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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Kompressionskältemaschine.
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Generell muss bei Kühlprozessen Wärme von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke abgeführt werden. Steht als Wärmesenke nur die Umgebungsluft zur Verfügung, so gibt es Obergrenzen der Temperatur, bei deren Überschreitung der Kühlprozess nicht mehr ausreichend funktioniert oder aufrecht gehalten werden kann.
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Typischerweise wird nach dem Stand der Technik als Kältemittel R134a (1,1,1,2-Tetrafluorethan) in Kompressionskältemaschinen verwendet, das ein nicht zu vernachlässigendes Treibhauspotential aufweist. Ein Nachteil des Kältemittels R134a ist, dass seine maximale Kondensationstemperatur in etwa 65°C betragen muss, um eine ausreichend hohe Kühleffizienz zu erreichen. Liegen nun hohe Umgebungstemperaturen vor, beispielsweise 55°C, so bleibt nur eine relativ geringe Temperaturdifferenz zwischen Kondensations- und Umgebungstemperatur für die Übertragung der Wärme von der Wärmequelle zur Wärmesenke (Umgebungsluft) übrig (niedrige Kälteleistung). Aufgrund der geringen Temperaturdifferenz werden nach dem Stand der Technik große Wärmeüberträgerflächen und/oder starke Lüfter zur Erhöhung der übertragenen Wärmemenge verwendet. Dadurch entstehen jedoch hohe Investitions- und/oder Betriebskosten. Für Fahrzeuge ergibt sich insbesondere der Nachteil, dass die großen Wärmeüberträgerflächen oder die starken Lüfter zum einen das Gesamtgewicht des Fahrzeuges erhöhen und zum anderen einen nicht zu vernachlässigenden Bedarf an Bauraum benötigen.
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Ein weiterer Nachteil der geringen relativen Temperaturdifferenz zwischen Kondensations- und Umgebungstemperatur ist, dass die Verfügbarkeit der Kompressionskältemaschine, insbesondere in Fahrzeugen, bei hohen und/oder schwankenden Umgebungstemperaturen gefährdet ist. Im schlimmsten Fall kann es zum Totalausfall der Kühlung kommen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, bei hohen Umgebungstemperaturen die Verfügbarkeit einer Kühlung eines Fahrzeuges zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Erfindungsgemäß wird ein Fahrzeug mit wenigstens einer ersten Kompressionskältemaschine vorgeschlagen, die zur Kühlung eines Innenraums des Fahrzeuges ausgebildet ist und ein zirkulierendes Kältemittel umfasst, wobei das Kältemittel einen Stoff aus der Familie der Fluorketone und/oder (Hydro)Fluorolefine und/oder (Hydro)Fluorchlorolefine umfasst.
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Kompressionskältemaschinen sind insbesondere für die mobile Nutzung in Fahrzeugen geeignet. Nach dem Stand der Technik wird als zirkulierendes Kältemittel in Kompressionskältemaschinen typischerweise R134a eingesetzt. Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines Kältemittels mit einem Stoff aus der Familie der Fluorketone und/oder (Hydro)Fluorolefine und/oder (Hydro)Fluorchlorolefine weist das Kältemittel der Kompressionskältemaschine eine höhere Kondensationstemperatur auf. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Temperaturdifferenz zwischen Kondensations- und Umgebungstemperatur vergrößert ist, so dass die Verfügbarkeit der Kompressionskältemaschine auch bei hohen und/oder schwankenden Umgebungstemperaturen gegeben ist. Generell können Kompressionskältemaschinen deren Kältemittel eine erhöhte Kondensationstemperatur aufweist, beispielsweise im Vergleich zu Kompressionskältemaschinen mit R134a, als Hochtemperaturkompressionskältemaschinen bezeichnet werden.
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Fluorketone und/oder (Hydro)Fluorolefine und/oder (Hydro)Fluorchlorolefine sind als Kältemittel für mobil eingesetzte Kompressionskältemaschinen besonders gut geeignet, da sie als Kältemittel betriebssicher und wartungsarm sind. Ferner weisen Fluorketone und/oder (Hydro)Fluorolefine und/oder (Hydro)Fluorchlorolefine meist eine höhere kritische Temperatur als R134a auf. Dadurch kann die Kondensationstemperatur durch die genannten Stofffamilien innerhalb der Kompressionskältemaschine erhöht werden, so dass sich die Temperaturdifferenz zwischen Kondensations- und Umgebungstemperatur vergrößert. Dies führt erfindungsgemäß zu einer erhöhten Kälteleistung und einer erhöhten Verfügbarkeit der Kompressionskältemaschine bei hohen und/oder schwankenden Umgebungstemperaturen. Durch die größere Temperaturdifferenz zwischen Kondensations- und Umgebungstemperatur können Wärmeüberträgerflächen und/oder Lüfter kleiner, leichter und kompakter ausgeführt werden, so dass sich vorteilhafterweise der Bedarf an Bauraum für die genannten Bauteile verringert. Überdies wird dadurch vorteilhafterweise das Gesamtgewicht des Fahrzeuges reduziert.
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Fluorketone und/oder (Hydro)Fluorolefine und/oder (Hydro)Fluorchlorolefine sind ein nachhaltiges und umweltfreundliches Kältemittel, die insbesondere die Kriterien für Kompressionskältemaschinen in Fahrzeugen, wie Umweltverträglichkeit, Toxizität und Handhabbarkeit des verwendeten Kältemittels erfüllen.
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Vorteilhafterweise kann durch die Verwendung von Fluorketonen und/oder (Hydro)Fluorolefinen und/oder (Hydro)Fluorchlorolefinen die Kondensationstemperatur des in der der Kompressionskältemaschine verwendeten Kältemittels vergrößert werden. Dadurch wird die Temperaturdifferenz zwischen der Kondensations- und Umgebungstemperatur vergrößert, so dass sich die Verfügbarkeit und Kälteleistung der Kühlung des Fahrzeuges, insbesondere bei hohen und/oder schwankenden Umgebungstemperaturen, verbessert. Fluorketone und/oder (Hydro)Fluorolefine und/oder (Hydro)Fluorchlorolefine sind vorteilhafterweise umweltverträglich, nicht toxisch und somit leicht handhabbar. Überdies wird durch die erfindungsgemäße Verwendung von Fluorketone und/oder (Hydro)Fluorolefine und/oder (Hydro)Fluorchlorolefine das Gewicht des Fahrzeuges und der Bedarf an Bauraum für Luftwärmeüberträger und/oder Lüfter verringert. Insbesondere kann die Emission von Wärme der Kompressionskältemaschine vorteilhafterweise mittels relativ kleinen und leichten Luftkühlern erfolgen. Ein weiterer Vorteil von Fluorketonen und/oder (Hydro)Fluorolefinen und/oder (Hydro)Fluorchlorolefine ist, dass diese nicht brennbar und somit für den mobilen Einsatz in Fahrzeugen besonders geeignet sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Kältemittel Dodecafluoro-2-methylpentan-3-on und/oder 1-chloro-3,3,3-trifluoroprop-1-ene.
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Vorteilhafterweise besitzt Dodecafluoro-2-methylpentan-3-on (CF3CF2C(O)CF(CF3)2) eine kritische Temperatur von etwa 169°C. Die kritische Temperatur liegt somit weit über der kritischen Temperatur von R134a (101,15°C).
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Durch die Verwendung von Dodecafluoro-2-methylpentan-3-on und/oder 1-chloro-3,3,3-trifluoroprop-1-ene ist die Temperaturdifferenz zwischen Kondensations- und Umgebungstemperatur stets ausreichend groß, so dass die Kühlleistung und/oder die Verfügbarkeit der Kompressionskältemaschine erhöht sind/ist.
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Ein weiterer Vorteil des Stoffes Dodecafluoro-2-methylpentan-3-on ist seine geringe Lebensdauer in der Atmosphäre. Dadurch ist eine atmosphärische Wirkung von Dodecafluoro-2-methylpentan-3-on, insbesondere in Bezug auf mögliche Klimaveränderungen, nur sehr eingeschränkt möglich. Aufgrund der hohen relativen dielektrischen Permittivität (in etwa 1,8 bei 1 kHz), die Dodecafluoro-2-methylpentan-3-on aufweist, kann es betriebssicher in Kontakt mit elektronischen Bauteilen verwendet werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst das Fahrzeug eine zweite Kompressionskältemaschine, die zusammen mit der ersten als Wärmepumpenkaskade aufgebaut ist. Hierbei ist ein Kondensator der zweiten Kompressionskältemaschine das gleiche Bauteil wie der Verdampfer der ersten Kompressionskältemaschine.
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Dadurch ergibt sich eine vorteilhafte Kaskadenschaltung der ersten und zweiten Kompressionskältemaschine. Hierbei umfasst die zweite Kompressionskältemaschine vorteilhafterweise ein Kältemittel, dessen Kondensationstemperatur geringer ist als die Kondensationstemperatur des Kältemittels der ersten Kompressionskältemaschine. Insbesondere lassen sich mehr als zwei Kompressionskältemaschinen gemäß der genannten Weise in Kaskaden zusammenschalten.
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Ein Vorteil der Kaskadenschaltung zweier Kompressionskältemaschinen ist, dass Wärme auf einem höheren Temperaturniveau an die Umgebungsluft abgegeben wird. Weiterhin ergibt sich der besondere Vorteil, dass bereits in einem Fahrzeug vorhandene Kompressionskältemaschinen, die hier der zweiten Kompressionskältemaschinen entsprechen, durch eine erste Kompressionskältemaschine, die erfindungsgemäß Fluorketone und/oder (Hydro)Fluorolefine und/oder (Hydro)Fluorchlorolefine als Kältemittel umfasst, ergänzt werden können. Es ist somit vorgesehen, die bereits vorhandene zweite Kompressionskältemaschine unter normalen Betriebsbedingungen hinsichtlich Verdampfungs- und/oder Kondensationstemperatur zu betreiben und dennoch durch Kaskadenschaltung mit der ersten Kompressionskältemaschine die Verfügbarkeit der Kühlung des Fahrzeuges auch bei hohen und/oder schwankenden Umgebungstemperaturen zu gewährleisten und zu verbessern.
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Es ist zu bemerken, dass prozesstechnisch die erste Kompressionskältemaschine als zweite Kompressionskältemaschine und die zweite Kompressionskältemaschine als erste Kompressionskältemaschine zu bezeichnen wäre, da die zweite Kompressionskältemaschine die niedrigere Kondensationstemperatur aufweist. Es wird jedoch auf eine Umbenennung verzichtet und die ursprüngliche Definition von erster und zweiter Kompressionskältemaschine beibehalten.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Kältemittel der zweiten Kompressionskältemaschine R134a.
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Dadurch können vorteilhafterweise bereits vorhandene Kompressionskältemaschinen durch die genannte und beschriebene Kaskadenschaltung mit einer ersten Kompressionskältemaschine, die als Kältemittel einen Stoff aus der Familie der Fluorketone und/oder (Hydro)Florolefine und/oder (Hydro)Fluorchlorolefine umfasst, ergänzt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Innenraum elektronische Leistungsbauteile.
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Dadurch wird vorteilhafterweise die Kühlung elektronischer Leistungsbauteile, insbesondere von Energiespeichermodulen, wie beispielsweise Batteriemodule oder Module auf Basis von Doppelschichtkondensatoren, verbessert. Zudem ergibt sich vorteilhafterweise eine erhöhte Verfügbarkeit und Kälteleistung bei hohen und/oder schwankenden Umgebungstemperaturen. Insbesondere in Fahrzeugen, wie beispielsweise Zügen, Automobilen und/oder Straßenbahnen, ist eine sichere und leistungsstarke Kühlung von elektronischen Leistungsbauteilen vorteilhaft.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Innenraum des Fahrzeuges als Fahrgastraum ausgebildet.
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Vorteilhafterweise wird dadurch eine effiziente Kühlung des Fahrgastraumes, insbesondere in Zügen, durch das verwendete Kältemittel ermöglicht. Durch die erhöhte Kondensationstemperatur des Kältemittels kann der Betrieb der Kompressionskältemaschine, die den Fahrgastraum kühlt, auch bei hohen Umgebungstemperaturen, beispielsweise bei 55°C oder höher, ermöglicht werden. Als Umgebungstemperatur ist hier die Temperatur zu verstehen, die außerhalb des Innenraumes oder des Fahrzeuges vorliegt (Außentemperatur).
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Kältemittel verwendet dessen kritische Temperatur größer als 102°C ist.
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Vorteilhafterweise besitzt das Kältemittel eine größere kritische Temperatur als R134a. Dadurch kann die Kondensationstemperatur des Kältemittels vergrößert werden, so dass die Temperaturdifferenz zwischen Umgebungs- und Kondensationstemperatur der Kompressionskältemaschine steigt. Durch die vergrößerte Temperaturdifferenz steigt die Verfügbarkeit der Kühlung des Fahrzeuges. Auch bei hohen Umgebungstemperaturen, beispielsweise 55°C, ist somit eine ausreichende gute Kühlung des Innenraumes des Fahrzeuges gegeben.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt eine Kondensationstemperatur des Kältemittels im Bereich von 60°C bis 120°C.
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Dadurch wird die Temperaturdifferenz von Kondensationstemperatur und Umgebungstemperatur vorteilhafterweise weiter vergrößert, so dass die Verfügbarkeit der Kompressionskältemaschine auch bei hohen und/oder schwankenden Umgebungstemperaturen vergrößert wird. Durch die Verwendung von Florketonen und/oder (Hydro)Fluorolefinen und/oder (Hydro)Fluorchlorolefine wird die kritische Temperatur des Kältemittels im Vergleich zu R134a erhöht, so dass ein für den Betrieb genügend großer Abstand zwischen der Kondensationstemperatur und der kritischen Temperatur des Kältemittels vorhanden ist. Besonders vorteilhaft ist ein Abstand von wenigstens 40 K.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein Kondensator einer zweiten Kompressionskältemaschine als ein Verdampfer der ersten Kompressionskältemaschine verwendet.
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Dadurch sind die erste und zweite Kompressionskältemaschine in vorteilhafterweise in Kaskade geschaltet, wobei die Kompressionskältemaschine mit der niedrigsten Kondensationstemperatur als erstes und die mit der höchsten Kondensationstemperatur als letztes durchströmt wird. Mit anderen Worten emittiert die Kompressionskältemaschine mit der höchstens Kondensationstemperatur des Kältemittels die Wärme in die Umgebung, während die Kompressionskältemaschine mit der geringsten Kondensationstemperatur des Kältemittels die Wärme dem zu kühlenden Innenraum entzieht.
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Durch die vorteilhafte kaskadenförmige Zusammenschaltung der zweiten Kompressionskältemaschine (Niedertemperaturkompressionskältemaschine) mit der erste Kompressionskältemaschine (Hochtemperaturkompressionskältemaschine) ist es möglich, die zweite Kompressionskältemaschine bei normalen Betriebsbedingungen hinsichtlich Verdampfungs- und/oder Kondensationstemperatur zu betreiben. Insbesondere können dadurch bereits existierende Kompressionskältemaschinen in Fahrzeugen in vorteilhafter Weise ergänzt werden. Hierbei sind der Verdampfer der Hochtemperaturkompressionskältemaschine und der Kondensator der zweiten Kompressionskältemaschine durch ein und dasselbe Bauteil ausgebildet.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben in der
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1 eine Kompressionskältemaschine mit einem Kältemittel aus der Familie der Fluorketone und/oder (Hydro)Fluorolefine und/oder (Hydro)fluorchlorolefine zeigt;
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2 eine kaskadenförmige Zusammenschaltung einer Kompressionskältemaschine und einer Hochtemperaturkompressionskältemaschine darstellt.
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Gleichartige Elemente werden in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch eine erste Kompressionskältemaschine 21, die als Hochtemperaturkompressionskältemaschine 21 ausgebildet ist, und die einen Verdampfer 6, einen Kompressor 8, einen Kondensator 10 und ein Expansionsventil 12 umfasst. Die genannten Elemente 6, 8, 10, 12 werden mit einem Kältemittel 4, das Fluorkotene und/oder (Hydro)Fluorolefine und/oder (Hydro)Fluorchlorolefine umfasst, zirkulierend durchströmt.
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Der Verdampfer 6 ist hierbei thermisch mit einem zu kühlenden Innenraum 16 verkoppelt. Das Kältemittel 4 entzieht dem Innenraum 16 über den Verdampfer 6 Wärme (Verdampfungswärme) und geht dadurch von der flüssigen in die gasförmige Phase über. Nach einer daran anschließenden Kompression des verdampften Kältemittels 4 im Kompressor 8 kondensiert das Kältemittel 4 im Kondensator 10. Hierbei wird wenigstens ein Teil der Wärme an eine Umgebungsluft 18 abgegeben.
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Durch die erfindungsgemäße Verwendung von Fluorketonen und/oder (Hydro)Fluorolefine und/oder (Hydro)Fluorchlorolefine im Kältemittel 4 weist das Kältemittel 4 eine Kondensationstemperatur im Bereich von 60°C bis 120°C auf. Beträgt die Umgebungstemperatur der Umgebungsluft 18 beispielsweise 45°C bis 55°C, so ist durch die erhöhte Kondensationstemperatur im Bereich von 60°C bis 120°C eine Kühlung des Innenraums 16 auch bei den genannten hohen Umgebungstemperaturen der Umgebungsluft 18 möglich. Nach dem Kondensator 10 wird das kondensierte Kältemittel 4 durch ein Expansionsventil 12 entspannt und schließlich wieder in nun flüssigem Zustand dem Verdampfer 6 zugeführt, wo der Kreislauf des Kältemittels 4 von vorne beginnt.
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2 zeigt eine kaskadenförmige Zusammenschaltung von einer ersten und zweiten Kompressionskältemaschinen 21, 22. Hierbei ist die erste Kompressionskältemaschine 21 eine Hochtemperaturkompressionskältemaschine 21, deren Kältemittel 4 einen Stoff aus der Familie der Fluorketone und/oder (Hydro)Fluorolefine und/oder (Hydro)Fluorchlorolefine umfasst. Die zweite Kompressionskältemaschine 22 weist ein nach dem Stand der Technik bekanntes Kältemittel 5, beispielsweise R134a, auf. Die Kompressionskältemaschinen 21, 22 sind über ein gemeinsames Bauteil 6, 10 zusammengeschaltet und somit thermisch verkoppelt. Hierbei entspricht das Bauteil 6, 10 zum einen dem Kondensator 10 der zweiten Kompressionskältemaschine 22 und zum anderen dem Verdampfer 6, der ersten Kompressionskältemaschine 21. Vorteilhafterweise wird dadurch das Kältemittel 5 (R134a) der zweiten Kompressionskältemaschine 22 durch das Kältemittel 4 der ersten Kompressionskältemaschine 21 gekühlt und somit zur Kondensation im Kondensator 10 der zweiten Kompressionskältemaschine 22 gebracht.
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Im Verdampfer 6 der zweiten Kompressionskältemaschine 22 wird dem zu kühlenden Innenraum 16 Wärme durch die Verdampfung des Kältemittels 5 (R134a) entzogen. Anschließend wird das Kältemittel 5 in einem Kompressor 8 der zweiten Kompressionskältemaschine 22 komprimiert und in gasförmiger Form zum Kondensator 10 der zweiten Kompressionskältemaschine 22 weitergeleitet. Hierbei weist das Kältemittel 5 eine Kondensationstemperatur im Bereich von 50°C bis 55°C auf. Das in der ersten Kältemaschine 21 zirkulierende Kältemittel 4 dient zur Kühlung des Kältemittels 5 in der zweiten Kompressionskältemaschine 22. Mit anderen Worten wird im Kondensator 10 der zweiten Kompressionskältemaschine 22 die Wärme dem Kältemittel 5 über die Verdampfung des Kältemittels 4 entzogen. Anschließend wird das Kältemittel 4 der ersten Kompressionskältemaschine 21, wiederum über einen Kompressor 8, zu einem Kondensator 10 der ersten Kompressionskältemaschine 21 geführt. Aufgrund der Verwendung von Fluorketonen und/oder (Hydro)Fluorolefine und/oder (Hydro)Fluorchlorolefine im Kältemittel 4 der ersten Kompressionskältemaschine 21 weist das Kältemittel 4 eine Kondensationstemperatur im Kondensator 10 im Bereich von 60°C bis 120°C auf. Durch die Kondensation des Kältemittels 4 im Kondensator 10 der ersten Kompressionskältemaschine 21 wird dem Kältemittel 4 wiederum die Wärme entzogen und schließlich an die Umgebungsluft 18 abgeführt.
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Durch die Kopplung der zwei Kompressionskältemaschinen 21, 22 wird somit die Kondensationstemperatur kaskadenförmig erhöht. Dadurch ist die Temperaturdifferenz zwischen der Kondensationstemperatur im Kondensator 10 der ersten Kompressionskältemaschine 21 und der Umgebungstemperatur (Temperatur der Umgebungsluft 18) erhöht, so dass die Übertragung der Wärme an die Umgebungsluft 18 verbessert wird.