DE10301006A1 - Heiz-Kühlkreislauf für eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges, Klimaanlage und Verfahren zur Regelung derselben - Google Patents

Heiz-Kühlkreislauf für eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges, Klimaanlage und Verfahren zur Regelung derselben

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Heiz-/Kühlkreislauf für ein Kraftfahrzeug mit einem Verdampfer (14) zur Abkühlung von einem Innenraum zuzuführender Luft, einem Heizwärmetauscher (16) zur Aufheizung der dem Innenraum zuzuführenden Luft, einem Außenwärmetauscher 822), mit einem Kompressor (24) zum Fördern von Kältemittel, einem ersten Expansionsorgan (28), das dem Verdampfer (14) zugeordnet ist, einem zweiten Expansionsorgan (30), das dem Außenwärmetauscher (22) zugeordnet ist und Kältemittelleitungen (L¶1¶ bis L¶12¶), über welche die vorgenannten Komponenten miteinander verbunden sind, wobei eine Abtau-Schaltung des Kreislaufs den Kompressor (24), den Außenwärmetauscher 822) und das zweite Expansionsorgan (30) umfasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Heiz-/Kühlkreislauf für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, eine diesen enthaltende Klimaanlage und ein Verfahren zur Regelung der Klimaanlage.
  • Aus der JP-A-4-278153 ist ein Heiz-/Kühlkreislauf für eine Klimaanlage mit einem Enteisungsbetrieb bekannt, wobei die Enteisung derart durchgeführt wird, dass der Öffnungsgrad eines Expansionsventils erhöht wird und die Menge an Luft, die einem Innenraum-Wärmetauscher zugeführt wird, verringert wird. In diesem Fall wirken, da der Öffnungsgrad des Expansionsventils erhöht wird, sowohl der Innenraum-Wärmetauscher als auch der Außenwärmetauscher als Kondensatoren. Ferner wird, da die Menge an Luft, die dem Innenraum-Wärmetauscher zugeführt wird, verringert wird, die abgestrahlte Wärmemenge beim Innenraum-Wärmetauscher reduziert und folglich wird entsprechend die abgestrahlte Wärme beim Außenwärmetauscher erhöht, wodurch das Eis geschmolzen wird, während der Fahrgast- Innenraum durch den Innenraum-Wärmetauscher weiter geheizt wird, wenn auch mit verringerter maximaler Leistung.
  • Aus der JP-A-5-77636 ist ein Heiz-/Kühlkreislauf für eine Klimaanlage mit einem Innenraum-Wärmetauscher, der als Kondensator dient, und einem Außenwärmetauscher, der als Verdampfer bei einem Heizbetrieb dient, um den Fahrgast-Innenraum zu heizen, bekannt. Bei einem Abtau-Betrieb für den Außenwärmetauscher wird durch das Öffnen eines Bypasses ein Teil des Kältemittels direkt von einem Kompressor an den Außenwärmetauscher abgegeben, um auf diese Weise den Innenraum-Wärmetauscher und ein Expansionsventil zu umgehen. Auf diese Weise wirkt der Außenwärmetauscher als Kondensator und das Eis wird durch die Kondenswärme im Außenwärmetauscher geschmolzen. Hierdurch wird die Wärmeleistung des Innenraum-Wärmetauschers verringert.
  • Bei beiden o. g. japanischen Druckschriften wird die Wärmeleistung des Innenraum-Wärmetauschers reduziert, wenn auch eine Reduzierung der Temperatur im Fahrgast-Innenraum minimiert wird. Im Falle eines Dauerbetriebes der Klimaanlage hat der Abtau-Betrieb nur geringen Einfluss, jedoch wirkt sich ein Abtau-Betrieb von bspw. 30 Minuten bei einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges aus, welche bspw. nur eine Stunde betrieben wird, so dass eine gewisse Temperaturreduzierung im Fahrgastraum erfolgt.
  • Gemäß einem in der EP 0 788 910 A2 offenbarten Heiz-/Kühlkreislauf für eine Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug wird ein Verzögerungs-Betrieb beschrieben, bei dem die Ablagerung von Eis am Außenwärmetauscher verzögert wird, wodurch die Heizdauer verlängert und ein Abtau-Betrieb hinausgezögert werden kann.
  • Derartige Klimaanlagen lassen noch Wünsche, insbesondere in Hinblick auf die Dauer des Abtau-Betriebes, offen.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung die vorgenannten Nachteile zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren und einen verbesserten Heiz-/Kühlkreislauf für eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges bereitzustellen, sowie ein Verfahren zur Regelung der Klimaanlage.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Klimaanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 16 und ein Verfahren nach Anspruch 17.
  • Erfindungsgemäß ist ein Heiz-/Kühlkreislauf für ein Kraftfahrzeug mit einem Verdampfer zur Abkühlung von einem Innenraum zuzuführender Luft, einem Heizwärmetauscher zur Aufheizung der dem Innenraum zuzuführenden Luft, einem Außenwärmetauscher, mit einem Kompressor zum Fördern von Kältemittel, einem ersten Expansionsorgan, das dem Verdampfer zugeordnet ist, einem zweiten Expansionsorgan, das dem Außenwärmetauscher zugeordnet ist und Kältemittelleitungen, über welche die vorgenannten Komponenten miteinander verbunden sind, wobei eine Abtau-Schaltung des Kreislaufs den Kompressor, den Außenwärmetauscher und das zweite Expansionsorgan umfasst. Durch eine derartige Abtau-Schaltung durchläuft das Kältemittel zuerst eine Druckerhöhung im Kompressor und nachfolgend, ggf. auch vor einer Expansion, eine Wärmeabgabe im vereisten Außenwärmetauscher. Hierbei wird der Außenwärmetauscher im durch die Abtau- Schaltung durchgeführten Abtau-Betrieb vom umlaufenden Kältemittel geheizt. Auf diese Weise kann der vereiste Außenwärmetauscher schnell aufgetaut werden, insbesondere wenn die Anforderungen der Motorkühlung durch eine wegen Vereisung reduzierte Luftmenge nicht erfüllt werden können.
  • Vorzugsweise ist das zweite Expansionsorgan dem Kompressor nachgeschaltet. Hierbei ist vorzugsweise das zweite Expansionsorgan dem Außenwärmetauscher vorgeschaltet. Da der Saugdruck im wesentlichen durch die kälteste Stelle im Abtau-Kreislauf festgelegt wird, wird dieser in diesem Fall durch den vereisten Außenwärmetauscher bestimmt, so dass eine höhere Abtau-Leistung als im Falle einer Anordnung des Außenwärmetauschers vor dem Expansionsorgan möglich ist. Hierfür wird im Abtau-Betrieb das Kältemittel im Kompressor verdichtet, zum Expansionsorgan geleitet und dort entspannt und gibt seine Wärme im Außenwärmetauscher ab, wobei die Wärme Eis, das sich im Außenwärmetauscher befindet, abtaut.
  • Vorzugsweise ist das zweite Expansionsorgan, insbesondere kontinuierlich, regelbar und kann elektrisch angesteuert werden.
  • Um die Leistungen der Wärmetauscher noch besser an der Bedarf anpassen zu können, ist bevorzugt auch die Kompressorleistung durch Verstellung des Hubvolumens oder der Kompressordrehzahl regelbar.
  • Vorzugsweise ist ein Sensor in der Luft vor dem Außenwärmetauscher vorgesehen, wobei dieser Sensor vorzugsweise die Außentemperatur der Luft ermittelt. Dies kann vorzugsweise direkt vor dem Außenwärmetauscher erfolgen, jedoch auch an beliebigen anderen Stellen, an denen keine durch Einflüsse wesentlich veränderte Außentemperatur gemessen werden kann, wie bspw. am Ansaugtrakt der Klimaanlage. Bei dem Sensor handelt es sich vorzugsweise um einen Temperatursensor.
  • Vorzugsweise ist ein Sensor am Kältemittel nach dem Außenwärmetauscher, insbesondere im niederdruckseitigen Bereich, d. h. irgendwo zwischen dem Austritt des Außenwärmetauschers, dem Austritt des Verdampfers und dem Eintritt in den Kompressor, vorgesehen. Dieser Sensor kann bspw. die Temperatur des Kältemittels ermitteln. Gemäß einer Alternative kann der Sensor den Druck ermitteln, welcher in engem Zusammenhang mit der Temperatur steht.
  • Der Heiz-/Kühlkreislauf umfasst vorzugsweise eine Regelungsvorrichtung, die in Abhängigkeit von der mittels der Temperatursensoren ermittelten Temperaturen den Heiz-/Kühlkreislauf regelt, d. h. bei Bedarf in den Abtau- Betrieb und/oder wieder zurück in den Normalbetrieb schaltet.
  • Bevorzugt wird als Kältemittel für den erfindungsgemäßen Heiz- oder Kühlkreislauf CO2 eingesetzt, da CO2 optimal für einen Wärmepumpenbetrieb, wie er mit dem erfindungsgemäßen Kreislauf durchführbar, geeignet ist. Bei Einsatz von CO2 als Kältemittel ist bevorzugt ein innerer Wärmetauscher zum Austausch von Wärme zwischen einem hochdruckseitigen und einem niederdruckseitigen Abschnitt des Heiz-/Kühlkreislaufs vorgesehen. Der Einsatz des Kältemittels CO2 hat zur Folge, dass ein Teil der Betriebspunkte bei überkritischen Zuständen liegen, so dass die Wärmeabgabe oft ohne Kondensation erfolgt.
  • Vorzugsweise ist im Heiz-/Kühlkreislauf eine absperrbare Heizbypassleitung zur kältemittelseitigen Umgehung des Heizwärmetauschers vorgesehen. Diese Leitung wird durch ein Ventil geöffnet, welches ausschließlich im Abtau-Betrieb offen ist. Die Leitung führt das vom Kompressor kommende Kältemittel dem Expansionsorgan zu.
  • Um die Kältemitteldruckverluste innerhalb der Leitungen und Wärmetauscher so gering wie möglich zu halten und im Kühl- bzw. Heizbetrieb den entsprechend den Bedingungen optimale Betriebspunkt einstellen zu können, ist eine absperrbare Heizbypassleitung zur kältemittelseitigen Umgehung des Heizwärmetauschers und des dem Außenwärmetauscher zugeordneten Expansionsorgans sowie eine absperrbare Kühlbypassleitung zur Umgehung des Verdampfers und des zugeordneten Expansionsorgans vorgesehen. Weiterhin lassen sich so die Komponenten Verdampfer oder Heizwärmetauscher, falls ihre Funktion nicht benötigt wird oder sogar nachteilig wäre, komplett ausschalten.
  • Damit sich im Kühlbetrieb, wenn ausschließlich der Verdampfer arbeitet und die dem Fahrzeuginnenraum zuzuführende Luft abkühlt, kein Kältemittel in dem Heizwärmetauscher, der durch die vom Verdampfer abgekühlte Luft zwingendermaßen auch abgekühlt wird, da die Luft diesen durchströmt, ansammelt, ist eine drosselbare Leitung zwischen einer mit dem Heizwärmetauscher verbundenen Leitung und einer Leitung auf dem niedrigem Druckniveau des Verdampfers vorgesehen.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
  • Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Heiz-/Kühlkreislauf im Betriebsmodus Kühlen;
  • Fig. 2 den erfindungsgemäßen Heiz-/Kühlkreislauf im Betriebsmodus Heizen;
  • Fig. 3 den erfindungsgemäßen Heiz-/Kühlkreislauf im Betriebsmodus Reheat;
  • Fig. 4 den erfindungsgemäßen Heiz-/Kühlkreislauf im Betriebsmodus Abtauen.
  • Ein erfindungsgemäßer Heiz-/Kühlkreislauf 10 für eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges weist einen in einem Klimagerät 12, das in der Regel in einer Armaturentafel des Kraftfahrzeuges angeordnet ist, angeordneten Verdampfer 14 und einen luftseitig dem Verdampfer 14 nachgeordneten Heizwärmetauscher 16 auf. Über ein Gebläse (nicht dargestellt) kann Umluft oder Frischluft durch das Klimagerät 12 gefördert werden, wie durch einen Pfeil dargestellt ist, wobei die Luft im Verdampfer 14 abgekühlt und im Heizwärmetauscher 16 erwärmt werden kann. Optional ist luftseitig vor oder nach dem Heizwärmetauscher 16 ein weiterer Heizwärmetauscher 20 angeordnet, der über Kühlmittelleitungen K mit einem nicht dargestellten Antriebsaggregat des Kraftfahrzeuges verbunden ist, so dass heißes Kühlmittel den Heizwärmetauscher durchströmen kann. Die Funktion dieses Heizwärmetauschers 16 kann beispielsweise durch ein Heiz-Regelventil 40 oder auch mit Hilfe von Klappen (nicht dargestellt), mit denen die Luft in gewünschtem Verhältnis zum Heizwärmetauscher 16 geführt oder daran vorbeigeführt wird, bedarfsgerecht gesteuert werden. Die im Klimagerät 12 temperierte Luft kann über geeignete Ausströmer dem Fahrzeuginnenraum zugeführt werden.
  • Neben dem Verdampfer 14 und dem Heizwärmetauscher 16 weist der Heiz- /Kühlkreislauf 10 einen Außenwärmetauscher 22 und einen Kompressor 24 auf. Diese Komponenten des Heiz-/Kühlkreislaufes sind über Kältemittelleitungen L1 bis L12 in unten beschriebener Weise miteinander verbunden. Eingangsseitig des Kompressors 24 ist in der Leitung L7 ein Kältemittelsammler 26 vorgesehen.
  • Dem Verdampfer 14 ist eingangsseitig ein erstes Expansionsorgan 28 zugeordnet und dem Außenwärmetauscher 22 ist eingangsseitig ein weiteres Expansionsorgan 30 zugeordnet. Beide Expansionsorgane 28 und 30 sind bevorzugt elektrisch ansteuerbar und kontinuierlich regelbar. Des weiteren sind Ventile 32, 34, 36, 38, 40 und 44 vorgesehen, deren Funktionen weiter unten beschrieben werden. Hierbei handelt es sich bei den Ventilen 32, 34, 36, 44 um Schaltventile, die vorzugsweise elektrisch ansteuerbar sind. Beim Ventil 38 handelt es sich vorzugsweise um eine Drossel. Die Ventile 32, 34, 44 können auch eine bauliche Einheit bilden (ein sogenanntes 4/3-Wege- Ventil), wobei Bauraum- und Kostenvorteile entstehen können.
  • Im Kühlbetrieb (Fig. 1), wenn also die dem Fahrzeuginnenraum zuzuführende Luft ausschließlich gekühlt werden soll, ist der Heiz-/Kühlreislauf 10 wie folgt verschaltet:
  • Ausgehend vom Kompressor 24 wird das Kältemittel über die Leitungen L1, L2 und L3 dem Außenwärmetauscher 22 zugeführt. Dazu ist das Ventil 32 geöffnet und die Ventile 34 und 44 geschlossen. Im Außenwärmetauscher 22 wird das als Heißgas vorliegende Kältemittel abgekühlt. Vom Außenwärmetauscher 22 strömt das Kältemittel über die Leitungen L4 und L5 zum ersten Expansionsorgan 28. Bei Durchströmen des Expansionsorgan 28 entspannt das Kältemittel und wird über die Leitung L6 dem Verdampfer 14, in dem das Kältemittel verdampft und somit der zu kühlenden Luft Wärme entzieht, zugeführt. Über eine Leitung L7 wird das Kältemittel über den Kältemittelsammler 26 zurück zum Kompressor 24 geführt. In einem inneren Wärmetauscher 42 erfolgt, zur Erhöhung der Leistung, ein Wärmeaustausch zwischen einem hochdruckseitigen Abschnitt (Leitung L5) und einem niederdruckseitigen Abschnitt (Leitung L7) statt, wobei im vorliegenden Fall Wärme vom hochdruckseitigen Abschnitt an den niederdruckseitigen Abschnitt abgegeben wird.
  • Im Kühlbetrieb ist der Heizwärmetauscher 16 nicht im Betrieb, und das Kältemittel wird über die Leitung L2 an diesem und dem zweiten Expansionsorgan 30 vorbeigeführt wird, so dass die Leitung L2 als Heizbypassleitung eingesetzt ist.
  • Im Heizbetrieb (Fig. 2), wenn die dem Fahrzeuginnenraum zuzuführende Luft ausschließlich aufgeheizt werden soll, ist der Verdampfer 14 außer Betrieb und der Heizwärmetauscher 16 in Betrieb. Der Heiz-/Kühlkreislauf 10 arbeitet dann als Wärmepumpe. Das Kältemittel wird vom Kompressor 24 über die Leitungen L1 und L8 als Heißgas dem Heizwärmetauscher 16zugeführt, in dem das Kältemittel Wärme abgibt und dabei die Zuluft aufheizt. Das Kältemittel wird über eine Leitung L9 dem zweiten Expansionsorgan 30 zugeführt und dort entspannt. Über eine Leitung L3 wird das Kältemittel dem Außenwärmetauscher 22 zugeführt, der jetzt als Verdampfer betreibbar ist, in dem das Kältemittel verdampft und der Außenluft Wärme entzieht. Über Leitungen L4, L10 (sowie gegebenenfalls in kleinem Umfang L7) wird das Kältemittel wieder dem Kompressor 24 zugeführt. Die Leitung L10, die über ein Ventil 36 absperrbar ist, dient in dem Heizbetrieb als Kühlbypassleitung zur kältemittelseitigen Umgehung des Verdampfers 14. Der innere Wärmetauscher 42 ist im Heizbetrieb ohne Funktion.
  • Zusätzlich kann im Heizbetrieb der weitere Heizwärmetauscher 20 betrieben werden, indem ein Heiz-Regelventil 40 entsprechend geöffnet wird, so dass heißes Kühlmittel von dem Antriebsaggregat zum Heizwärmetauscher 20 strömen kann.
  • Im Reheat-Betrieb (Fig. 3), der zum Entfeuchten und Erwärmen der dem Fahrzeuginnenraum zuzuführenden Luft dient, sind sowohl der Verdampfer 14 als auch der Heizwärmetauscher 16 in Betrieb, so dass die Luft zunächst im Verdampfer 14 abkühlen kann und die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit auskondensieren kann. Bevor die Luft dem Fahrzeuginnenraum zugeführt wird, kann sie im Heizwärmetauscher 16 und optional auch in dem weiteren Heizwärmetauscher 20 wieder erwärmt werden.
  • Das Kältemittel wird im Reheat-Betrieb ausgehend vom Kompressor 24 über die Leitungen L1 und L8 dem Heizwärmetauscher 16 zugeführt, so dass im Heizwärmetauscher 16 das Kältemittel Wärme an die Luft abgeben kann. Über die Leitung L9 wird das Kältemittel zum Expansionsorgan 30 geführt. Dieses kann es je nach dessen Einstellung ohne wesentlichen Druckverlust passieren, oder aber auf einen vorteilhaften Druck gedrosselt werden. Über die Leitung L3 wird das Kältemittel zum Außenwärmetauscher 22 geführt. Je nach Einstellung des Zwischendruckes entzieht das Kältemittel im Außenwärmetauscher 22 der Außenluft Wärme oder gibt Wärme an die Außenluft ab. Vom Außenwärmetauscher 22 wird das Kältemittel über die Leitungen L4, L5 dem Expansionsorgan 28 und über die Leitung L6 dem Verdampfer 14zugeführt. Vom Verdampfer 14 wird das Kältemittel über die Leitungen L7 wieder zum Kompressor 24 zurückgeführt.
  • Je nach Feuchtigkeitsgehalt und Temperatur der Luft wird zur gewünschten Entfeuchtung eine bestimmte Kühlleistung am Verdampfer 14 benötigt. Weiterhin wird abhängig davon, ob der Innenraum eines Fahrzeugs zu Fahrtbeginn noch kalt ist oder sich bereits während der Fahrt aufgeheizt hat eine sehr unterschiedliche Heizleistung zur anschließenden Erwärmung der Luft auf ein komfortables Niveau benötigt. Durch Variation der Expansionsorgane 28, 30 lässt sich der Druck im Außenwärmetauscher 22 idealerweise zwischen dem Druck am Verdampfer 14 und dem Hochdruck am Heizwärmetauscher 16 einstellen, wobei zu beachten ist, dass auch der Hochdruck am Heizwärmetauscher 16 neben dem Fördervolumen des Kompressors 24 insbesondere von der Stellung der Expansionsorgane 28 und 30 abhängig ist und auf einen für die entsprechenden Rahmenbedingungen vorteilhaften Wert eingestellt werden muss. Die Expansionsorgane 28 und 30 können deshalb nicht unabhängig voneinander eingestellt werden. Ist der Druck im Außenwärmetauscher hoch, d. h. ist das Expansionsorgan 30 weit geöffnet und das Expansionsorgan 28 weit geschlossen, so gibt der Außenwärmetauscher Wärme ab und das Verhältnis zwischen Heizleistung des Wärmetauschers 16 und Kühlleistung des Verdampfers 14 ist klein. Eine solche Einstellung ist also vorteilhaft bei kleinem Heizbedarf.
  • Wird dagegen das Expansionsorgan 30 zunehmend geschlossen und das Expansionsorgan 28 zunehmend geöffnet, so wird der Druck im Außenwärmetauscher 22 immer kleiner und die abgegebene Wärmeleistung des Außenwärmetauschers 22 sinkt. Dies hat eine sinkende spezifische Kälteleistung im Verdampfer 14 zur Folge. Damit steigt das Verhältnis von Heizleistung im Heizwärmetauscher 16 und Kälteleistung im Verdampfer 14.
  • Wenn der Druck im Außenwärmetauscher 22 so klein wird, dass die ihm zugeordnete Siedetemperatur des Kältemittels die Temperatur der außen anliegenden Luft unterschreitet, so wirkt der Außenwärmetauscher jetzt als Verdampfer und nimmt Wärme aus der Umgebung auf. Dies führt zu einer weiteren Verkleinerung der spezifischen Kälteleistung im Verdampfer 14.
  • Das Verhältnis von Heizleistung im Heizwärmetauscher 16 und Kälteleistung im Verdampfer 14 steigt also mit sinkendem Druck im Außenwärmetauscher 22.
  • Um das Kühl- und Heizleistungsangebot an den aktuellen Bedarf anzupassen, müssen die Expansionsorgane 28 und 30 so eingestellt werden, dass sich zum einen ein für die Gesamtleistung vorteilhafter Hochdruck am Heizwärmetauscher 16 einstellt und gleichzeitig ein für das Verhältnis von Kühl- und Heizleistung passendes Druckniveau im Außenwärmetauscher 22 herrscht. Die Gesamtleistung kann über das Fördervolumen des Kompressors 24 oder auch in gewissen Grenzen über die Wahl des Druckniveaus im Heizwärmetauscher 16 eingestellt werden.
  • Bevorzugt ist das zweite Expansionsorgan 30 absperrbar, so dass im Kühlbetrieb kein Kältemittel von der Leitung L3 in die Leitung L9 und damit den Heizwärmetauscher 16 gelangen kann. Alternativ kann diese Absperrung durch ein vor oder nach das Expansionsorgan 30 angeordnetes Rückschlagventil oder eine Rückschlagklappe erfolgen.
  • Bevorzugt ist auch das erste Expansionsorgan 28 absperrbar, so dass im Heizbetrieb kein Kältemittel unter hohem Druck von der Leitung L5 in die Leitung L6 und damit den Verdampfer 14 gefangen kann.
  • Wenn im Kühlbetrieb ausschließlich der Verdampfer 14 in Betrieb ist, wird die im Verdampfer 14 abgekühlte Luft den luftseitig nachgeordneten Heizwärmetauscher 16 abkühlen, wodurch es vorkommen kann, dass sich im Laufe der Zeit im Heizwärmetauscher 16 und den Kältemittelleitungen L8 und L9 Kältemittel ansammelt, das dann im restlichen Kreislauf fehlt. Außerdem könnte es im Stillstand der Anlage bei hohen Temperaturen durch eingeschlossenes Kältemittel zu unzulässig hohen Drücken im Heizwärmetauscher 16 kommen. Um diese Ansammlung zu vermeiden, ist eine über eine Drossel 38 drosselbare Leitung L11 vorgesehen, die eine Verbindung herstellt zwischen einer mit dem Heizwärmetauscher 16 verbundenen Leitung, vorzugsweise der Zulaufleitung L8 und einer Leitung oder Komponente, die sich auf niedrigem Systemdruck, d. h. zwischen Expansionsorgan 28 und Eintritt des Kompressors 24 - befindet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist dies die Rücklaufleitung L7, des Verdampfers 14. Diese Drossel 38 kann durch ein Ventil, wie im Ausführungsbeispiel, eine Engstelle in der Leitung L11 oder Kapillare, einen porösen Körper oder ähnliches dargestellt werden. Um eine Kältemittelansammlung zu vermeiden, kann die Drossel 38 sehr klein dimensioniert werden, so dass kein wesentlicher Einfluss auf die weitere Funktion des Kreislaufs 10 erfolgt.
  • In einem Betrieb, bei dem die Umgebungsluft als Wärmequelle dient, d. h. wenn im Außenwärmetauscher 22 Wärme von der Umgebungsluft aufgenommen wird (Heizbetrieb, z. T. auch Reheat-Betrieb), besteht die Gefahr eines Vereisens des Außenwärmetauschers 22, da sich durch den Wärmeentzug Luftfeuchtigkeit, d. h. Wasser am Außenwärmetauscher 22 abscheidet, das bei Temperaturen unter 0°C gefriert und den Außenwärmetauscher 22 vereist. Hierdurch wird der Luftstrom, der in den Fig. 1 bis 4 durch einen Pfeil angedeutet ist, beim Durchströmen behindert. Da dieser Luftstrom auch über den Kühlmittelkühler (nicht dargestellt), der die Motorabwärme abführt, strömt, kann eine mangelnde Luftbeaufschlagung des Kühlmittelkühlers, verbunden mit einem ungünstigen Fahrzustand (hohe Last), den Motor durch Überhitzung gefährden, weshalb eine Überwachung des Zustandes des Außenwärmetauschers 22 erforderlich ist. Hierfür wird die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur T1 der Luft am Eintritt und der Temperatur T2 des Kältemittels am Austritt des Außenwärmetauschers 22 ermittelt. Eine Vereisung liegt vor, d. h. ein Abtauen des Außenwärmetauschers 22 ist erforderlich, wenn die Temperaturdifferenz zu groß wird. Übliche Anhaltswerte für die Temperaturdifferenz T1 - T2 sind 5 bis 10 K für einen eisfreien Außenwärmetauscher 22 und 10 bis 20 K für einen vereisten Außenwärmetauscher 22, wobei jedoch eine Abhängigkeit von der Außentemperatur besteht.
  • Für den Abtau-Betrieb (Fig. 4) kann der Heiz-/Kühlkreislauf 10 so betrieben werden, dass eine Wärmeabgabe im Außenwärmetauscher 22 erfolgt, damit das Eis wieder entfernt wird, welches sich gebildet hat.
  • Das Kältemittel wird im Abtau-Betrieb ausgehend vom Kompressor 24 über die Leitungen L1 und L12 zum Expansionsorgan 30 geführt, wo es auf einen niedrigen Druck entspannt wird. Danach wird es über die Leitung L3 dem Außenwärmetauscher 22 zugeführt, in dem es seine Wärme abgeben kann, mit welcher das Eis geschmolzen und somit entfernt werden kann. Über die Leitungen L4 und L10 wird das Kältemittel über den Kältemittelsammler 26 zum - in dieser Betriebsart funktionslosen - inneren Wärmetauscher 42 und Kompressor 24 geführt.
  • Im Abtau-Betrieb sind die Ventile 36 und 42 offen, während die Ventile 32 und 34 geschlossen sind. Ferner ist das erste Expansionsorgan 28 vorzugsweise geschlossen, und das zweite Expansionsorgan 30 regelt.
  • Das Ende des Abtau-Vorganges kann folgendermaßen ermittelt werden: Es wird die Temperatur T2 des Kältemittels am Austritt des Außenwärmetauschers 22 ermittelt und mit einem Grenzwert verglichen. Der Grenzwert liegt üblicherweise bei 5 bis 10°C. Wird der Grenzwert überschritten, so ist der Abtauvorgang abgeschlossen und der Abtau-Betrieb beendet, so dass wieder zum Heizbetrieb oder Reheat-Betrieb übergegangen werden kann.
  • Das Abtauverhalten wird gemäß dem Ausführungsbeispiel dadurch unterstützt, dass während des Abtau-Betriebes der durch den Außenwärmetauscher 22 strömende Luftstrom minimiert oder vollständig unterbunden wird. Um den Außenwärmetauscher möglichst schnell vom geschmolzenen Eis, d. h. vom Schmelzwasser, zu befreien, wird am Ende des Abtau-Betriebes kurzzeitig ein großer bis vorzugsweise der maximale Luftstrom über den Außenwärmetauscher 22 geleitet, damit das Schmelzwasser aus dem Außenwärmetauscher 22 herausgeblasen wird und ein vorzeitiges erneutes Vereisen verhindert werden kann.
  • Bevorzugt wird als Kältemittel CO2 eingesetzt, da CO2 gute thermodynamische Eigenschaften aufweist, die es für einen Wärmepumpenbetrieb geeignet machen. Bei Einsatz von CO2 ist zur Leistungserhöhung ein innerer Wärmetauscher 42 vorgesehen, der einen Wärmetausch zwischen einem hochdruckseitigen Abschnitt (Leitung L5) und einem niederdruckseitigen Abschnitt (Leitung L7) bewirkt.

Claims (23)

1. Heiz-/Kühlkreislauf für ein Kraftfahrzeug mit einem Verdampfer (14) zur Abkühlung von einem Innenraum zuzuführender Luft, einem Heizwärmetauscher (16) zur Aufheizung der dem Innenraum zuzuführenden Luft, einem Außenwärmetauscher (22), mit einem Kompressor (24) zum Fördern von Kältemittel, einem ersten Expansionsorgan (28), das dem Verdampfer (14) zugeordnet ist, einem zweiten Expansionsorgan (30), das dem Außenwärmetauscher (22) zugeordnet ist und Kältemittelleitungen (L1 bis L12), über welche die vorgenannten Komponenten miteinander verbunden sind, wobei eine Abtau- Schaltung des Kreislaufs den Kompressor (24), den Außenwärmetauscher (22) und das zweite Expansionsorgan (30) umfasst.
2. Heiz-/Kühlkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Expansionsorgan (30) dem Kompressor (24) nachgeschaltet ist.
3. Heiz-/Kühlkreislauf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Expansionsorgan (30) dem Außenwärmetauscher (22) vorgeschaltet ist.
4. Heiz-/Kühlkreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Expansionsorgan (30) regelbar ist.
5. Heiz-/Kühlkreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des Kompressors (24) regelbar ist.
6. Heiz-/Kühlkreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor in der Luft vor dem Außenwärmetauscher (22) vorgesehen ist.
7. Heiz-/Kühlkreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor beim Kältemittel nach dem Außenwärmetauscher (22) vorgesehen ist.
8. Heiz-/Kühlkreislauf nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren Temperatursensoren sind.
9. Heiz-/Kühlkreislauf nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Drucksensor ist, der niederdruckseitig nach dem Außenwärmetauscher (22) angeordnet ist.
10. Heiz-/Kühlkreislauf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelungsvorrichtung vorgesehen ist, die in Abhängigkeit von der mittels der Sensoren ermittelten Daten den Heiz-/Kühlkreislauf regelt.
11. Heiz-/Kühlkreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kältemittel CO2 eingesetzt ist.
12. Heiz-/Kühlkreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine absperrbare Heizbypassleitung (L12) zur kältemittelseitigen Umgehung des Heizwärmetauschers (16) vorgesehen ist.
13. Heiz-/Kühlkreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine absperrbare Heizbypassleitung (L2) zur kältemittelseitigen Umgehung des Heizwärmetauschers (16) und des zweiten Expansionsorgans (30) vorgesehen ist.
14. Heiz-/Kühlkreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine absperrbare Kühlbypassleitung (L10) zur kältemittelseitigen Umgehung des Verdampfers (14) und des ersten Expansionsorgans (28) vorgesehen ist.
15. Heiz-/Kühlkreislauf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine drosselbare Leitung (L11) zwischen einer Verbindungsleitung zum Heizwärmetauscher (16) und einer Leitung oder Komponente auf niedrigem Systemdruck vorgesehen ist.
16. Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges mit einem Heiz-/Kühlkreislauf (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
17. Verfahren zur Regelung einer Klimaanlage mit einem Heiz-/Kühlkreislauf mit einem Außenwärmetauscher (22), einem Kompressor (24) zum Fördern von Kältemittel, einem Expansionsorgan (30), das dem Außenwärmetauscher (22) zugeordnet ist und Kältemittelleitungen (L1 bis L12), über welche die vorgenannten Komponenten miteinander verbunden sind, wobei der Außenwärmetauscher (22) in einem Abtau-Betrieb vom umlaufenden Kältemittel geheizt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass im Abtau-Betrieb das Kältemittel im Kompressor (24) verdichtet, zum Expansionsorgan (30) geleitet und dort entspannt wird und seine Wärme im Außenwärmetauscher (22) abgibt, wobei die Wärme Eis, das sich am und/oder im Außenwärmetauscher (22) befindet, abtaut.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperaturdifferenz (T1- T2) zwischen einer Temperatur (T1) der Luft und einer Temperatur (T2) des Kältemittels am Austritt des Außenwärmetauschers (22) ermittelt wird und mit einem Schwellwert für die Temperaturdifferenz verglichen wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Überschreiten des Schwellwertes für die Temperaturdifferenz (T1 - T2) die Klimaanlage in den Abtau-Betrieb geschaltet wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass während des Abtau-Betriebes eine Temperatur (T2) des Kältemittels am Austritt des Außenwärmetauschers (22) ermittelt wird und mit einem Schwellwert für die Temperatur (T2) des Kältemittels am Austritt des Außenwärmetauschers (22) verglichen wird und bei Überschreiten des Schwellwertes der Abtau-Betrieb beendet wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass während des Abtau-Betriebes keine oder nur minimal Luft über den Außenwärmetauscher (22) geleitet wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass beim oder nach dem Beenden des Abtau-Betriebes ein großer bis maximaler Luftstrom über den Wärmetauscher (22) geleitet wird.
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