DE10360349A1

DE10360349A1 - CO2-Kältemittelkreislauf

Info

Publication number: DE10360349A1
Application number: DE2003160349
Authority: DE
Inventors: Henry Hartung; Harry Nissen; Thomas Küppers; Dikran-Can Magzalci
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2005-07-14

Abstract

Die Erfindung betrifft einen CO¶2¶-Kältemittelkreislauf, bei dem das CO¶2¶-Kältemittel nacheinander einen Kompressor, einen Kältemittelkühler als Kältemittelverflüssiger, ein den Kältemittelfluss regelndes Expansionsorgan und einen Verdampfer, die jeweils durch eine Kältemittelleitung miteinander verbunden sind, durchströmt. Sie löst die Aufgabe, einen derartigen Kältemittelkreislauf so zu gestalten, dass eine Vereisung des Verdampfers verhindert bzw. eine stattgefundene Vereisung auf einfache Weise beseitigt wird. Dazu ist am Verdampfer (6) ein Eissensor (15) angeordnet, der über eine Steuereinrichtung (11) mit einem Ventil (13) in Wirkverbindung steht, das in einer Kältemittel-Nebenleitung (10) integriert ist, die die Ausgangsleitung des Kompressors (1) mit der Eingangsleitung des Verdampfers (6) verbindet und durch die im Falle einer Vereisung des Verdampfers (6) zumindest ein Kältemittel-Teil-Massenstrom strömt.

Description

Die Erfindung betrifft einen CO₂-Kältemittelkreislauf, insbesondere zur Anordnung in einer Fahrzeug-Klimaanlage.
In einem CO₂-Kältemittelkreislauf wird CO₂-Kältemittel (Kältemittel) in einem geschlossenen Kreisprozess Zustandsänderungen unterworfen, wozu zwei Wärmetauscher erforderlich sind. An einem ersten Wärmetauscher (Kältemittelkühler, - verflüssiger) wird dem durch einen Kompressor komprimierten und erhitzten gasförmigen Kältemittel Wärme entzogen, und an einem zweiten Wärmetauscher (Verdampfer) wird dem an einem Expansionsorgan entspannten Kältemittel von außen Wärme zugeführt, so dass das diesen durchströmende Kältemittel verdampft. Am Verdampfer vorbeiströmende Luft kann somit gekühlt und am Kältemittelkühler vorbeiströmende Luft erwärmt werden, sofern jeweils eine entsprechende Temperaturdifferenz vorhanden ist.
In Fahrzeug-Klimaanlagen wird daher die Luft, die der Fahrgastzelle zum Kühlen bzw. Klimatisieren derselben zugeführt wird, zum Verdampfer geführt und gekühlt, wobei das durch diesen geleitete Kältemittel verdampft und die dafür erforderliche Wärmemenge der vorbeiströmenden Außenluft oder der aus der Fahrgastzelle entnommenen Luft (Umluft) entzieht, und danach in die Fahrgastzelle geleitet. Im Kältemittelkühler wird dem Kältemittel die im Verdampfer zugeführte Wärmemenge durch Außenluft wieder entzogen. Das aus dem Verdampfer strömende gasförmige Kältemittel wird, bevor es wieder in den Kältemittelkühler geleitet und dort verflüssigt wird, in einem Kompressor verdichtet und in seiner Temperatur erhöht. Zwischen dem Verdampfer und dem Gaskühler ist des Weiteren ein Expansionsorgan angeordnet, das das im Kompressor verdichtete und mit einer höheren Temperatur versehene Kältemittel wieder entspannt und abkühlt und das auch den Kältemittelfluss regelt.
Wegen der schnellen Änderung der Betriebsbedingungen infolge der Fahrzeugbewegung mit wechselnden Fahrgeschwindigkeiten und unterschiedlichem Wärmeeinfall unterliegt der Kältebedarf großen Schwankungen, an den sich die Kälteleistung des Kompressors anpassen muss. Eine Kapazitätssteuerung im Kältemittelkreislauf kann in bekannter Weise durch eine Regulierung des Massendurchsatzes des den Kompressor passierenden Kältemittels (Kältemittelfluss) erfolgen. Eine bekannte Flüssigkeitsreguliervorrichtung ist ein thermostatisches Expansionsventil als Expansionsorgan, durch das die Überhitzung des verdampften Kältemittels am Ausgang des Verdampfers gesteuert werden kann. Zum Betreiben des Expansionsventils unter wechselnden Betriebsbedingungen wird ein Teil des Verdampfers zum Überhitzen des Kältemittels verwendet.
Kompressor und Expansionsventil trennen den Kältemittelkreislauf in einen Hochdruck- und einen Niederdruckbereich. Üblicherweise befindet sich im Hochdruckbereich oder im Niederdruckbereich auch ein Flüssigkeitssammler, in dem ein gewisser flüssiger Kältemittelvorrat gehalten wird, um den schwankenden Kältemittelbedarf des Verdampfers auszugleichen. Im Flüssigkeitssammler erfolgen auch die Reinigung und Trocknung des stark hygroskopischen Kältemittels, um Korossionsschäden in der Klimaanlage zu vermeiden.

In der WO 00/03883 und der DE 689 08 181 T4 sind Beispiele für Klimaanlagen mit einem CO₂-Kältemittelkreislauf für ein Kraftfahrzeug beschrieben.

Ein CO₂-Kältemittelkreislauf der zuvor beschriebenen Art kann auch als Wärmepumpe und damit als Heizgerät betrieben werden. Als wärmeabgebende Komponente dient dabei der Kältemittelverflüssiger, in dem an diesem dem Kältemittel die im Verdampfer zugeführte Wärmemenge wieder entzogen und dem Fahrzeuginnenraum erwärmt zugeführt wird, beispielsweise durch vorbeiströmende Außen- oder Umluft. Durch die Anordnung des Kältemittelverflüssigers im Klimagerät des Fahrzeugs hinter einem diesem zugeordneten Gebläse oder durch die Zuführung von Luft zum Klimagerät, die durch einen außerhalb des Klimagerätes angeordneten Kältemittelverflüssiger erwärmt wird, ist dies auf einfache Weise möglich. Unerwünscht dabei ist eine Vereisung des Verdampfers, zumindest in dessen Eingangsbereich. Diese tritt insbesondere im Wärmepumpenbetrieb auf, kann jedoch auch bei dem als Klimaanlage ausgelegten CO₂-Kältemittelkreislauf im Kühlbetrieb bei extrem niedrigen Außentemperaturen auftreten. Eine solche Vereisung des Verdampfers ist mit einer Verringerung des Wärmeaustauschs und damit mit einer Reduzierung der Kühl- bzw. Heizleistung verbunden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Kältemittelkreislauf nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so zu gestalten, dass eine Vereisung des Verdampfers verhindert bzw. eine stattgefundene Vereisung auf einfache Weise beseitigt wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Kältemittelkreislauf nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Die Erfindung besteht darin, dass bei einem CO₂-Kältemittelkreislauf, bei dem das Kältemittel nacheinander einen Kompressor, einen Kältemittelkühler als Kältemittelverflüssiger, ein den Kältemittelfluss regelndes Expansionsorgan und einen Verdampfer, die jeweils durch eine Kältemittelleitung miteinander verbunden sind, durchströmt, eine Kältemittel-Nebenleitung ausgebildet ist, die die Ausgangsleitung des Kompressors mit der Eingangsleitung zum Verdampfer verbindet, und dass am Verdampfer eingangsseitig ein Eissensor bekannter Bauart angeordnet ist, der über eine Steuereinrichtung mit einem in der Kältemittel-Nebenleitung angeordneten (Absperr-) Ventil, vorzugsweise einem Magnetventil, in Wirkverbindung steht.

Der Eissensor erkennt eine beginnende Vereisung, die insbesondere im Wärmepumpenbetrieb auftritt, bei dem der Kältemittelverflüssiger vorzugsweise im Innenraum des Fahrzeugs, insbesondere im Klimagerät, und der Verdampfer im Frontend des Fahrzeugs untergebracht sind, an der Oberfläche des Verdampfers und signalisiert diese dem Steuergerät. Dieses veranlasst eine Öffnung des Ventils, wodurch zumindest ein Teil-Massenstrom des im Kompressor komprimierten und erhitzten Kältemittels durch die Kältemittel-Nebenleitung direkt zur Verdampfereingangsleitung strömt und dort mit dem vom Expansionsventil zum Verdampfer strömenden kalten Haupt-Massenstrom vermischt wird. Dabei werden dessen Temperatur und die Temperatur an der Verdampferaußenfläche erhöht, was ein Tauen des Eises zur Folge hat. Der Eissensor erkennt die aufgetaute Feuchtigkeit und signalisiert dieses wiederum an das Steuergerät, mit der Folge, dass das Ventil geschlossen wird. Auf diese Weise wird der Verdampfer im wesentlichen eisfrei gehalten, und dessen Wirkungsgrad bleibt konstant. Der CO₂-Kältemittelkreislauf ist damit auch unter extremen Bedingungen prozesssicher.

Vorteilhaft ist es, wenn ein dem Verdampfer zugeordnetes Gebläse ebenfalls mit dem Eissensor bzw. mit dem mit diesem in Wirkverbindung stehenden Steuergerät gekoppelt ist; derart, dass das Gebläse bei einer Enteisung des Verdampfers automatisch. ausgeschaltet und bei einer beendeten Enteisung wieder zugeschaltet wird. Dadurch wird der Enteisungsprozess beschleunigt.

In bekannter Weise kann der CO₂-Kältemittelkreislauf in der Ausgangsleitung des Kältemittelkühlers einen inneren Wärmetauscher mit der Saugleitung des Kompressors aufweisen, durch den das unter Hochdruck stehende gekühlte Kältemittel zum Expansionsorgan und das überhitzte entspannte Kältemittel zum Kompressor geleitet werden, so dass eine Abkühlung des zu entspannenden und zu verdampfenden Kältemittels erfolgt und der Flüssigkeitsanteil des Kältemittels nach der Expansion steigt und somit mehr flüssiges Kältemittel zur Verdampfung zur Verfügung steht. Der innere Wärmetauscher erhöht damit die Kälteleistung und auch die Effizienz des Kältekreislaufs. Aber auch wegen der schnellen Änderung der Betriebsbedingungen ist ein innerer Wärmetauscher vorteilhaft.

Als Expansionsorgan wird vorteilhafterweise ein thermostatisches Expansionsventil eingesetzt. Im Anfahrzustand der Klimaanlage ist die Überhitzung am Verdampferausgang erhöht, so dass das Expansionsventil weit öffnet und der Kältemittelmassenstrom erhöht wird, wodurch in kürzester Zeit die maximale Kälte- bzw. Wärmeleistung erreicht wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. In der zugehörigen Zeichnung ist ein CO₂-Kältemittelkreislauf mit einer Kältemittel-Nebenleitung schematisch dargestellt.
Dieser weist in einem Kältemittel-Hauptkreis in Kreislaufrichtung nacheinander einen Kompressor 1, einen Kältemittelkühler (Kältemittelverflüssiger) 2, einen inneren Wärmetauscher 3 mit einer ersten Kältemittel-Leitungsschlange 3.1, ein thermostatisches Expansionsventil 4 bekannter Bauart mit einem thermostatischen Sensor 5, einen Verdampfer 6, an dessen Ausgang der Sensor 5 angeordnet ist, einen Kältemittelsammler 7 und den Wärmetauscher 3 mit einer zweiten Kältemittel-Leitungsschlange 3.2 vor dem Kompressor 1 auf. Dem Kältemittelkühler 2 und dem Verdampfer 6 sind jeweils ein Gebläse 8, 9 zugeordnet, die beide von einem Elektromotor M angetrieben werden. Am Kältemittel-Hauptkreis ist zwischen der Ausgangsleitung des Kompressors 1 und der Eingangsleitung zum Verdampfer 6 eine Kältemittel-Nebenleitung 10 ausgebildet, der ein mit einem Steuergerät 11 über eine elektrische Leitung 12 gekoppeltes Magnetventil 13 zugeordnet ist. Der Motor des Gebläses 8 ist ebenfalls über eine elektrische Leitung 14 mit dem Steuergerät 11 verbunden. Am Verdampfer 6 ist eingangsseitig ein Eissensor 15 bekannter Bauart angebracht, der über eine Signalleitung 16 mit dem Steuergerät 11 – und über dieses wiederum mit dem Magnetventil 13 – verbunden ist.
Das Kältemittel, das auf der Saugseite des Kompressors 1 einen Druck von im wesentlichen 35 bis 45 bar und eine Temperatur von ca. 25° C aufweist, wird im Kompressor 1 auf einen Druck von ca. 110 bar verdichtet, wobei die Temperatur des Kältemittels auf etwa 120° bis 150° C steigt. Im Kältemittelkühler 2 wird das Kältemittel durch vom Gebläse 9 angesaugte und vorbeiströmende Außenluft auf ca. 55° bis 60° C abgekühlt und dabei verflüssigt. Die dem Kältemittel entnommene Wärme wird mit der Außenluft über ein nicht dargestelltes Klimagerät der Fahrgastzelle zugeführt. Im inneren Wärmetauscher 3 gibt das durch die Leitungsschlange 3.1 strömende Kältemittel Wärme an das durch die Leitungsschlange 3.2 strömende Kältemittel ab, die in die Saugleitung des Kompressors integriert ist, wobei es auf eine Temperatur von im wesentlichen 25° C abgekühlt wird. Im Expansionsventil 4 wird das flüssige Kältemittel auf einen Druck von ca. 35 bis 45 bar entspannt und auf eine Temperatur von –5° bis –20° C abgekühlt. Mit diesem Zustand gelangt es in den Verdampfer 6, in dem es durch Wärmeaufnahme aus vom Gebläse 8 angesaugter Außenluft bei einem gleichbleibenden Druck von etwa 35 bis 45 bar, der dem Saugdruck am Kompressor 1 entspricht, verdampft. Ist nun die Außenluft kalt und die Temperaturdifferenz zum Kältemittel klein, vereist der Verdampfer 6 außenseitig, zumindest im Eingangsbereich. Diese Vereisung wird vom Eissensor 15 erkannt und dem Steuergerät signalisiert, in dem auf der Grundlage eines in diesem abgelegten Kennfeldes das Magnetventil 13 geöffnet wird, mit der Folge, dass zumindest ein Teil des Kältemittel-Massenstromes mit einer Temperatur von 120° bis 150° C durch die Kältemittel-Nebenleitung 10 zum Eingang des Verdampfers 6 strömt und mit dem durch das Expansionsventil 4 entspannten und auf –5° bis –20° C abgekühlten Kältemittel vermischt wird, wodurch die Temperatur am Verdampfereingang und im Verdampfer 6 steigt. Diese Temperaturerhöhung führt zu einer Enteisung an der Außenseite des Verdampfers 6, die durch den Eissensor 15 dem Steuergerät signalisiert wird, über das das Magnetventil 13 wieder geschlossen wird. Der Kältemittelstrom in der Nebenleitung 10 wird gestoppt, und das Kältemittel strömt nur noch durch den Hauptkreis. Dieser Vorgang wiederholt sich bei einer erneuten Vereisung. Zur Beschleunigung der Enteisung kann auch der gesamte Kältemittel-Massenstrom vom Kompressor 1 über die Nebenleitung 10 zum Verdampfer 6 geleitet werden.
Das Expansionventil 4 als verstellbares Massenstromventil wird so eingestellt, dass der dieses passierende Kältemittel-Massenstrom derart bestimmt ist, dass das Kältemittel im Verdampfer 6 vollständig in den gasförmigen Zustand überführt wird und am Verdampferausgang um etwa 2° bis 4° C überhitzt ist. Bei einer erhöhten geforderten Kälte- bzw. Wärmeleistung, also wenn das Kältemittel mehr Wärme am Verdampfer aufnehmen bzw. am Kältemittelkühler abgeben muss, steigt der Anteil der gasförmigen Phase im Verdampfer 6 und damit auch die Überhitzung, und es wird über den Sensor 5 die Öffnung des Expansionsventils 4 geweitet, so dass der Kältemittel-Massenstrom verstärkt und die Überhitzung reduziert werden.
Das Kältemittel hat am Ausgang des Verdampfers in Abhängigkeit von der geforderten Wärmeleistung etwa eine Temperatur von –2° bis –15° C. Mit dieser Temperatur gelangt das Kältemittel in den Flüssigkeitssammler 7, in dessen unteren Teil sich die flüssige Phase absetzt. Über den Ausgang am Flüssigkeitssammler 7 gelangt ausschließlich gasförmiges CO²-Kältemittel über den Wärmetauscher 3 in den Kompressor 1, wobei das Kältemittel im Wärmetauscher wieder auf ca. 25° C erwärmt wird.

1: Kompressor
2: Kältemittelkühler
3: Wärmetauscher
3.1: Leitungsschlange
3.2: Leitungsschlange
4: Expansionsventil
5: Sensor
6: Verdampfer
7: Flüssigkeitssammler
8: Gebläse
9: Gebläse
10: Nebenleitung
11: Steuergerät
12: Leitung
13: Magnetventil
14: Leitung
15: Eissensor
16: Signalleitung
M: Elektromotor

Claims

CO₂-Kältemittelkreislauf, bei dem das CO2-Kältemittel nacheinander einen Kompressor, einen Kältemittelkühler als Kältemittelverflüssiger, ein den Kältemittelfluss regelndes Expansionsorgan und einen Verdampfer, die jeweils durch eine Kältemittelleitung miteinander verbunden sind, durchströmt, dadurch gekennzeichnet, dass am Verdampfer (6) eingangsseitig ein Eissensor (15) angeordnet ist, der über eine Steuereinrichtung (11) mit einem Ventil (13) in Wirkverbindung steht, das in einer Kältemittel-Nebenleitung (10) integriert ist, die die Ausgangsleitung des Kompressors (1) mit der Eingangsleitung des Verdampfers (6) verbindet und durch die im Falle einer Vereisung des Verdampfers (6) zumindest ein Kältemittel-Teil-Massenstrom strömt.
Kältemittelkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Verdampfer (6) zugeordnetes Gebläse (8) für Außen- oder Umluft an die Steuereinrichtung (11) gekoppelt ist.
Kältemittelkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (13) ein Magnetventil ist.
Kältemittelkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ausgangsleitung des Kältemittelkühlers (2) ein innerer Wärmetauscher (3) mit der Saugleitung (Leitungschlange 3.2) des Kompressors (1) gebildet ist.
Kältemittelkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsorgan ein thermostatisches Expansionsventil (4) ist.
Kältemittelkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verdampfer (6) und dem Kompressor (1) ein Flüssigkeitssammler (7) angeordnet ist.
Verfahren zur Enteisung eines Verdampfers in einem CO₂-Kältemittelkreislauf, bei dem gasförmiges CO₂-Kältemittel in einem Kompressor verdichtet und erhitzt wird, anschließend durch einen ersten, als Kältemittelkühler genutzten Wärmetauscher gefördert, in diesem abgekühlt und verflüssigt wird, danach in einem Expansionsorgan entspannt und abgekühlt und in einem zweiten, als Verdampfer genutzten Wärmetauscher wieder in den gasförmigen Zustand versetzt und vom Kompressor angesaugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem durch das Expansionsorgan (4) entspannten und abgekühlten Kältemittel vor oder an dem Eingang des Verdampfers (6) komprimiertes und erhitztes Kältemittel aus dem Massenstrom des Kreisprozesses für die Dauer der Vereisung zugemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel dem Verdampfer (6) über eine zwischen dem Ausgang des Kompressors (1) und dem Eingang des Verdampfers (6) ausgebildete Kältemittel-Nebenleitung (10) zugeführt wird, in der ein durch eine Steuereinrichtung (11) ansteuerbares Ventil (13) angeordnet ist, und dass die Steuereinrichtung (11) die Signale eines am Verdampfereingang angeordneten Eissensors (15) empfängt und das Ventil (13) auf der Grundlage eines Kennfeldes und der Signale ansteuert.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Öffnen des Ventils (13) ein dem Verdampfer (6) zugeordnetes Gebläse (8) ausgeschaltet und beim Schließen desselben wieder zugeschaltet wird.
Verwendung des CO₂-Kältemittelkreislaufs nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche als Wärmepumpe in einem Fahrzeug.