierten Wärmetauscher (38) für einen Kühlmittelkreislauf (14).
Verdampfer (12) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeaustausch (48) zwischen dem Kältemittelkreislauf (40) und dem Kühlmittelkreislauf (38) über Wärmeleitung möglich ist.
Verfahren zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeuginnenraums, mit den Schritten: a. Austauschen von Wärme (48) zwischen einem in Richtung des Kraftfahrzeuginnenraums strömenden Luftstrom (6, 32) und einem Kältemittelverdampfer (12, 34), der Teil eines Kältemittelkreislaufs (5) ist, und b. gleichzeitiges Austauschen von Wärme (48) zwischen einem Wärmetauscher (12, 36), der Teil eines Kühlmittelkreislaufs ist (20), und dem Luftstrom (6, 46), oder zwischen dem Wärmetauscher (12, 36) und dem Kältemittelverdampfer (12, 34), wobei der Wärmeaustausch zwischen dem Wärmetauscher (12, 36) und dem Kältemittelverdampfer (12, 34) mittels Wärmeleitung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) der Luftstrom (6, 46) abgekühlt wird, und dass die dabei dem Luftstrom (6, 46) entzogene Wärme (48) mittels des Wärmetauschers (12, 36) eingesetzt wird, um gezielt eine weitere Komponente des Kraftfahrzeugs zu erwärmen.
Verfahren zum Betreiben einer Klimatisierungsvorrichtung (2) für ein Kraftfahrzeug, wobei die Klimatisierungsvorrichtung (2) einen Kältemittelkreislauf (5) mit einem Kältemittelkompressor (4) und einem Kältemittelverdampfer (12, 34) sowie einen Kühlmittelkreislauf (20), der ausgestaltet ist, um ein Aggregat des Kraftfahrzeugs zu temperieren, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Startbetriebsphase Wärme (48) aus einem Innenraum des Kraftfahrzeugs verwendet wird, um das Aggregat zu erwärmen.