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Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager eines Kältemittelkreislaufes einer Fahrzeugklimaanlage, bei welcher der Kältemittelkreislauf für einen Betrieb sowohl im Kälteanlagenmodus als auch für einen Wärmepumpenmodus ausgebildet ist.
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Bei einem Betrieb eines Kältemittelkreislaufes im Luftwärmepumpenmodus wird der für den Kälteanlagenmodus betriebene Wärmeübertrager als Wärmepumpenverdampfer eingesetzt. In der Regel weisen Luftwärmepumpensysteme Niederdruck-Kältemittelsammler auf, die auf der Saugseite des Kältemittelverdichters eines Kältemittelkreislaufs angeordnet sind. Das in einen solchen Niederdruck-Kältemittelsammler (auch Akkumulator genannt), eintretende Kältemittel enthält neben der gasförmigen auch eine flüssige Phase. Der Niederdruck-Kältemittelsammler weist eine Phasentrenner-Funktion auf, so dass am niederdruckseitigen Verdichtereintritt ein definierter zweiphasiger Kältemittelzustand anliegt. Sind dem Kältemittelspeicher und dem Verdichter weitere Komponenten, wie bspw. ein interner Wärmeübertrager, dazwischengeschaltet, liegt am Eintritt des Verdichters in der Regel ausschließlich gasförmiges Kältemittel vor. Diese Funktion wird im folgenden Akkumulator-Prinzip genannt.
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Ferner sind nach dem Stand der Technik als Kondensatoren eingesetzte Wärmeübertrager mit einem Unterkühlungsabschnitt und einem integrierten Hochdruck-Kältemittelsammler ausgeführt. Im Kälteanlagenmodus wird das in dem Hochdruck-Kältemittelsammler abgeschiedene flüssige Kältemittel anschließend durch den Unterkühlungsabschnitt geleitet. Wird auch im Luftwärmepumpenmodus der Unterkühlungsabschnitt mit Kältemittel durchströmt, werden aufgrund der erheblich größeren Dichte des expandierten Kältemittels hohe Druckverluste erzeugt, die die Effizienz des Wärmepumpensystems negativ beeinflussen.
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Zur Lösung dieses Problems schlägt die
DE 10 2014 112 343 A1 einen Wärmeübertrager für einen Kältemittelkreislauf einer Fahrzeugklimaanlage vor, bei welcher der Kältemittelkreislauf sowohl in einem Kälteanlagenmodus als auch in einem Wärmepumpenmodus betreibbar ist. Dieser bekannte Wärmeübertrager weist einen Kondensationsbereich, einen Unterkühlungsabschnitt und einen Hochdruck-Kältemittelsammler auf, wobei der Kondensationsbereich zweiflutig und der Unterkühlungsabschnitt einflutig mittels in jeweils zwei Sammelrohren angeordneten Trennelementen ausgebildet ist, wobei die Kältemittelanschlüsse an den Sammelrohren auf gegenüberliegenden Seiten des Wärmeübertragers angeordnet sind. Im Kälteanlagenmodus wird das Kältemittel aus dem Kondensationsbereich über den Hochdruck-Kältemittelsammler in den Unterkühlungsabschnitt geleitet und von dort aus dem Wärmeübertrager abgeführt. Im Luftwärmepumpenmodus wird das aus dem Kondensationsbereich abgeführte Kältemittel nicht in den Hochdruck-Kältemittelsammler geführt, sondern bereits vor dem Hochdruck-Kältemittelsammler über eine den Unterkühlungsabschnitt umgehende Bypassleitung, einem Kältemittelanschluss des Unterkühlungsabschnittes, zugeführt.
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Die
DE 11 2012 003 649 T5 beschreibt einen Wärmeübertrager eines Kältemittelkreislaufes einer Fahrzeugklimaanlage, bei welcher der Kältemittelkreislauf sowohl in einem Kälteanlagenmodus als auch in einem Wärmepumpenmodus betreibbar ist. Dieser Wärmeübertrager besteht aus einem einflutigen Kondensationsbereich und einem einflutigen Unterkühlungsabschnitt, wobei im Kälteanlagenmodus das Kältemittel zuerst durch den Kondensationsbereich und anschließend durch den Unterkühlungsabschnitt geführt wird, während im Wärmepumpenmodus nur der Kondensationsbereich durchströmt wird. In dem zugehörigen Kältemittelkreislauf ist ein Niederdruck-Kältemittelsammler stromaufwärts eines Kältemittelverdichters angeordnet.
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Schließlich ist aus der
DE 10 2019 200 846 A1 ein Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager eines Kältemittelkreislaufes einer Fahrzeugklimaanlage bekannt. Dieser Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager ist zweiflutig sowohl für einen Kälteanlagen-Betrieb als auch für einen Wärmepumpen-Betrieb ausgeführt. Zur Anpassung an den jeweils benötigten Kältemittelbedarf wird dieser Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager entweder einflutig oder zweiflutig mit Kältemittel durchströmt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Wärmeübertrager eines Kältemittelkreislaufes einer für den Betrieb sowohl im Kälteanlagenmodus als auch im Wärmepumpenmodus, insbesondere im Luftwärmepumpenmodus ausgebildeten Fahrzeugklimaanlage anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Ein solcher Wärmeübertrager eines Kältemittelkreislaufes einer für den Betrieb sowohl im Kälteanlagenmodus als auch im mittels eines Wärmepumpen-expansionsorgans durchführbaren Wärmepumpenmodus ausgebildeten Fahrzeugklimaanlage umfasst folgende Komponenten:
- - einen Kondensationsbereich mit wenigstens einer Flut und einem ersten Kältemittelanschluss,
- - einen Unterkühlungsabschnitt mit wenigstens einer Flut und mit einem zweiten Kältemittelanschluss, und
- - einen Hochdruck-Kältemittelsammler, welcher
- - zur Durchführung des Kälteanlagenmodus einerseits eine Eingangsfluidverbindung zur Realisierung einer gerichteten Kältemittelströmung aus dem Kondensationsbereich in den Hochdruck-Kältemittelsammler und andererseits eine erste Ausgangsfluidverbindung zum Unterkühlungsabschnitt aufweist, wobei das Kältemittel über den ersten Kältemittelanschluss dem Kondensationsbereich zuführbar ist, aus dem Kondensationsbereich über die Eingangsfluidverbindung in den Hochdruck-Kältemittelsammler zuführbar ist, aus dem Hochdruck-Kältemittelsammler über die erste Ausgangsfluidverbindung in den Unterkühlungsabschnitt zuführbar ist und über den zweiten Kältemittelanschluss aus dem Unterkühlungsabschnitt abführbar ist, und
- - zur Durchführung des Wärmepumpenmodus wenigstens eine zweite Ausgangsfluidverbindung zur Realisierung einer gerichteten Kältemittelströmung aus dem Kondensationsbereich in den Hochdruck-Kältemittelsammler aufweist, wobei das mittels des Wärmepumpenexpansionsorgans auf einen Niederdruck entspannte Kältemittel über den ersten Kältemittelanschlusses dem Kondensationsbereich zuführbar ist, aus dem Kondensationsbereich über die Eingangsfluidverbindung in den Hochdruck-Kältemittelsammler zuführbar ist und über die zweite Ausgangsfluidverbindung aus dem Hochdruck-Kältemittelsammler abführbar ist.
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Bei diesem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager wird im Wärmepumpenmodus, vorzugsweise im Luftwärmepumpenmodus das mittels des Wärmepumpenexpansionsorgans auf Niederdruck entspannte Kältemittel in den Kondensationsbereich und anschließend in den Hochdruck-Kältemittelsammler geführt. Da das in den Hochdruck-Kältemittelsammler einströmende Kältemittel auf Niederdruck entspannt ist, arbeitet der Hochdruck-Kältemittelsammler als Niederdruck-Kältemittelsammler, also nach dem eingangs beschriebenen Akkumulator-Prinzip, d. h. der Hochdruck-Kältemittelsammler führt eine Phasentrenner-Funktion aus, so dass am Eintritt eines der zweiten Ausgangsfluidverbindung nachgeschalteten Kältemittelverdichters unter Berücksichtigung der beigemischten Flüssigkeitsphase nahezu gasförmiges Kältemittel anliegt.
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Ist der Hochdruck-Kältemittelsammler in einem Fahrzeug angeordnet, so ist in Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) gesehen die zweite Ausgangsfluidverbindung im obersten Bereich des Hochdruck-Kältemittelsammlers angeordnet. Dies stellt sicher, dass reine Gasphase den Hochdruck-Kältemittelsammler in Richtung eines Kältemittelverdichters des Kältemittelkreislaufs verlässt, wohingegen sich die Flüssigkeitsanteile am Fuße des Speichervolumens anreichern. Zur Verbesserung einer Trennfunktion sind daher Prall- bzw. Abscheidemaßnahmen im Bedarfsfall bauseitig zu ergänzen, die verhindern, dass über die Verbindung der Eingangsfluidverbindung hin zur zweiten Ausgangsfluidverbindung direkt Flüssigkeitsanteile den Hochdruck-Kältemittelsammler verlassen.
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Wird der erfindungsgemäße Wärmeübertrager im Kälteanlagenmodus betrieben, bleibt die Unterkühlungs-Einstellbarkeit erhalten und somit ist auch der Effizienzvorteil bezüglich des Unterkühlungsabschnittes im Kälteanlagenmodus gewährleistet.
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Ein solcher Wärmeübertrager weist gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Eigenschaften auf, da dieser sowohl für einen effizienten AC-Betrieb und gleichzeitig für einen Wärmepumpenbetrieb eingesetzt werden kann und durch geringfüge konstruktive Anpassungen die Funktionalität des Bauteils gesteigert wird.
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Nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Hochdruck-Kältemittelsammler eine dritte Ausgangsfluidverbindung auf, welche bezüglich der Einbaulage des Hochdruck-Kältemittelsammlers in Fahrzeughochrichtung im niedrigsten Bereich des Hochdruck-Kältemittel-sammlers angeordnet ist. Hierbei ist diese dritte Ausgangsfluidverbindung außerhalb des Hochdruck-Kältemittelsammlers mit der zweiten Ausgangsfluidverbindung verbunden.
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Mit dieser dritten Ausgangsfluidverbindung wird das im niedrigsten Bereich des Hochdruck-Kältemittelsammlers sich ansammelnde Kältemittel-Öl-Gemisch abgesaugt und wieder dem Kältemittelkreislauf zugeführt, um sicherzustellen, dass eine kontinuierliche Schmiermittelrückführung zum Kältemittelverdichter des Kältemittelkreislaufs gewährleistet ist, um auf diese Weise Bauteilschädigungen aufgrund Mangelschmierung zu vermeiden. Für diese abgesaugte Flüssigkeit kann für die entsprechende Fluidleitung ein kleiner Leitungsquerschnitt eingesetzt werden. Eine alternative Möglichkeit besteht darin, das Kältemittel-ÖI-Gemisch mittels einer Kapillarleitung aus dem Hochdruck-Kältemittelsammler abzuführen.
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Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass anstelle der dritten Ausgangsfluidverbindung der Hochdruck-Kältemittelsammler ein U-Rohr mit einer Schnüffelbohrung aufweist, welches mit einem Ende mit der zweiten Ausgangsfluidverbindung verbunden ist, wobei die Schnüffelbohrung bezüglich der Einbaulage des Hochdruck-Kältemittelsammlers in Fahrzeughochrichtung im niedrigsten Bereich des U-Rohres angeordnet ist. Mit einem solchen U-Rohr mit einer Schnüffelbohrung am tiefsten Punkt wird die Funktion der dritten Ausgangsfluidverbindung erfüllt. Der innere Aufbau dieses Hochdruck-Kältemittelsammlers ähnelt damit dem eines reinen Niederdruck-Kältemittelsammlers. Der Eintritt in das U-Rohr liegt mit am höchsten Punkt des Hochdruck-Kältemittelsammlers und ist direkt mit der zweiten Ausgangsfluidverbindung gekoppelt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Wärmeübertrager weitere folgende Komponenten umfasst:
- - ein erstes und zweites Sammelrohr mit jeweils mindestens einem Trennelement zur Unterteilung des Sammelrohrs in wenigstens zwei voneinander unabhängige Teilbereiche, derart dass der Kondensationsbereich zumindest einflutig und der Unterkühlungsabschnitt mindestens einflutig durchströmbar ist, wobei
- - der erste Kältemittelanschluss an dem den Strömungspfad des Kondensationsbereichs definierenden Teilbereich des ersten Sammelrohres angeordnet ist, und
- - der zweite Kältemittelanschluss an dem den Strömungspfad des Unterkühlungsabschnittes definierenden Teilbereich des ersten oder zweiten Sammelrohres angeordnet ist.
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Dies stellt einen standardmäßigen Aufbau des Wärmeübertragers dar, so dass kostengünstig marktübliche Komponenten einsetzbar und Gleichteilstrategien über eine breite Produktpalette umsetzbar sind.
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Nach einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Hochdruck-Kältemittelsammler mittels der Eingangsfluidverbindung mit dem den Strömungspfad des Kondensationsbereichs definierenden Teilbereich des ersten Sammelrohres oder mit dem den Strömungspfad des Kondensationsbereichs definierenden Teilbereich des zweiten Sammelrohres verbunden. Damit kann ein handelsüblicher Wärmeübertrager eingesetzt werden.
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Weiterbildungsgemäß ist die zweite Ausgangsfluidverbindung des Hochdruck-Kältemittelsammlers mittels eines Adapters verschließbar. Falls eine dritte Ausgangsfluidverbindung des Hochdruck-Kältemittelsammlers vorgesehen ist, ist auch diese mittels eines Adapters verschließbar. Damit ist es in einfacher Weise möglich, entsprechend einem Baukastenprinzip den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager in einfacher Weise für den ausschließlichen Betrieb im Kälteanlagenmodus abzurüsten.
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Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager kann als kompakte Baugruppe aufgebaut werden, indem der Kondensationsbereich, der Unterkühlungsabschnitt und der Hochdruck-Kältemittelsammler mechanisch zu Bildung eines SC (Subcool)-Kondensators verbunden werden. Ferner ist es natürlich auch möglich, die Komponenten des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers, also den Kondensationsbereich zusammen mit dem Unterkühlungsabschnitt als Komponente, sowie den Hochdruck-Kältemittelsammler über entsprechende Fluidleitungen zu verbinden.
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Nach einer letzten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Unterkühlungsabschnitt in Fahrzeughochrichtung gesehen entweder unterhalb oder oberhalb des Kondensationsbereichs des in einem fahrzeugmontierten Wärmeübertragers angeordnet.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers,
- 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers in einer Teildarstellung,
- 3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers in einer Teildarstellung,
- 4 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers,
- 5 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers, und
- 6 ein Schaltbild eines Kältemittelkreislaufes einer Fahrzeugklimaanlage mit einem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager gemäß den 1 bis 5.
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Der Wärmeübertrager 3 gemäß 1 ist ein Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager für einen Kältemittelkreislauf einer Fahrzeugklimaanlage, wobei dieser Kältemittelkreislauf sowohl für einen Kälteanlagenbetrieb als auch für einen Wärmepumpenbetrieb, insbesondere für einen Luft-Wärmepumpenbetrieb ausgebildet ist. Im Kälteanlagenbetrieb, kurz AC-Betrieb genannt, arbeitet der Wärmeübertrager 3 als Kondensator oder Gaskühler, während im Wärmepumpenbetrieb der Wärmeübertrager 3 die Funktion eines Verdampfers übernimmt.
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Der Wärmeübertrager 3 gemäß 1 weist zwischen einem ersten Sammelrohr 3.7 und einem zweiten Sammelrohr 3.8 einen Kondensationsbereich 3.1 und einen Unterkühlungsabschnitt 3.2 auf. Mehrere Wärmeübertragerrohre (in 1 nicht dargestellt) zwischen dem ersten Sammelrohr 3.7 und dem zweiten Sammelrohr 3.8 sind derart angeordnet, dass ein Ende eines Wärmeübertragerrohrs mit dem ersten Sammelrohr 3.7 und das andere Ende mit dem zweiten Sammelrohr 3.8 verbunden ist. Ein Trennelement 3.70 im ersten Sammelrohr 3.7 und ein Trennelement 3.80 im zweiten Sammelrohr 3.8 sind auf gleicher Höhe derart angeordnet, dass das erste Sammelrohr 3.7 bezogen auf die Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) im in ein Fahrzeug eingebauten Zustand in einen oberen Teilbereich 3.71 und einen unteren Teilbereich 3.72 geteilt wird. In entsprechender Weise wird auch das zweite Sammelrohr 3.8 durch das Trennelement 3.80 in einen oberen Teilbereich 3.81 und einen unteren Teilbereich 3.82 geteilt.
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Die beiden oberen Teilbereiche 3.71 und 3.81 der beiden Sammelrohre 3.7 und 3.8 bilden zusammen mit den verbundenen Wärmeübertragerrohren den Kondensationsbereich 3.1, während die beiden unteren Teilbereiche 3.72 und 3.82 der beiden Sammelrohre 3.7 und 3.8 mit den damit verbundenen Wärmeübertragerrohren den Unterkühlungsabschnitt 3.2 bilden.
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Ein erster Kältemittelanschluss 3.10 ist am ersten Sammelrohr 3.7 in dessen oberen Teilbereich 3.71 angeordnet, über den Kältemittel dem Wärmeübertrager 3 zugeführt wird.
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Ein zweiter Kältemittelanschluss 3.20 ist ebenso am ersten Sammelrohr 3.7, jedoch in dessen unteren Teilbereich 3.72 angeordnet, über den Kältemittel aus dem Wärmeübertrager 3 abgeführt wird.
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Der Wärmeübertrager 3 weist ferner einen Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 auf, welcher eine Eingangsfluidverbindung 3.31 und eine erste Ausgangsfluidverbindung 3.32 aufweist. Die Eingangsfluidverbindung 3.31 endet im oberen Teilbereich 3.81 des zweiten Sammelrohres 3.8. Die erste Ausgangsfluidverbindung 3.32 des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3 endet im unteren Teilbereich 3.82 des zweiten Sammelrohres 3.8, so dass Kältemittel aus dem Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 in den Unterkühlungsabschnitt 3.2 abströmen kann.
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Der Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 weist eine zweite Ausgangsfluidverbindung 3.33 auf, aus der Kältemittel aus dem Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3, d. h. aus dem Wärmeübertrager 3 abgeführt und in einen Kältemittelkreislauf weitergeleitet wird.
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Ferner weist der Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 eine dritte Ausgangsfluidverbindung 3.34 auf, die bezüglich der Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) im unteren Bereich des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3 angeordnet ist, so dass die Öffnung dieser dritten Ausgangsfluidverbindung 3.34 sich in einem Boden oder im bodennahen Bereich 3.30 des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3 befindet.
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Die zweite Ausgangsfluidverbindung 3.33 und die dritte Ausgangsfluidverbindung 3.34 werden außerhalb des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3 zusammengeführt und stromabwärts mit einem Absperrventil A2 verbunden. Dieses Absperrventil A2 ist eine Komponente eines Kältemittelkreislaufes 2, welcher im Zusammenhang mit 6 erläutert wird.
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Es sei angemerkt, dass der Querschnitt der zweiten Ausgangsfluidverbindung 3.33 aufgrund ihrer Funktion als Hauptströmungsleitung deutlich größer dimensioniert ist als der Querschnitt der dritten Ausgangsfluidverbindung 3.34, die ihrerseits eine Beimischfunktion zu erfüllen hat.
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Im Folgenden wird der Strömungsverlauf des Kältemittels im Wärmeübertrager 3 im AC-Betrieb und im Luft-Wärmepumpenbetrieb erläutert. Die Strömungsrichtung des Kältemittels im AC-Betrieb wird mit den in durchgezogenen Linien dargestellten Pfeilen angezeigt. Die mit gestrichelten Linien dargestellten Pfeile zeigen den Kältemittelfluss im Luft-Wärmepumpenbetrieb des Wärmeübertragers 3.
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Im AC-Betrieb tritt das auf Hochdruck verdichtete Kältemittel über den ersten Kältemittelanschluss 3.10 in den oberen Teilbereich 3.71 des ersten Sammelrohres 3.7 ein, strömt anschließend in den Kondensationsbereich 3.1, wo es abkühlt und/oder kondensiert und anschließend in den oberen Teilbereich 3.81 des zweiten Sammelrohres 3.8. Von dort strömt das Kältemittel über die Eingangsfluidverbindung 3.31 in den Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3. In dem Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 wird das flüssige Kältemittel von dem dampfförmigen Kältemittel getrennt, wobei sich das flüssige Kältemittel bezogen auf die Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) im unteren Bereich des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3 sammelt. Damit das flüssige Kältemittel von dort in den Unterkühlungsabschnitt 3.2 abfließen kann, ist die erste Ausgangsfluidverbindung 3.32 des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3 in dessen unteren Bereich bezogen auf die Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) angeordnet, welcher bzgl. der Höhe dem Bereich des Unterkühlungsabschnittes 3.2 entspricht. Das flüssige Kältemittel strömt aus dem Unterkühlungsabschnitt 3.2 in den unteren Teilbereich 3.72 des ersten Sammelrohres 3.7 und tritt über den zweiten Kältemittelanschluss 3.20 aus dem Wärmeübertrager 3 aus.
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Im Luft-Wärmepumpenbetrieb wird das mittels eines außerhalb des Wärmeübertragers 3 sich befindende Wärmepumpen-Expansionsorgans AE3 auf Niederdruck entspannte Kältemittel dem ersten Kältemittelanschluss 3.10 zugeführt. Aus dem oberen Teilbereich 3.71 des ersten Sammelrohres 3.7 strömt das Kältemittel zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft in den als Verdampfer arbeitenden Kondensationsbereich 3.1, anschließend in den oberen Teilbereich 3.81 des zweiten Sammelrohres 3.8 und von dort über die Eingangsfluidverbindung 3.31 in den Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3.
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Das Wärmepumpen-Expansionsorgans AE3 ist eine Komponente eines Kältemittelkreislaufes 2, welches im Zusammenhang mit 6 erläutert wird.
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Da das in den Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 eintretende Kältemittel auf Niederdruck entspannt ist, arbeitet der Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 nach dem Akkumulator-Prinzip, das bereits eingangs beschrieben ist.
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Gemäß diesem Akkumulator-Prinzip wird das in den Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 einströmende Kältemittel in dessen gasförmige und flüssige Phase getrennt. Das gasförmige Kältemittel tritt aus der dritten Ausgangsfluidverbindung 3.33 des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3 aus und strömt über das Absperrventil A2 zurück in den zugehörigen Kältemittelkreislauf 2 (vgl. 6). Das sich am Boden 3.30 des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3 sammelnde Kältemittel-ÖI-Gemisch tritt aus der dritten Ausgangsfluidverbindung 3.34 aus und wird ebenso dem Absperrventil A2 zugeführt.
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Über einen optionalen Prallkörper oder eine Segmentierungskomponente direkt im Anschluss an die Eingangsfluidverbindung 3.31 kann im Bedarfsfall vermieden werden, dass zweiphasiges Kältemittel direkt in die zweite Ausgangsfluidverbindung 3.33 strömt.
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Gemäß 1 ist der Unterkühlungsabschnitt 3.2 bezogen auf die Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) eines Fahrzeugs unterhalb des Kondensationsbereichs 3.1 angeordnet. Es ist auch möglich, den Unterkühlungsabschnitt 3.2 bezogen auf die Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) oberhalb des Kondensationsbereichs 3.1 anzuordnen. In diesem Fall verbindet die erste Ausgangsfluidverbindung 3.32 den unteren Bereich des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3 mit dem nunmehr oben liegenden Unterkühlungsabschnitt 3.2, wobei die Ausgangsfluidverbindung 3.32 als Steigrohr ausgebildet ist.
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Als alternative Ausführungsform des in 1 beschriebenen Wärmeübertragers 3 zeigt die 2 einen Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 eines nur teilweise dargestellten Wärmeübertragers 3, der anstelle der dritten Ausgangsfluidverbindung 3.34 (vgl. 1) ein U-Rohr 3.4 mit einer an dessen tiefsten Punkt angeordneten Schnüffelbohrung 3.40 aufweist. Damit wird die dritte Ausgangsfluidverbindung 3.34 durch die Integration des U-Rohres 3.4 ersetzt. Dieses U-Rohr 3.4 ist mit der zweiten Ausgangsfluidverbindung 3.33 verbunden, wobei über das offene Ende das Kältemittel im Luft-Wärmepumpenmodus eintritt.
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Die Fluidanteile (Kältemittel-Öl-Gemisch) werden der aus dem Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 austretenden Gasphase über die Schnüffelbohrung (auch Absaugbohrung genannt) 3.40 am Fuße des U-Rohres 3.4 zugeführt und das zweiphasige Kältemittel (mit Ölanteilen) verlässt über die zweite Ausgangsfluidverbindung 3.33 den Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3. Diese Funktionsweise ist letztlich analog zu der eines reinen Niederdruck-Kältemittelsammlers.
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Über ein optionales Prallblech 3.5 oder eine Segmentierungskomponente direkt im Anschluss an die Eingangsfluidverbindung 3.31 kann im Bedarfsfall vermieden werden, dass zweiphasiges Kältemittel direkt in das U-Rohr 3.4 strömt oder von diesem ungehindert angesaugt wird.
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Ansonsten entspricht der Aufbau des Wärmeübertragers 3 gemäß 2 demjenigen nach 1.
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Die 3 zeigt eine weitere alternative Ausgestaltung des Wärmeübertragers 3 nach 1, wobei in 3 der Wärmeübertrager 3 mit den Komponenten zweites Sammelrohr 3.8 und Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 nur teilweise dargestellt ist.
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Um den Wärmeübertrager 3 gemäß 3 für unterschiedliche Verwendungen in einem Kältemittelkreislauf einer Fahrzeugklimaanlage zu qualifizieren, sind die zweite Ausgangsfluidverbindung 3.33 und die dritte Ausgangsfluidverbindung 3.34 demontierbar. Ein solcher Wärmeübertrager 3 ohne die beiden Ausgangsfluidverbindungen 3.33 und 3.34 ist entsprechend von 2 in einer Teildarstellung schematisch angedeutet. Bei einem solchen Wärmeübertrager 3 werden nach der Demontage der beiden Ausgangsfluidverbindungen 3.33 und 3.34 deren Anschlussöffnungen an dem Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 mittels Adaptern 3.61 und 3.62 verschlossen.
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Dies bietet den Vorteil, dass bei einem Einsatz in einem Kältemittelkreislauf, welcher ausschließlich für einen AC-Betrieb ausgebildet ist, eine einfache Umrüstung des Wärmeübertragers 3 ermöglicht wird. Damit wird ein Baukastensystem realisiert, welches aus einem sogenannten Basis-Wärmeübertrager gemäß 3 besteht, welcher für den ausschließlichen AC-Betrieb einsetzbar ist und in einfacher Weise mittels der dritten Ausgangsfluidverbindung 3.33 und der vierten Ausgangsfluidverbindung 3.34 derart aufrüstbar ist, dass dieser sowohl für den AC-Betrieb als auch für den Luft-Wärmepumpenbetrieb geeignet ist.
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Eine weitere alternative Ausführungsform eines Wärmeübertragers 3 zeigt 4, bei welcher der Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 an einem anderen Einbauort im Fahrzeug als der Kondensator mit Kondensationsbereich 3.1 und Unterkühlungsabschnitt 3.2, im folgenden SC(Subcool)-Kondensator 3.0 genannt, montiert ist.
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Gemäß 4 wird dieser SC-Kondensator 3.0 über zwei externe demontierbare Fluidleitungen 3.310 und 3.320 mit dem Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 verbunden. Diese beiden Fluidleitungen 3.310 und 3.320 verbinden als demontierbare Kältemittelleitungen den SC-Kondensator 3.0 mit dem Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3. Die Fluidleitung 3.310 entspricht der Eingangsfluidverbindung 3.31 des Wärmeübertragers 3 nach 1. Die Fluidleitung 3.320 entspricht der ersten Ausgangsfluidverbindung 3.32 des Wärmeübertragers 3 nach 1, ansonsten entspricht der Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 mit den beiden Ausgangsfluidverbindungen 3.33 und 3.34 der Anordnung nach 1.
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Der Vorteil dieses Wärmeübertragers 3 gemäß 4 besteht darin, dass einerseits auf einfache Weise größere Sammelbehältervolumina abseits des Kühlerpaketes vorgesehen werden können. Andererseits ist durch reines Tauschen des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3 eine reine AC-Lösung oder die Luft-Wärmepumpenvariante eines Kondensators 3 darstellbar, die zumeist in einer solchen Ausführungsweise schraubbar umgesetzt werden kann.
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Eine letzte alternative Ausführungsform eines Wärmeübertragers 3 zeigt die 5, bei welchem im Unterschied zum Wärmeübertrager 3 nach 1 der Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 nicht auf der Seite des Wärmeübertragers 3 wie das zweite Sammelrohr 3.8 angeordnet ist, sondern auf der gleichen Seite wie das erste Sammelrohr 3.7. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass der Kondensationsbereich 3.1 2-flutig, also mit einer ersten Flut 3.11 und einer zweiten Flut 3.12 ausgebildet ist sowie der zweite Kältemittelanschluss 3.20 im unteren Teilbereich 3.82 des zweiten Sammelrohres 3.8 angeordnet ist.
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Im Detail ist diese Wärmeübertrager 3 nach 5 folgendermaßen aufgebaut:
- Der Wärmeübertrager 3 gemäß 5 weist zwischen einem ersten Sammelrohr 3.7 und einem zweiten Sammelrohr 3.8 den 2-einflutigen Kondensationsbereich 3.1 und einen Unterkühlungsabschnitt 3.2 auf. Mehrere Wärmeübertragerrohre (in 5 nicht dargestellt) zwischen dem ersten Sammelrohr 3.7 und dem zweiten Sammelrohr 3.8 sind derart angeordnet, dass ein Ende eines Wärmeübertragerrohrs mit dem ersten Sammelrohr 3.7 und das andere Ende mit dem zweiten Sammelrohr 3.8 verbunden ist.
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Das erste Sammelrohr 3.7 weist ein erstes Trennelement 3.70 und ein zweites Trennelement 3.70' auf, während das zweite Sammelrohr 3.8 ein einziges Trennelement 3.80 aufweist. Das in Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) gesehen unterste Trennelement 3.70 des ersten Sammelrohres 3.7 bildet zusammen mit dem in gleicher Höhe angeordnete Trennelement 3.80 den unterhalb der beiden Trennelemente 3.70 und 3.80 gelegenen Unterkühlungsabschnitt 3.2. Das weitere Trennelement 3.70' trennt den Raum oberhalb des Trennelementes 3.70 zur Bildung des zweiflutigen Kondensationsbereichs 3.1 in zwei Teilbereiche 3.71 und 3.71'.
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Damit bilden die beiden oberen Teilbereiche 3.71 und 3.71' des ersten Sammelrohres 3.7 und der obere Teilbereich 3.81 des zweiten Sammelrohres 3.8 zusammen mit den verbundenen Wärmeübertragerrohren den Kondensationsbereich 3.1 mit den beiden Fluten 3.11 und 3.12, während die beiden unteren Teilbereiche 3.72 und 3.82 der beiden Sammelrohre 3.7 und 3.8 mit den damit verbundenen Wärmeübertragerrohren den Unterkühlungsabschnitt 3.2 bilden.
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Ein erster Kältemittelanschluss 3.10 ist am ersten Sammelrohr 3.7 in dessen obersten Teilbereich 3.71 angeordnet, über den Kältemittel dem Wärmeübertrager 3 zugeführt wird.
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Ein zweiter Kältemittelanschluss 3.20 ist am zweiten Sammelrohr 3.8, jedoch in dessen unteren Teilbereich 3.82 angeordnet, über den Kältemittel im AC-Betrieb aus dem Wärmeübertrager 3 abgeführt wird.
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Der Wärmeübertrager 3 weist ferner einen Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 auf, welcher eine Eingangsfluidverbindung 3.31 und eine erste Ausgangsfluidverbindung 3.32 aufweist. Die Eingangsfluidverbindung 3.31 endet im direkt über dem Unterkühlungsabschnitt 3.2 angeordneten Teilbereich 3.71' des ersten Sammelrohres 3.7 und ist verbunden mit der Flut 3.12 des Kondensationsbereichs 3.1. Die erste Ausgangsfluidverbindung 3.32 des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3 endet im unteren Teilbereich 3.72 des ersten Sammelrohres 3.7, so dass Kältemittel aus dem Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 in den Unterkühlungsabschnitt 3.2 abströmen kann.
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Der Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 weist eine zweite Ausgangsfluidverbindung 3.33 auf, aus der Kältemittel aus dem Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3, d. h. aus dem Wärmeübertrager 3 abgeführt und über ein Absperrventil A2 in einen Kältemittelkreislauf weitergeleitet wird.
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Ferner weist der Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 eine dritte Ausgangsfluidverbindung 3.34 auf, die bezüglich der Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) im unteren Bereich des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3 angeordnet ist, so dass die Öffnung dieser dritten Ausgangsfluidverbindung 3.34 sich in einem Boden 3.30 oder im bodennahen Bereich des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3 befindet.
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Die zweite Ausgangsfluidverbindung 3.33 und die dritte Ausgangsfluidverbindung 3.34 werden außerhalb des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3 zusammengeführt und stromabwärts mit dem Absperrventil A2 verbunden. Dieses Absperrventil A2 ist eine Komponente eines Kältemittelkreislaufes 2, welcher im Zusammenhang mit 6 erläutert wird.
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Es sei angemerkt, dass der Querschnitt der zweiten Ausgangsfluidverbindung 3.33 aufgrund ihrer Funktion als Hauptströmungsleitung deutlich größer dimensioniert ist als der Querschnitt der dritten Ausgangsfluidverbindung 3.34, die ihrerseits eine Beimischfunktion zu erfüllen hat.
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Im Folgenden wird der Strömungsverlauf des Kältemittels im Wärmeübertrager 3 im AC-Betrieb und im Luft-Wärmepumpenbetrieb erläutert. Die Strömungsrichtung des Kältemittels im AC-Betrieb wird mit den in durchgezogenen Linien dargestellten Pfeilen angezeigt. Die mit gestrichelten Linien dargestellten Pfeile zeigen den Kältemittelfluss im Luft-Wärmepumpenbetrieb des Wärmeübertragers 3.
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Im AC-Betrieb tritt das auf Hochdruck verdichtete Kältemittel über den ersten Kältemittelanschluss 3.10 in die oberste Flut 3.11 des den Kondensationsbereich 3.1 definierenden Teilbereich 3.71 des ersten Sammelrohres 3.7 ein, strömt anschließend durch die beiden Fluten 3.11 und 3.12 des Kondensationsbereichs 3.1, wo es abkühlt und/oder kondensiert und anschließend in den oberen Teilbereich 3.71' des ersten Sammelrohres 3.7. Von dort strömt das Kältemittel über die Eingangsfluidverbindung 3.31 in den Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3. In dem Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 wird das flüssige Kältemittel von dem dampfförmigen Kältemittel getrennt, wobei sich das flüssige Kältemittel bezogen auf die Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) im unteren Bereich des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3 sammelt. Damit das flüssige Kältemittel von dort in den Unterkühlungsabschnitt 3.2 abfließen kann, ist die erste Ausgangsfluidverbindung 3.32 des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3 in dessen unteren Bereich bezogen auf die Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) angeordnet, welcher bzgl. der Höhe dem Bereich des Unterkühlungsabschnittes 3.2 entspricht. Das flüssige Kältemittel strömt aus dem Unterkühlungsabschnitt 3.2 in den unteren Teilbereich 3.82 des zweiten Sammelrohres 3.8 und tritt über den zweiten Kältemittelanschluss 3.20 aus dem Wärmeübertrager 3 aus.
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Im Luft-Wärmepumpenbetrieb wird das mittels eines außerhalb des Wärmeübertragers 3 sich befindende Wärmepumpen-Expansionsorgans AE3 auf Niederdruck entspannte Kältemittel dem ersten Kältemittelanschluss 3.10 zugeführt. Aus dem obersten Teilbereich 3.71 des ersten Sammelrohres 3.7 strömt das Kältemittel zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft in die Flut 3.11 und anschließend in die Flut 3.12 des als Verdampfer arbeitenden Kondensationsbereichs 3.1, anschließend in den oberen Teilbereich 3.71' des ersten Sammelrohres 3.7 und von dort über die Eingangsfluidverbindung 3.31 in den Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3.
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Das Wärmepumpen-Expansionsorgans AE3 ist eine Komponente eines Kältemittelkreislaufes 2, welcher im Zusammenhang mit 6 erläutert wird.
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Da das in den Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 eintretende Kältemittel auf Niederdruck entspannt ist, arbeitet der Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 nach dem Akkumulator-Prinzip, das bereits eingangs beschrieben ist.
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Gemäß diesem Akkumulator-Prinzip wird das in den Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 einströmende Kältemittel in dessen gasförmige und flüssige Phase getrennt. Das gasförmige Kältemittel tritt aus der dritten Ausgangsfluidverbindung 3.33 des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3 aus und strömt über das Absperrventil A2 zurück in den zugehörigen Kältemittelkreislauf 2 (vgl. 6). Das sich am Boden 3.30 des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3 sammelnde Kältemittel-ÖI-Gemisch tritt aus der dritten Fluidverbindung 3.34 aus und wird ebenso dem Absperrventil A2 zugeführt.
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Über einen optionalen Prallkörper oder eine Segmentierungskomponente direkt im Anschluss an die Eingangsfluidverbindung 3.31 kann im Bedarfsfall vermieden werden, dass zweiphasiges Kältemittel direkt in die zweite Ausgangsfluidverbindung 3.33 strömt.
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Gemäß 5 ist der Unterkühlungsabschnitt 3.2 bezogen auf die Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) eines Fahrzeugs unterhalb des Kondensationsbereichs 3.1 angeordnet. Es ist auch möglich, den Unterkühlungsabschnitt 3.2 bezogen auf die Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) oberhalb des Kondensationsbereichs 3.1 anzuordnen. In diesem Fall verbindet die erste Ausgangsfluidverbindung 3.32 den unteren Bereich des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3 mit dem nunmehr oben liegenden Unterkühlungsabschnitt 3.2, wobei die Ausgangsfluidverbindung 3.32 als Steigrohr ausgebildet ist.
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Auf die Darstellung weiterer in der Regel im Wärmeübertrager 3 gemäß den 1 bis 5 untergebrachter Einzelkomponenten wie bspw. Siebe und Filter wird verzichtet, da diese für das Grundkonzept der Bauteilfunktion eine untergeordnete Rolle spielen.
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Darüber hinaus wurde auch auf die Berücksichtigung und Einbindung von Sensorik verzichtet, die jedoch im Bedarfsfall an den entsprechenden Stellen zu berücksichtigen ist, wie es bspw. ein Druck- und/oder Temperatursensor stromabwärts des Expansionsorgans AE3 sein kann, um auf diese Weise den Eintrittszustand, insbesondere jedoch die Temperatur des Kältemittels in Bezug auf die erfasste Umgebungstemperatur passend einzustellen. Der Grundfunktion der Komponente und ihr Durchströmungsprinzip ist die Sensorik in Analogie der oben erwähnten Zusatzbauteile zunächst untergeordnet.
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Der Kondensationsbereich 3.1 des Wärmeübertragers 3 gemäß den 1 bis 4 ist einflutig dargestellt. Es ist jedoch auch möglich diesen Kondensationsbereich 3.1 3-flutig, 5-flutig usw. auszuführen. Maßgebend ist hierbei, dass nach dem Durchströmen der letzten Flut des Kondensationsbereichs 3.1 das Kältemittel in den oberen Teilbereich 3.81 des zweiten Sammelrohrs 3.8 eintritt. Entsprechend dieser alternativen Ausführungsweise ist die Anpassung der Lage der Anschlüsse im Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 vorzunehmen.
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Schließlich ist es auch möglich, den Unterkühlungsabschnitt 3.2 des Wärmeübertragers 3 gemäß den 1 bis 5 mehrflutig auszuführen. In Abhängigkeit der Flutigkeit des Unterkühlungsabschnittes 3.2 und des Kondensationsbereichs 3.1 befindet sich der zweite Kältemittelanschluss 3.20 entweder am ersten Sammelrohr 3.7 oder am zweiten Sammelrohr 3.8.
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Die 6 zeigt die Schaltungsanordnung eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 3 gemäß den 1 bis 5 in einem Kältemittelkreislauf 2 einer Fahrzeugklimaanlage 1.
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Der in 6 dargestellte Kältemittelkreislauf 2 ist sowohl in einem Kälteanlagenbetrieb (kurz AC-Betrieb genannt) als auch in einem Wärmepumpenbetrieb als Heizbetrieb und in einem Reheat-Betrieb betreibbar.
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Der Heizbetrieb wird entweder mit einem als Verdampfer eingesetzten und entsprechend den 1 bis 5 aufgebauten äußeren Wärmeübertrager 3 oder mit einem Chiller 7 durchgeführt, welcher mit einem Kühlmittelkreislauf 7.0 zur Kühlung, bspw. einer Hochvoltbatterie thermisch verbunden ist. Mit dem Chiller 7 wird ein Fluid-Wärmepumpenbetrieb mit bspw. einem Wasser-Glykol-Gemisch als Fluid durchgeführt, während der äußere Wärmeübertrager 3 als Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager für den Luft-Wärmepumpenbetrieb eingesetzt wird.
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Für den Heizbetrieb ist in einem Heizzweig 2.2 ein als Wärmequelle arbeitender Wärmeübertrager 5 angeordnet, mit welchem ein Zuluftstrom L direkt durch ein Heizregister oder indirekt durch einen indirekten Kondensator oder durch einen indirekten Gaskühler erwärmbar ist. Der Wärmeübertrager 5 kann als Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager oder als Wasser-Kältemittel-Wärmeübertrager ausgeführt werden.
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Dieser Wärmeübertrager 5 ist zusammen mit einem Innenraum-Verdampfer 4 in einem Klimagerät 1.1 verbaut, wobei zur Konditionierung des in einen Fahrzeuginnenraum geführten Zuluftstroms L dieser zunächst über den Innenraum-Verdampfer 4 und anschließend über den Wärmeübertrager 5 geführt ist.
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Ferner ist in dem Klimagerät 1.1 gemäß 6 in dem Zuluftstrom L stromabwärts des Wärmeübertragers 5 beispielhaft ein Hochvolt-PTC-Zuheizer als elektrisches Heizelement 8 angeordnet.
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Der Kältemittelkreislauf 2 gemäß 6 besteht aus folgenden Komponenten:
- - dem Klimagerät 1.1 mit dem Innenraum-Verdampfer4 und dem Wärmeübertrager 5 als Heizregister, wobei der Innenraum-Verdampfer 4 in einem Verdampferzweig 4.1 und der Wärmeübertrager 5 in einem Heizzweig 2.2 angeordnet ist,
- - einem Kältemittelverdichter 6,
- - einem gemäß den 1 bis 5 ausgebildeten äußeren Wärmeübertrager 3 als zweiflutigen Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager mit einem Kondensationsbereich 3.1 und einem Unterkühlungsabschnitt 3.2,
- - einem inneren Wärmeübertrager 9,
- - einem in dem Verdampferzweig 4.1 angeordneten und dem Innenraum-Verdampfer 4 stromaufwärtsseitig vorgeschalteten Verdampfer-Expansionsorgan AE1,
- - einem dem Verdampferzweig 4.1 nachgeschalteten Rückschlagventil R1, welches über den niederdruckseitigen Abschnitt des inneren Wärmeübertragers 9 mit der Saugseite des Kältemittelverdichters 6 fluidverbunden ist,
- - einem Chiller-Zweig 7.1 mit dem Chiller 7, einem diesem vorgeschalteten Chiller-Expansionsorgan AE2, wobei der Chiller 7 neben der Kühlung bspw. einer elektrischen Komponente des Fahrzeugs auch zur Realisierung einer Wasser-Wärmepumpenfunktion unter Nutzung der Abwärme mindestens einer elektrischen Komponente eingesetzt wird,
- - einem AC-Zweig 2.1, welcher einerseits mit dem zweiten Kältemittelanschluss 3.20 des äußeren Wärmeübertrager 3 und über den hochdruckseitigen Abschnitt des inneren Wärmeübertragers 9 unter Bildung eines Abzweigpunktes Ab1 mit dem Verdampferzweig 4.1 und dem Chillerzweig 7.1 verbunden ist, so dass im AC-Betrieb der AC-zweig 2.1 stromaufwärts des Wärmeübertragers 3 über ein Absperrventil A4 mit dem Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters 6 fluidverbindbar ist und stromabwärts über den hochdruckseitigen Abschnitt des inneren Wärmeübertragers 9 und den Abzweigpunkt Ab1 mit dem Verdampferzweig 4.1 und dem Chillerzweig 7.1 fluidverbindbar ist,
- - einem Heizzweig 2.2 mit dem Wärmeübertrager 5, wobei der Heizzweig 2.2 stromaufwärts über ein Absperrventil A3 mit dem Hochdruckausgang des Kältemittelverdichters 6 und stromabwärts über ein Absperrventil A1 mit dem Abzweigpunkt Ab1 und damit mit dem Verdampferzweig 4.1 und dem Chillerzweig 7.1 fluidverbindbar ist,
- - einem Wärmepumpenzweig 2.3 mit einem Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3, wobei dieser Wärmepumpenzweig 2.3 stromabwärts mit dem ersten Kältemittelanschluss 3.10 des Wärmeübertragers 3 unter Bildung eines Abzweigpunktes Ab2 und stromaufwärts mit dem Heizzweig 2.2, also dem Wärmeübertrager 5 fluidverbunden ist,
- - einem Wärmepumpenrückführzweig 2.4 mit dem Absperrventil A2 und einem Rückschlagventil R2, wobei der Wärmepumpenrückführzweig 2.4 stromaufwärts mit dem äußeren Wärmeübertrager 3 und stromabwärts mit dem niederdruckseitigen Abschnitt des inneren Wärmeübertragers 9 fluidverbindbar ist, und
- - einem Absaugzweig 2.5 mit einem Absperrventil A5, wobei der Absaugzweig 2.5 stromabwärts über einen Abzweigpunkt Ab3 mit dem Absperrventil A2 und dem Rückschlagventil R2 des Wärmepumpenrückführzweiges 2.4 fluidverbunden ist.
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Das Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 kann für die alleinige Darstellung der Luft-Wärmepumpenfunktion als thermisches oder elektronisches Expansionsventil ausgeführt werden. Alternativ kann eine Fixdrossel (auch FOT (Fixed Orifice Tube) genannt) mit konstantem Öffnungsquerschnitt (Orifice Tube) anstelle eines thermischen oder elektrischen Expansionsventils eingesetzt werden.
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Bei einem Reheat-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2 wird das Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 auch als Reheat-Expansionsorgan eingesetzt, so dass der Wärmepumpenzweig 2.3 als Reheat-Zweig dient.
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Mit den beiden Absperrventile A3 und A4 wird der Kältemittelstrom, ausgehend von der Hochdruckseite des Kältemittelverdichters 6, in Abhängigkeit des Zustandes dieser beiden Absperrventil A3 und A4 entweder bei offenem Absperrventil A4 und gesperrtem Absperrventil A3 in den äußeren Wärmeübertrager 3 zur Durchführung eines AC-Betriebs geleitet oder strömt bei offenem Absperrventil A3 und geschlossenem Absperrventil A4 zur Durchführung eines Heizbetriebs mittels einer Wärmepumpenfunktion in den Heizzweig 2.2.
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Im AC-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 1 strömt das auf Hochdruck verdichtete Kältemittel ausgehend von dem Kältemittelverdichter 6 bei offenem Absperrventil A4 über den ersten Kältemittelanschluss 3.10 in den Kondensationsbereich 3.1 des Wärmeübertragers 3, anschließend in den Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 und schließlich über den Unterkühlungsabschnitt 3.2 aus dem zweiten Kältemittelanschluss 3.20 in den Hochdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 9 und wird schließlich mittels des Verdampfer-Expansionsorgans AE1 in den Innenraum-Verdampfer 4 und/oder mittels des Chiller-Expansionsorgans AE2 in den Chiller 7 entspannt. Aus dem Chiller-Zweig 7.1 strömt das Kältemittel in den Niederdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 9 zurück zum Kältemittelverdichter 6, während das Kältemittel aus dem Verdampferzweig 4.1 über das Rückschlagventil R1 strömt und anschließend in den Niederdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 9 ebenso zurück zum Kältemittelverdichter 6 fließen kann.
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In diesem AC-Betrieb ist der Heizzweig 2.2 mittels des Absperrventils A3 abgesperrt. Zur Rückholung von Kältemittel aus dem inaktiven Heizzweig 2.2 wird das Absperrventil A5 des Absaugzweiges 2.5 geöffnet und das Kältemittel kann über das Absperrventil A5 und das Rückschlagventil R2 bei gleichzeitig geschlossenem Absperrventil A2 in Richtung des Kältemittelverdichters 6 strömen.
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Ein Heizbetrieb in Form eines Wärmpumpenbetriebs des Kältemittelkreislaufs 2 der Fahrzeugklimaanlage 1 wird mittels wenigstens einer Wärmequelle durchgeführt.
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Im Wärmepumpenbetrieb des Kältemittelkreislaufes 2 gemäß 6 wird ein dem Fahrzeuginnenraum zugeführter Zuluftstrom L mittels des Wärmeübertragers 5 erwärmt und anschließend über das elektrische Heizelement 8 geführt, bevor der Zuluftstrom L in den Fahrzeuginnenraum strömen kann. Mit dem elektrischen Heizelement 8 wird der Zuluftstrom L bei Bedarf zusätzlich erwärmt.
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Im Heizbetrieb des Kältemittelkreislaufs 2 wird unter Einsatz des Wärmeübertragers 3 als Wärmepumpenverdampfer zur Realisierung einer Luft-Wärmepumpe oder unter Einsatz des Chillers 7 zur Realisierung einer Wasser-Wärmepumpe das Absperrventil A4 geschlossen und das Absperrventil A3 geöffnet, so dass heißes Kältemittel, wie bspw. R1234yf in den Heizzweig 2.2 strömen kann.
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Zur Durchführung der Heizfunktion mittels des Wärmeübertragers 3 als Wärmepumpenverdampfer strömt das Kältemittel aus dem Wärmeübertrager 5 bei gesperrtem Absperrventil A1 in den Wärmepumpenzweig 2.3 und wird mittels des Wärmepumpen-Expansionsorgans AE3 in den Wärmeübertrager 3 zur Aufnahme von Wärme aus der Umgebungsluft entspannt und strömt anschließend in den nun als Verdampfer arbeitenden Kondensationsbereich 3.1 und von dort in den Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3. Gemäß dem Akkumulator-Prinzip wird das in den Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3 einströmende Kältemittel in dessen gasförmige und flüssige Phase getrennt. Optional sind nicht dargestellte Prall- oder Abscheidevorrichtungen vorgesehen. Das gasförmige Kältemittel tritt aus der zweiten Ausgangsfluidverbindung 3.33 des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3 aus und strömt über das Absperrventil A2 in den Wärmepumpenrückführzweig 2.4. Das am Boden 3.30 des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3 sich sammelnde Kältemittel-Öl-Gemisch tritt aus der dritten Fluidverbindung 3.34 aus und wird ebenso dem Absperrventil A2 zugeführt. Aus dem Wärmepumpenrückführzweig 2.4 strömt das Kältemittel über das Rückschlagventil R2 und den Niederdruckabschnitt des inneren Wärmeübertragers 9 zurück zum Kältemittelverdichter 6. Die Expansionsorgane AE1 und AE2 bleiben dabei geschlossen, ebenso das Absperrventil A5. Eine Kältemittelströmung in den AC-Zweig 2.1 wird durch die geschlossenen Expansionsorgane AE1 und AE2 verhindert.
Zur Durchführung der Heizfunktion mittels des Chillers 7 strömt das mittels des Kältemittelverdichters 6 verdichtete Kältemittel über den Heizzweig 2.2 in den Wärmeübertrager 5 zur Abgabe von Wärme an den Zuluftstrom L und wird anschließend über das geöffnete Absperrventil A1 mittels des Chiller-Expansionsorgans AE2 in den Chiller 7 zur Aufnahme von Abwärme der in dem Kühlmittelkreislauf 7.0 angeordneten elektrischen und/oder elektronischen Komponenten entspannt. Bei dieser Heizfunktion sind das Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 und das Absperrventil A5 geschlossen, während das Absperrventil A2 geöffnet ist. Über das Absperrventil A2 wird im Wasser-Wärmepumpenbetrieb ausgelagertes Kältemittel aus dem AC-Zweig 2.1 absaugt und über das Rückschlagventil R2 dem Kältemittelverdichter 6 zugeführt. In diesem Heizbetrieb verhindert das Rückschlagventil R1 ein Einströmen von Kältemittel in den Verdampferzweig 4.1, ermöglicht aber andererseits bei entsprechender Niederdrucklage ein Absaugen von Kältemittel aus dem Verdampferzweig 4.1.
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Wird bei nun geöffnetem Absperrventil A1 ein Kombinationsbetrieb aus Wasser- und Luft-Wärmepumpe realisiert, so ist neben dem AE3 auch das Chiller-Expansionsorgan AE2 über ein Steuergerät aktiv mit eingebunden und beide werden zur Einstellung und zum Erreichen der Zielgrößen entsprechend angesteuert.
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Bei einem Reheat-Betrieb wird der in den Fahrzeuginnenraum zugeführte Zuluftstrom L mittels des Innenraum-Verdampfers 4 zunächst gekühlt und damit entfeuchtet, um anschließend mit der dem Zuluftstrom L entzogenen Wärme sowie der dem Kältemittel über den Kältemittelverdichter 6 zugeführten Wärme mittels des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 5 den Zuluftstrom L zumindest teilweise wieder zu erwärmen.
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Ein Reheat-Betrieb des Kältemittelkreislaufs 1 wird in Abhängigkeit der Wärmebilanz auf unterschiedliche Weise durchgeführt.
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So werden bei ausreichender Heizleistung im Kältemittelkreislauf 2 der Wärmeübertrager 5 und der Innenraum-Verdampfer 4 mit Kältemittel durchströmt, indem der Wärmeübertrager 5 stromabwärtsseitig mittels des geöffneten Absperrventils A1 über das Verdampfer-Expansionsorgan AE1 mit dem Innenraum-Verdampfer 4 fluidverbunden wird, wobei das dem Chiller 7 zugeordnete Chiller-Expansionsorgan AE2 und ebenso wie das Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 gesperrt ist. Aus dem Innenraum-Verdampfer 4 strömt das Kältemittel über das Rückschlagventil R1 in den niederdruckseitigen Abschnitt des inneren Wärmeübertrager 9 wieder zurück zum Kältemittelverdichter 6.
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Bei einem Wärmemangel im Kältemittelkreislauf 2, d.h. bei einem Heizleistungsdefizit am Wärmeübertrager 5, werden zur Wärmeaufnahme zusätzlich zum Innenraum-Verdampfer 4 auch der Chiller 7 durch Öffnen des Chiller-Expansionsorgans AE2 und/oder der äußere Wärmeübertrager 3 zusammen mit dem Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 als Wärmepumpenverdampfer parallel geschaltet.
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Bei einem Wärmeüberschuss im Reheat-Betrieb wird neben der Wärmeabgabe an den Zuluftstrom L über den Wärmeübertrager 5 zusätzlich über den äußeren Wärmeübertrager 3 Wärme an die Umgebung des Fahrzeugs abgegeben, bevor das Kältemittel über den Innenraum-Verdampfer 4 wieder zurück zum Kältemittelverdichter 6 strömt. Hierzu kann bei Bedarf mittels des als Reheat-Expansionsorgans eingesetzten Wärmepumpen-Expansionsorgan AE3 das Kältemittel zur Kondensation auf einen über dem Verdampfungsdruck liegenden Zwischendruck entspannt und anschließend mittels des Verdampfer-Expansionsorgans AE1 in den Innenraum-Verdampfer 4 auf Niederdruck expandiert werden. Bei diesem Reheat-Betrieb dient der Wärmepumpenzweig 2.3 als Reheat-Zweig.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeugklimaanlage
- 1.1
- Klimagerät
- 2
- Kältemittelkreislauf der Fahrzeugklimaanlage 1
- 2.1
- AC-Zweig
- 2.2
- Heizzweig
- 2.3
- Wärmepumpenzweig
- 2.4
- Wärmepumpenrückführzweig
- 2.5
- Absaugzweig
- 3
- Wärmeübertrager
- 3.0
- SC-Kondensator
- 3.1
- Kondensationsbereich des Wärmeübertragers 3
- 3.10
- erster Kältemittelanschluss des Kondensationsbereichs 3.1
- 3.2
- Unterkühlungsabschnitt des Wärmeübertragers 3
- 3.20
- zweite Kältemittelanschluss des Unterkühlungsabschnittes 3.2
- 3.3
- Hochdruck-Kältemittelsammler
- 3.30
- Boden des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3
- 3.31
- Eingangsfluidverbindung des Hochdruck-Kältemittelsammler 3.3
- 3.310
- Fluidleitung
- 3.32
- erste Ausgangsfluidverbindung des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3
- 3.320
- Fluidleitung
- 3.33
- zweite Ausgangsfluidverbindung des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3
- 3.330
- Fluidleitung
- 3.34
- dritte Ausgangsfluidverbindung des Hochdruck-Kältemittelsammlers 3.3
- 3.4
- U-Rohr
- 3.40
- Schnüffelbohrung des U-Rohrs 3.4
- 3.5
- Prallblech
- 3.61
- Adapter
- 3.62
- Adapter
- 3.7
- erstes Sammelrohr des Wärmeübertragers 3
- 3.70
- Trennelement des ersten Sammelrohres 3.7
- 3.70'
- weiteres Trennelement des ersten Sammelrohres 3.7
- 3.71
- Teilbereich des ersten Sammelrohres 3.7
- 3.71'
- Teilbereich des ersten Sammelrohres 3.7
- 3.72
- Teilbereich des ersten Sammelrohres 3.7
- 3.8
- zweites Sammelrohr des Wärmeübertragers 3
- 3.80
- Trennelement des zweiten Sammelrohres
- 3.81
- Teilbereich des zweiten Sammelrohres
- 3.82
- Teilbereich des zweiten Sammelrohres
- 4
- Innenraum-Verdampfer
- 4.1
- Verdampferzweig
- 5
- Luft-Kältemittel-Wärmeübertrager
- 6
- Kältemittelverdichter
- 7
- Chiller
- 7.0
- Kühlmittelkreislauf des Chillers 8
- 7.1
- Chillerzweig
- 8
- elektrisches Heizelement
- 9
- innerer Wärmeübertrager
- A1
- Absperrventil
- A2
- Absperrventil
- A3
- Absperrventil
- A4
- Absperrventil
- A5
- Absperrventil
- Ab1
- Abzweigpunkt
- Ab2
- Abzweigpunkt
- Ab3
- Abzweigpunkt
- AE1
- absperrbares Verdampfer-Expansionsorgan
- AE2
- absperrbares Chiller-Expansionsorgan
- AE3
- absperrbares Wärmepumpen-Expansionsorgan
- R1
- Rückschlagventil
- R2
- Rückschlagventil
- R3
- Rückschlagventil
