DE10316086B4

DE10316086B4 - Fahrzeugklimaanlage, insbesondere CO2-Klimaanlage

Info

Publication number: DE10316086B4
Application number: DE2003116086
Authority: DE
Inventors: Dr. Hesse Ullrich
Original assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Current assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Priority date: 2003-04-08
Filing date: 2003-04-08
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2023-04-09
Also published as: DE10316086A1

Abstract

Fahrzeugklimaanlage, insbesondere CO2-Klimaanlage, deren Kältemittelkreislauf folgende Komponenten umfasst: Verdichter (6), Kältemittelkühler (7), Expansionsventil (9), und Verdampfer (5), wobei zwischen Verdichter (6) und Kältemittelkühler (7) ein mit einem motorseitigen Kühlwasserkreislauf (17) korrespondierender zusätzlicher Wärmetauscher (10) integriert ist, wobei der motorseitige Kühlwasserkreislauf (17) einen Heizwärmetauscher (2) sowie eine Pumpe (3) umfasst, wobei der Rücklauf des Heizwärmetauschers (2) mit dem Vorlauf der Pumpe (3) durch eine by-pass-Leitung (19) ganz oder teilweise fluidverbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass am Anschluss der by-pass-Leitung (19) entweder am Rücklauf des Heizwärmetauschers (2) oder am Vorlauf der Pumpe (3) ein Zwei-Wege-Ventil (20 bzw. 21) angeordnet ist, welches entweder ganz oder variabel umschaltbar ist, und dass der motorseitige Heizwärmetauscher (2) luftseitig durch einen by-pass überbrückbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugklimaanlage, insbesondere CO₂-Klimaanlage, deren Kältemittelkreislauf folgende Komponenten umfasst:
Verdichter,
Kältemittelkühler,
Expansionsventil, und
Verdampfer.
Derartige Fahrzeugklimaanlagen sind allgemein bekannt. Sie dienen zur Kühlung des Fahrgastraumes im Sommer. Die herkömmlichen Fahrzeugklimaanlagen sind eine Zusatzeinrichtung und arbeiten unabhängig vom Kühlkreislauf des Motors. Der kreisprozessinterne Wärmetauscher ist nicht zwingend erforderlich, wird aber bei einem CO₂-Verdichter bevorzugt eingesetzt.
In der DE 198 18 649 A1 ist eine Fahrzeugklimaanlage gezeigt, in der ein Wärmetauscher vorgesehen ist, der einerseits vom Kältemittel der Klimaanlage und andererseits von einem Kühlmittel des Antriebsmotors durchströmt wird, so dass ein Wärmeaustausch zwischen Kältemittelkreislauf und Kühlmittelkreislauf möglich ist.
In der DE 199 56 893 A1 ist ein Kühlkreis für einen Verbrennungsmotor gezeigt, der einen Hauptwärmetauscher zur Kühlung eines im Kühlkreis zirkulierenden Kühlmedium sowie einen Nebenwärmetauscher zur Erwärmung der dem Fahrzeuginnenraum zugeführten Luft aufweist, wobei zumindest einer der Wärmetauscher eine by-pass-Leitung aufweist, um den jeweiligen Wärmetauscher zu überbrücken.
Aus der DE 197 19 287 A1 ist des weiteren bekannt, einen motorseitigen Wärmetauscher luftseitig mit einer by-pass-Leitung zu überbrücken.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Kältemittelkreislauf der Klimaanlage mit dem Kühlkreislauf des Fahrzeugmotors energetisch zu verbinden, um auf diese Weise eine insgesamt verbesserte Energiebilanz zu erhalten.
Dieses Ziel wird durch die relativ einfache Maßnahme erreicht, dass zwischen Verdichter und Kältemittelkühler des Kältemittelkreislaufes ein mit einem motorseitigen Kühlwasserkreislauf korrespondierender zusätzlicher Wärmetauscher integriert ist. Damit ist zum einen ein energetisch günstigerer Kühlbetrieb möglich, wobei als Nebeneffekt ein kostengünstigerer Kältemittelkühler eingesetzt werden kann. Die Wärme, die vom zusätzlichen Wärmetauscher an den Kühlwasserkreislauf übertragen wird, lässt sich z. B. in einem by-pass um den Heizwärmetauscher des Kühlwasserkreislaufes unmittelbar dem Fahrzeugmotor zuführen. Im Leerlauf, bei niedrigen Lasten und im Warmlauf dient diese Wärme dazu, den Motor schnell auf energetisch günstigere Betriebstemperatur zu bringen und zu halten, wodurch Kraftstoff eingespart werden kann. Ist der Motor betriebswarm, wird die Wärme über den üblichen Motorkühler abgeführt.
Der Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung sei anhand der 4 nochmals näher erläutert. Diese zeigt eine übliche Anordnung für den Heizabschnitt eines Kältemittelkreislaufes eines Kraftfahrzeuges und das Anlagen-Schema bzw. den Kältemittelkreislauf einer CO₂-Klimaanlage, die allein für einen Kühlbetrieb ausgelegt ist. Der erwähnte Heizabschnitt umfasst einen Motor 1, einen Heizwärmetauscher 2, eine Umwälzpumpe 3, bei der es sich üblicherweise um die Hauptwasserpumpe des Motors 1 handelt, und ein Zwei-Wege-Ventil 4. Für den Kältemittelkreislauf sind die wesentlichen Komponenten mit einem Verdampfer 5, einem Verdichter 6, einem Kältemittelkühler 7, einem kreisprozessinternen Wärmetauscher 8 und einem Expansionsventil 9 dargestellt. Der kreisprozessinterne Wärmetauscher ist nicht zwingend erforderlich, wird bei dem Kältemittel CO₂ aber bevorzugt eingesetzt. Bei anderen Kühlmitteln wie z. B. R134a wird auf den Einsatz des kreisprozessinternen Wärmetauschers meist verzichtet. Der Heizwärmetauscher 2 ist im dargestellten Fall durch eine by-pass-Leitung überbrückbar, wobei zwischen dieser by-pass-Leitung und dem Heizwärmetauscher 2, insbesondere Heizwärmetauscherauslass das vorerwähnte Zwei-Wege-Ventil 4 angeordnet ist. Durch entsprechende Umschaltung dieses Ventils lässt sich das Kühlwasser entweder durch den Heizwärmetauscher 2 oder an diesem vorbei leiten. Ein luftseitiger by-pass an Stelle des wasserseitigen ist ebenfalls möglich und üblich. Ventil 4 und die by-pass-Leitung können dann entfallen. Das Klimagerät weist dann entsprechende Luft-Klappen auf.
Um den Heizabschnitt des Kühlwasserkreislaufes des Fahrzeuges einerseits und den Kältemittelkreislauf der Klimaanlage andererseits energetisch miteinander abzustimmen, wird erfindungsgemäß ein zusätzlicher Wärmetauscher vorgesehen, der zwischen beiden Kreisläufen wirksam ist. Alternativlösungen sowie zusätzliche konstruktive Details sind in den Ansprüchen 2 ff. beschrieben. Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Klimaanlage anhand der beigefügten Schema-Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform (Schaltschema) einer erfindungsgemäßen Fahrzeugklimaanlage;
2 eine zweite Ausführungsform (Schaltschema) einer erfindungsgemäßen Fahrzeugklimaanlage;
3 eine weitere Abwandlung (Schaltschema) einer erfindungsgemäßen Fahrzeugklimaanlage; und
4 den Heizabschnitt eines Kältemittelkreislaufs eines Kraftfahrzeugs und den Kältemittelkreislauf einer CO₂-Klimaanlage aus dem Stand der Technik.
Die Klimaanlage gemäß 1 ist gegenüber dem Stand der Technik nach 4 dahingehend modifiziert, dass ein zusätzlicher Wärmetauscher 10 vorgesehen ist, der zum Enthitzen des gasförmigen Kältemittels und zum Übertragen der Wärme an einen Kühlwasserkreislauf eingebunden ist. Der Kühlwasserkreislauf ist mit der Bezugsziffer 17 gekennzeichnet. Im zusätzlichen Wärmetauscher 10 erfolgt also ein Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittelkreislauf einerseits und motorseitigem Kühlwasserkreislauf andererseits. Das auf hohe Temperatur erhitzte Kältemittel, vorzugsweise CO₂, stammt von dem dem Wärmetauscher 10 vorgeschalteten Verdichter 6.
Die Betriebsweise der Anordnung gemäß 1 ist wie folgt:
Im Verdampfer 5 verdampft das Kältemittel und nimmt so Wärme aus der Umgebungsluft auf, die der Fahrgastzelle zugeführt wird. Im kreisprozessinternen Wärmetauscher 8 wird Sauggas überhitzt und dem Verdichter 6 zugeführt. Bei CO₂ als Kältemittel wird dieses auf einen Druck von zum Beispiel 70 bis 120 bar verdichtet und erreicht eine Verdichtungsendtemperatur von bis zu und über 150°C. Das Kältemittel wird anschließend im zusätzlichen Wärmetauscher 10 enthitzt und strömt in den nachgeordneten Kältemittelkühler 7, und zwar energetisch vorteilhaft bereits vorgekühlt, so dass im Kältemittelkühler 7 lediglich eine anteilige Kühlung des Kältemittels erfolgen muss. Das Kältemittel wird, bei CO₂ vorzugsweise, dann im kreisprozessinternen Wärmetauscher 8 weiter unterkühlt und durch das nachgeordnete Expansionsventil 9 auf Verdampfungsdruck gedrosselt. Energetisch vorteilhaft stehen für die Kühlung des Kältemittels, hier CO₂-Gas, sowohl der zusätzliche Wärmetauscher 10 als auch der Kältemittelkühler 7 zur Verfügung. Damit ist der Kühlbetrieb energetisch günstiger als bei einem reinen Kühlkreislauf nach 4. Im Leerlauf, bei niedrigen Lasten und im Warmlauf dient diese Wärme dazu, den Motor schneller auf energetisch günstige Betriebstemperatur zu bringen und zu halten und damit Kraftstoff einzusparen. Ist der Motor betriebswarm, wird überschüssige Wärme über den hier nicht näher dargestellten Motorkühler abgeführt. Ein weiterer Vorteil dieser Schaltung ist, dass außer dem zusätzlichen Wärmetauscher 10 der als Enthitzer eingesetzt wird, keine zusätzlichen Komponenten mehr erforderlich sind.
Wird der Motor bei hoher Fahrgeschwindigkeit unter hoher Last an seinem thermischen Grenzbereich betrieben, so wird der Kältemittelkühler 7 luftseitig hinreichend gut durchströmt, so dass der Verdichtungsenddruck niedrig genug und die Verdichtungsendtemperatur ebenfalls niedrig ist. In diesem Fall wird vom zusätzlichen Wärmetauscher 10 an den dann ohnehin heißen Kühlwasserkreislauf keine Wärme mehr übertragen, da die Temperaturdifferenz gering oder sogar negativ ist. Der Motor wird dann thermisch nicht mehr zusätzlich belastet. Der Motorkühler braucht daher auch nicht größer dimensioniert zu werden.
Als vorteilhaft zur schnelleren Aufheizung auch der Fahrgastkabine bei gleichzeitigem Betrieb der Klimaanlage zur Entfeuchtung kann sich die zeitweilige Trennung von Motorkühlkreislauf und Heizabschnitt des Kühlwasserkreislaufes 17 zum Beispiel nach den 2 und 3 erweisen. Die vom zusätzlichen Wärmetauscher 10 stammende Wärme wird nur zur Aufheizung eines kleinen ”Heizwasser-Kreislaufs” verwendet.
Ist die Kühlwassertemperatur hinreichend angestiegen, wird die Anlage wieder umgeschaltet, so dass vorrangig die Motorabwärme zum Heizen der Fahrgastkabine dient. Diese vorgenannte Umschaltung wird durch eine by-pass-Schaltung 19 zwischen dem Rücklauf des Heizwärmetauschers 2 und dem Vorlauf der Umwälzpumpe 3 erhalten, wobei entweder an letztgenanntem Anschluss ein Zwei-Wege-Ventil 20 (2) oder an erstgenanntem Anschluss ein Zwei-Wege-Ventil 21 (3) vorgesehen ist, mit dem die beschriebene Umschaltung möglich ist.
Die erwähnten Ventile 20, 21 können natürlich auch in Zwischenstellung gebracht werden abhängig vom gewünschten Betriebszustand.
Wie bereits oben erwähnt, ist der motorseitige Heizwärmetauscher 2 durch eine diesem unmittelbar zugeordnete by-pass-Leitung überbrückbar, wobei die Umleitung des Kühlmediums, nämlich Kühlwassers durch ein zwischen by-pass-Leitung und Heizwärmetauscher 2, insbesondere Heizwärmetauscher-Ein- oder -Auslass angeordnetes Zwei-Wege-Ventil 4 erfolgt. Alternativ kann auch ein luftseitiger by-pass um den Wärmetauscher im Klimagerät gefahren werden. Ventil und by-pass-Leitung können dann entfallen. Luftklappen sind dann erforderlich.
Schliesslich sei noch erwähnt, dass bei Bedarf der zusätzliche Wärmetauscher 10 entsprechend der Darstellung in 1 durch eine kältemittelseitige by-pass-Leitung 22 überbrückbar ist. Im Bereich des Anschlusses dieser by-pass-Leitung 22 am Vorlauf des zusätzlichen Wärmetauschers 10 ist noch ein Zwei-Wege-Ventil 23 vorgesehen, welches eine Umschaltung des Kältemittelkreislaufes durch den zusätzlichen Wärmetauscher 10 oder durch die by-pass-Leitung 22 und Umgehung des zusätzlichen Wärmetauschers 10 erlaubt. Vorzugsweise lässt das Ventil 23 auch Zwischenstellungen zu, je nach Betriebszustand der Gesamtanordnung. Ventil 23 kann auch in Strömungsrichtung dem Wärmetauscher 10 nachgeschaltet sein. Es wird dann vorteilhaft mit niedrigeren Temperaturen beaufschlagt.
Bezugszeichenliste

1: Motor
2: Heizwärmetauscher
3: Pumpe
4: Zwei-Wege-Ventil
5: Verdampfer
6: Verdichter
7: Wärmetauscher bzw. Kältemittelkühler
8: kreisprozessinterner Wärmetauscher
9: Expansionsventil
10: zusätzlicher Wärmetauscher
13: Kältemittel-Leitung (Kreislauf)
17: Kühlwasserkreislauf (Heizabschnitt)
19: by-pass-Leitung
20: Zwei-Wege-Ventil
21: Zwei-Wege-Ventil
22: by-pass-Leitung
23: Zwei-Wege-Ventil

Claims

Fahrzeugklimaanlage, insbesondere CO₂-Klimaanlage, deren Kältemittelkreislauf folgende Komponenten umfasst: Verdichter (6), Kältemittelkühler (7), Expansionsventil (9), und Verdampfer (5), wobei zwischen Verdichter (6) und Kältemittelkühler (7) ein mit einem motorseitigen Kühlwasserkreislauf (17) korrespondierender zusätzlicher Wärmetauscher (10) integriert ist, wobei der motorseitige Kühlwasserkreislauf (17) einen Heizwärmetauscher (2) sowie eine Pumpe (3) umfasst, wobei der Rücklauf des Heizwärmetauschers (2) mit dem Vorlauf der Pumpe (3) durch eine by-pass-Leitung (19) ganz oder teilweise fluidverbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass am Anschluss der by-pass-Leitung (19) entweder am Rücklauf des Heizwärmetauschers (2) oder am Vorlauf der Pumpe (3) ein Zwei-Wege-Ventil (20 bzw. 21) angeordnet ist, welches entweder ganz oder variabel umschaltbar ist, und dass der motorseitige Heizwärmetauscher (2) luftseitig durch einen by-pass überbrückbar ist.
Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf einen kreisprozessinternen Wärmetauscher (8) zwischen Kältemittelkühler- und Verdampferseite umfasst.
Klimaanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Wärmetauscher (10) bedarfsweise durch eine by-pass-Leitung (22) überbrückbar ist, und zwar ganz oder teilweise je nach Betriebszustand der Gesamtanordnung.
Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der motorseitige Heizwärmetauscher (2) durch eine diesem unmittelbar zugeordnete by-pass-Leitung überbrückbar ist, wobei die Umleitung des Kühlmediums, insbesondere Kühlwassers durch ein zwischen by-pass-Leitung und Heizwärmetauscher (2), insbesondere Heizwärmetauscher-Ein- oder -Auslass angeordnetes Zwei-Wege-Ventil (4) erfolgt.