WO2012159855A1

WO2012159855A1 - Fahrzeug-kältemittelkreislauf, verwendung eines turboverdichters, klimaanlage sowie fahrzeug

Info

Publication number: WO2012159855A1
Application number: PCT/EP2012/057977
Authority: WO
Inventors: Christian Hahn; Bernd Banzhaf; Martin Fischer; Oliver Tschismar
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2012-05-02
Publication date: 2012-11-29
Also published as: DE102011076155A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Fahrzeug-Kältemittelkreislauf (1) für eine Klimaanlage eines Fahrzeugs, insbesondere zum Heizen, Kühlen und/oder Entfeuchten eines Fahrgastraums eines Elektro- oder Hybrid-Kraftfahrzeugs, mit einer wenigstens einstufigen Fluidverdichtung für ein Kältemittel (2) des Fahrzeug-Kältemittelkreislaufs (1), wobei ein Verdichter (10) der Fluidverdichtung des Fahrzeug-Kältemittelkreislaufs (1) als ein Turboverdichter (10) ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung eines Turboverdichters (10), insbesondere eines Radialverdichters (10), für eine wenigstens einstufige Fluidverdichtung eines Kältemittels (2) in einem Kältemittelkreislauf (1), bevorzugt in einem Fahrzeug-Kältemittelkreislauf (1) eines Elektro- oder Hybrid-Kraftfahrzeugs. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybrid-Kraftfahrzeug, wobei die Klimaanlage einen erfindungsgemäßen Fahrzeug-Kältemittelkreislauf (1) aufweist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybrid-Kraftfahrzeug, mit einem erfindungsgemäßen Fahrzeug-Kältemittelkreislauf (1) oder einer erfindungsgemäßen Klimaanlage, wobei das Fahrzeug eine interne, bevorzugt elektrische, Zusatzheizung für einen Fahrgastraum des Fahrzeugs und/oder eine Einrichtung für eine bevorzugt stationäre Vorklimatisierung des Fahrgastraums aufweist.

Description

Beschreibung

Titel

Fahrzeug-Kältemittelkreislauf, Verwendung eines Turboverdichters, Klimaanlage sowie Fahrzeug

Die Erfindung betrifft einen Fahrzeug-Kältemittelkreislauf für eine Klimaanlage eines Fahrzeugs, insbesondere zum Heizen, Kühlen und/oder Entfeuchten eines Fahrgastraums eines Elektro- oder Hybrid-Kraftfahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung eines Turboverdichters, insbesondere eines

Radialverdichters. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybrid-Kraftfahrzeug. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybrid- Kraftfahrzeug.

Stand der Technik

In der Europäischen Union ist seit Januar 201 1 eine Verwendung eines bisher gebräuchlichen Kältemittels R134a in Kraftfahrzeug-Klimaanlagen neuer Fahrzeugtypen verboten. In Zukunft dürfen Kraftfahrzeug-Klimaanlagen nur noch Kältemittel mit einem GWP < 150 (GWP: Global Warming Potential, Greenhouse Warming Potential, (relatives) Treibhauspotenzial) und einem ODP von null (ODP: Ozone Depletion Potential, Ozonabbaupotential) eingesetzt werden. Dies führte u. a. zur Entwicklung von HFO-1234yf (2,3,3,3-Tetrafluorpropen bzw. Hy- drofluoroolefin), welches vergleichbare thermodynamische Eigenschaften wie R134a besitzt, jedoch ein GWP von nur vier besitzt. Dies ermöglicht einen Betrieb bisheriger Kraftfahrzeug-Klimaanlagen ohne größere Umrüstungen. Risiken entstehen jedoch durch eine Toxizität und eine Brennbarkeit von HFO- 1234yf. In einem Vergleich dazu weist Kohlendioxid ein GWP von eins auf, ist unbrennbar und nicht toxisch, erfordert jedoch aufgrund der thermodynamischen Unterschiede eine nahezu vollständige Umrüstung bzw. eine Neukonstruktion der Kraftfahrzeug-Klimaanlage.

Nachteilig an bestehenden Kraftfahrzeug-Klimaanlagen ist deren großer

Bauraum, den auch ein Klimaanlagen-Verdichter benötigt. Die Abmessungen eines typischen R134a-Verdichters betragen im Durchmesser ca. 130 mm und in der Länge ca. 210 mm. Ferner weist ein solcher Verdichter eine hohe Masse von ca. 6 kg auf. Zusätzlich benötigen die derzeit verwendeten Axialkolbenverdichter für einen reibungsarmen Betrieb Öl, welches sich mit dem eingesetzten

Kältemittel vermischt und sich im Kältemittelkreislauf ausbreitet und die

Oberflächen der Wärmetauscher der Kraftfahrzeug-Klimaanlagen benetzt, was zu einer Verschlechterung eines Wärmeübergangs im betreffenden

Wärmetauscher und damit zu einer Verschlechterung des Gesamtwirkungsgrads der Klimaanlage führt.

Aufgabenstellung

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Fahrzeug-Kältemittelkreislauf sowie eine verbesserte Kraftfahrzeug-Klimaanlage für ein damit auszurüsten- des erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug anzugeben. Der erfindungsgemäße

Kältemittelkreislauf soll für moderne und zukünftige Kältemittel geeignet sein, wobei der Fahrzeug-Kältemittelkreislauf klein, leicht und kostengünstig ausgelegt sein soll. Insbesondere soll der Fahrzeug-Kältemittelkreislauf für Elektro- oder Hybrid-Kraftfahrzeuge geeignet sein, wobei der Fahrzeug-Kältemittelkreislauf ein Heizen, Kühlen und/oder Entfeuchten eines Fahrgastraums des Elektro- oder

Hybrid-Kraftfahrzeugs ermöglichen soll. Ferner soll der Fahrzeug- Kältemittelkreislauf bei Fahrzeugen mit modernen Verbrennungsmotoren und allgemein in einem Fortbewegungsmittel einsetzbar sein. Offenbarung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung wird mittels eines Fahrzeug-Kältemittelkreislaufs für eine Klimaanlage eines Fahrzeugs, insbesondere zum Heizen, Kühlen und/oder Entfeuchten eines Fahrgastraums eines Elektro- oder Hybrid-Kraftfahrzeugs, ge- mäß Anspruch 1 ; durch eine Verwendung eines Turboverdichters, insbesondere eines Radialverdichters, gemäß Anspruch 8; mittels einer Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybrid-Kraftfahrzeug, gemäß Anspruch 9; und mittels eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektro- oder Hybrid-Kraftfahrzeugs, gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der folgenden Beschreibung.

Der erfindungsgemäße Kältemittelkreislauf besitzt eine wenigstens einstufige Fluidverdichtung für ein Kältemittel des Kältemittelkreislaufs, wobei ein Verdichter der Fluidverdichtung als ein Turboverdichter ausgebildet ist. Gemäß der

Erfindung wird ferner ein Turboverdichter, insbesondere ein Radialverdichter, für eine wenigstens einstufige Fluidverdichtung eines Kältemittels in einem

Kältemittelkreislauf, bevorzugt in einem Fahrzeug-Kältemittelkreislauf eines Elektro- oder Hybrid-Kraftfahrzeugs, angewendet oder verwendet. Des Weiteren weist eine Klimaanlage einen erfindungsgemäßen Kältemittelkreislauf auf.

Darüber hinaus weist ein erfindungsgemäßes Fahrzeug einen

erfindungsgemäßen Kältemittelkreislauf oder eine erfindungsgemäße

Klimaanlage auf, wobei das Fahrzeug eine interne, bevorzugt elektrische, Zusatzheizung für einen Fahrgastraum des Fahrzeugs und/oder eine Einrichtung für eine bevorzugt stationäre Vorklimatisierung des Fahrgastraums aufweist.

In Ausführungsformen der Erfindung ist der Turboverdichter des

Kältemittelkreislaufs als ein Radialverdichter ausgebildet. Der Turboverdichter bzw. der Radialverdichter des Kältemittelkreislaufs ist mittels eines

Elektromotors, bevorzugt direkt, antreibbar und wird im Betrieb der Klimaanlage vom Elektromotor angetrieben. Hierbei kann die Fluidverdichtung oder der

Turboverdichter des Kältemittelkreislaufs als eine ein-, zwei- oder vielstufige Fluidverdichtung bzw. ein ein-, zwei- oder vielstufiger Turboverdichter

ausgebildet sein. Bei einer mehrstufigen Fluidverdichtung im Kältemittelkreislauf kann zwischen zwei Stufen der Fluidverdichtung ein Economiser, ein Mischer oder ein Wärmetauscher dazwischen geschaltet sein. Bevorzugt ist dabei ein abströmender Massenstrom an Kältemittel einer unteren Stufe der

Fluidverdichtung und ein rückströmender Massenstrom an Kältemittel einer oberen Stufe der Fluidverdichtung im Economiser oder Mischer zusammen führbar. Hierbei können beide Massenströme wenigstens eine gemeinsame thermodynamische Zustandsgröße, insbesondere einen gemeinsamen

Fluiddruck, annehmen. In Ausführungsformen der Erfindung kann bei einer mehrstufigen

Fluidverdichtung im Kältemittelkreislauf der Massenstrom an Kältemittel in der oberen Stufe der Fluidverdichtung größer sein, als der Massenstrom an

Kältemittel in der unteren Stufe der Fluidverdichtung. Es ist auch möglich, dies umzukehren oder gleich große Massenströme anzuwenden. Ferner ist es bevorzugt, dass der Kältemittelkreislauf ölfrei und/oder riemenantriebsfrei ausgelegt ist. Gemäß der Erfindung kann der Kältemittelkreislauf für

Hydrofluoroolefin oder Kohlendioxid als Kältemittel ausgelegt werden. Andere Kältemittel sind natürlich anwendbar. Des Weiteren kann der Turboverdichter eine Drehzahlsteuerung und/oder -regelung aufweisen. Darüber hinaus kann die Fluidverdichtung des Kältemittelkreislaufs mittels eines einzelnen oder einer Mehrzahl von Elektromotoren erfolgen, wobei ein Antrieb des Turboverdichters ein Getriebe aufweisen kann.

Die Erfindung basiert auf der Verwendung eines insbesondere elektrisch und bevorzugt direkt angetriebenen Radialverdichters zur Komprimierung des Kältemittels in der Klimaanlage des Fahrzeugs. Hierbei ist die Fluidverdichtung der Klimaanlage bzw. der Radialverdichter bevorzugt mehrstufig ausgelegt. Die Erfindung ist dabei für beide derzeit in Frage kommenden Kältemittel prinzipiell anwendbar. Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines hochdrehenden elektrischen Antriebs ist es möglich, eine marktfähige Lösung für einen bei kleinen Abmessungen des Turboverdichters benötigten Drehzahlbereich von größer als 100.000 U/min bei den geforderten Leistungen zur Verfügung zu stellen. Aufgrund der hohen Drehzahlen des Turboverdichters kann dieser deutlich kleiner als derzeit angewendete Verdichter gebaut werden, wobei sich ein benötigter Bauraum und eine Masse des Verdichters deutlich reduzieren. Im Vergleich mit herkömmlichen Verdichtern, wie z. B. Axialkolbenverdichtern, wird beispielsweise bei einer zweistufigen Verdichtung nur höchstens rund 1/8 eines Bauraums und/oder eines Gewichts des herkömmlichen Verdichters benötigt.

Gemäß der Erfindung kann der Turboverdichter im Vergleich zu

Kolbenverdichtern ölfrei betrieben werden. Damit kann sich kein Öl im

Kältemittelkreislauf ausbreiten und sich auch nicht an den Wärmetauschern des Kältemittelkreislaufs ablagern. Eine Verschlechterung einer Wärmeübertragung wird damit vermieden. Des Weiteren ist insbesondere dadurch das Risiko eines Fahrzeugbrands mit dem derzeit anzuwendenden Alternativ-Kältemittel HFO- 1234yf deutlich reduziert und führt somit zu einer erhöhten Sicherheit als bei herkömmlichen mit HFO-1234yf betriebenen Fahrzeug-Klimaanlagen. Ebenso ist es gemäß der Erfindung nicht mehr notwendig, den Kältemittelkreislauf mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten zu betreiben, um das Öl wieder zurück zum

Kolbenverdichter zu fördern. Die reduzierte Geschwindigkeit führt zu einer Verringerung der Druckverluste im System. Die Ölfreiheit erhöht damit deutlich einen im Betrieb erzielbaren Wirkungsgrad der Klimaanlage und führt zu

Kosteneinsparungen.

Eine Kühl- bzw. Heizleistung des erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs kann mit der damit verbundenen Möglichkeit, eine mehrstufige Fluidverdichtung vorzunehmen, mit einer im Vergleich mit dem Stand der Technik deutlich reduzierten Kompressorantriebsleistung realisiert werden. Hierdurch führt das erfindungsgemäße Konzept zu einer Kohlendioxid-Reduktion, und bei Elektro- oder momentan elektrisch betriebenen Fahrzeugen zu einer

Reichweitenverlängerung bzw. zu einem geringeren Einbruch bei der zur Verfügung stehenden Fahrzeug-Antriebsleistung. Der mechanische Aufbau des Turboverdichters besitzt eine niedrigere Komplexität als ein Kolbenverdichter, wobei auch aufgrund der geringeren Anzahl an bewegten Teilen Wartungs- sowie Montagekosten reduziert sind. In Bezug auf Vibrationen und

Geräuschentwicklung, was für Insassen des betreffenden Fahrzeugs eine hohe Bedeutung besitzt, ist die Anwendung eines Turboverdichters vorteilhaft, da dieser aufgrund seines Arbeitsprinzips für einen gleichmäßigen Kältemittelstrom sorgt. Hierbei sind die Frequenzen der durch die Rotorblätter des

Turboverdichters verursachten Druckschwankungen bei den angewendeten hohen Drehzahlen im nicht mehr hörbaren Bereich.

Der Einsatz der Erfindung in einem Elektro- und/oder Hybrid-Fahrzeug ermöglicht aufgrund des wegfallenden Riementriebs einen von der Fahrsituation

unabhängigen Betrieb des Turboverdichters. So kann auch bei einem

stillstehendem Motor eine Klimatisierung des Innenraums des Fahrzeugs vorgenommen werden. Insbesondere ermöglicht in einem Elektro-Fahrzeug die Drehzahlregelung des Turboverdichters eine gute Anpassung eines

Verdichterkennfelds an die unterschiedlichen Betriebspunkte der Klimaanlage, wobei ein guter Teillastwirkungsgrad erreichbar ist. Da bei einem Elektro- Fahrzeug ein deutlich höheres Spannungsniveau (ca. 400 V) als bei einem herkömmlichen Fahrzeug mit Verbrennungsmotor (Batteriespannung ca. 12 V) vorhanden ist, kann der Elektromotor zum Antrieb des Verdichters bei gleicher elektrischer Leistung mit einem geringeren elektrischen Strom und damit geringeren elektrischen Verlusten betrieben werden. Ferner hat die

erfindungsgemäße Heizung und/oder Kühlung auch Bedeutung für Fahrzeuge mit einem modernen Verbrennungsmotor (Energieeffizienz, Kohlendioxid- Einsparung, reduzierte für Heizzwecke zur Verfügung stehende Abwärme).

Kurzbeschreibung der Figuren

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. In den

schematischen Figuren der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine beispielhafte Ausführungsform eines zweistufigen

erfindungsgemäßen Fahrzeug-Kältemittelkreislaufs in einer Economiser- Schaltung; und

Fig. 2 ein Druck-Enthalpie-Diagramm (p-h-Diagramm) eines mit dem

erfindungsgemäßen Fahrzeug-Kältemittelkreislauf aus Fig. 1

durchführbaren Kreisprozesses.

Ausführungsformen der Erfindung

Gemäß der Erfindung wird wenigstens ein mindestens einstufiger

Turboverdichter 10 in einem Kältemittelkreislauf 1 (siehe auch Fig. 1 ) einer Fahrzeug-Klimaanlage eingesetzt, welche sowohl einen Fahrgastraum des Fahrzeugs Kühlen, Heizen, Entfeuchten und/oder Belüften kann. Aufgrund einer geographischen Lage eines Einsatzorts sind die Anforderungen an die

Klimaanlage und den Turboverdichter 10 unterschiedlich. In Abhängigkeit eines verwendeten Kältemittels 2 und eines Fahrzeugtyps liegen aufgrund des Einsatzorts des Fahrzeugs die Betriebspunkte für den Turboverdichter 10 fest. Eine für den Turboverdichter 10 wichtige Auslegungsgröße ist u. a. sein

Druckverhältnis. Hierbei zeigt sich, dass sowohl beim Einsatz von

Hydrofluoroolefin als auch Kohlendioxid eine zweistufige Fluidverdichtung bevorzugt ist. D. h. ein einzelner den Turboverdichter 10 antreibender Elektromotor (nicht dargestellt) treibt dabei die zwei oder auch mehr Stufen der Fluidverdichtung an, oder es kommen hierfür eine Mehrzahl von Elektromotoren zum Einsatz. Hierbei kann ein Getriebe (ebenfalls nicht dargestellt) für die einzige oder eine untere Verdichterstufe 12 und/oder zwischen zwei Verdichterstufen 12, 14 oder zwei Turboverdichtern 10, 10 vorgesehen sein, wobei zwei

Verdichterstufen 12, 14 auf einer gemeinsamen Welle sitzen können. Natürlich ist es möglich, eine Mehrzahl von Getrieben vorzusehen.

Ausgangspunkt für eine Auslegung des Turboverdichters 10 ist ein Cordier-Dia- gramm. Da Radialverdichter 10 ein höheres Druckverhältnis als Axialverdichter

10 bei insbesondere vergleichbaren Verdichtergrößen erreichen können, wird ein Auslegungspunkt des Turboverdichters 10 auch unter Berücksichtigung der resultierenden Schaufelhöhen entsprechend gelegt. Hierbei ist es bevorzugt, dass, wegen des höheren erreichbaren Druckverhältnisses, als Turboverdichter 10 erfindungsgemäß ein Radialverdichter 10 angewendet wird. Bevorzugt wird bei der Fluidverdichtung eine in Fig. 1 dargestellte Economiser-Schaltung im Gegensatz zu einer rein seriellen zweistufigen Fluidverdichtung favorisiert. Der Vorteil der Economiser-Schaltung liegt darin, dass die zweite bzw. obere

Verdichterstufe mit einem höheren Massenstrom

als die erste bzw. untere Verdichterstufe (m-i) betrieben werden kann (eine Notation von Massen- und

Volumenströmen erfolgt im Folgenden und auch in der Zeichnung ohne Punkt oder Strich). Dadurch ergibt sich bei bevorzugt gleichem Druckverhältnis in beiden Stufen, für die obere Stufe ein höherer Volumenstrom, was zu einem günstigeren Betriebspunkt dieser Stufe führt.

Ein beispielhafter Kältemittelkreislauf 1 ist in der Fig. 1 dargestellt, welcher den schon angesprochenen Economiser 30 aufweist. Hierbei gleicht sich im

Economiser 30 wenigstens eine thermodynamische Zustandsgröße des

Massenstroms m-ι der unteren Stufe 12 der Fluidverdichtung einer

thermodynamischen Zustandsgröße der Massenstroms

der oberen Stufe

14 der Fluidverdichtung wenigstens an. Dies sind bevorzugt ein Fluiddruck p und eine Temperatur. Es ist natürlich möglich, andere Arten von Konzepten der Fluidverdichtung des Kältemittelkreislaufs 1 anzuwenden. So ist eine lediglich einstufige Fluidverdichtung möglich oder auch eine schon angesprochene serielle zweistufige. Ferner kann statt dem Economiser 30 ein Mischer 30 oder ein Wärmetauscher 30 zur Anwendung kommen. Des Weiteren sind diese Konzepte bei einer drei oder noch höher stufigen Fluidverdichtung anwendbar und/oder kombinierbar.

Bei einer Ausführungsform nach Fig. 1 wird ein auf einem niedrigen Druckniveau befindlicher Massenstrom m-i , der von einem als Verdampfer 20 fungierendem Wärmetauscher 20 stammt, von der unteren Stufe 12 oder einem ersten

Turboverdichter 10 der Fluidverdichtung komprimiert (siehe Zustandspunkt I => II im p-h-Diagramm der Fig. 2). Der abströmende Massenstrom m-ι strömt in den Economiser 30 oder auch einen Mischer 30, vermischt sich dort bei einem gemeinsamen Druckniveau p mit einem zurückströmenden Massestrom

von einem als Kondensator 40 fungierenden Wärmetauscher 40 stromabwärts der oberen Stufe 14 der Fluidverdichtung. Hierbei ist es möglich, dass sich beide Masseströme m-ι ,

nicht mischen sondern sich dort lediglich eine thermodynamische Zustandsgröße angleicht. Aus dem Economiser 30 oder Mischer 30 strömt der bevorzugt größere Massenstrom

zur oberen Stufe 14 oder einem zweiten Turboverdichter 10 der Fluidverdichtung bzw. wird von dieser bzw. diesem angesaugt (siehe Zustandspunkt III, Mitteldruckniveau). Dort wird der Massenstrom

verdichtet (siehe Zustandspunkt IV,

Hochdruckniveau) und strömt zum Kondensator 40 und gibt dort eine Wärme Q₄₀ ab (siehe Zustandspunkt V).

In einem zeitlichen Anschluss daran wird der Massenstrom

in einer Drossel 50 bzw. einem Expansionsventil 50 entspannt (siehe Zustandspunkt VI, Mitteldruckniveau) und strömt in den Economiser 30 oder Mischer 30 und vermischt sich dort mit dem von der unteren Stufe 12 kommenden Massestrom m-ι . Dem Economiser 30 oder Mischer 30 wird im Rücklauf ein Massenstrom m-i entnommen (siehe Zustandspunkt VII), der sich in einer zweiten Drossel 60 bzw. einem zweiten Expansionsventil 60 wieder auf Niederdruckniveau entspannt (siehe Zustandspunkt VIII), welches auch einem Druckniveau im Verdampfer 20 entspricht. Im Verdampfer 20 wird Kälte abgegeben bzw. ein Wärmestrom Q₂₀ vom Massenstrom m-ι des Kältemittels 2 aufgenommen (siehe Zustandspunkt I). Der Kreisprozess ist geschlossen.

Mittels des Verdampfers 20 kann ein fahrzeugseitiger Luftstrom gekühlt werden, und mittels des Kondensators 40 kann ein fahrzeugseitiger Luftstrom geheizt werden. Eine Luft zum Klimatisieren des Fahrzeugs kann dabei je nach einem Bedarf am Verdampfer 20 oder Kondensator 40 vorbeigeführt werden und wird dort klimatisiert. Hierfür ist die Klimaanlage des Fahrzeugs entsprechend ausgebildet. Soll der Fahrgastraum gekühlt werden, so wird eine vom

Verdampfer 20 stammende Kühlluft dem Inneren des Fahrzeugs zur Verfügung gestellt. Zeitlich zuvor gibt die spätere Kühlluft den Wärmestrom Q₂₀ an den

Verdampfer 20 ab. Soll der Fahrgastraum geheizt werden so ist die Klimaanlage des Fahrzeugs derart ausgelegt, dass eine zu erwärmende Luft am Kondensator 40 vorbeigeführt wird und dort den Wärmestrom Q₄₀ aufnimmt. Gemäß der Erfindung ist es auch möglich, den Kältemittelkreislauf 1 derart auszulegen, dass die Wärmetauscher 20, 40 sowohl als Verdampfer 20, 40 als auch als

Kondensator 20, 40 fungieren, wofür je nach Bedarf an Klimatisierung, die Wärmetauscher 20, 40 über weitere Ventile (nicht dargestellt) variabel an einen Hochdruckausgang oder einen Niederdruckeingang der beiden Verdichterstufen angeschlossen werden. Die Strömungsrichtung durch die Verdichterstufen bleibt dabei bevorzugt erhalten.

Gemäß der Massenstromverhältnisse bei einer mehrstufigen Fluidverdichtung sind die Laufräder der einzelnen Stufen 12, 14 ausgebildet (in der Zeichnung nicht dargestellt). Hierbei kann in der oberen Stufe 14 ein kleineres und in der unteren Stufe 12 der Fluidverdichtung ein größeres Laufrad, oder umgekehrt angewendet werden. Ferner ist es möglich, beide Laufräder identisch

auszugestalten, wobei es bei einer solchen Ausführungsform bevorzugt ist, dass diese beiden Laufräder auf einer gemeinsamen Welle sitzen, die von einem einzelnen Elektromotor angetrieben wird, wobei der eingesetzte Massenstrom über das Laufrad der oberen Stufe 14 bevorzugt größer ist, als der

Massenstrom m-i der unteren Stufe 12. Hierbei ist es möglich, ein Getriebe zwischen den Laufrädern oder vor dem Laufrad der unteren Stufe 12

vorzusehen. Solche Ausführungsformen sind natürlich auch auf unterschiedlich große

Laufräder, gleich große Massenströme oder unterschiedlich große

Massenströme anwendbar, wobei der Massenstrom über das Laufrad der unteren Stufe 12 größer sein kann als der der oberen Stufe 14. Analoges gilt für die Drehzahlen der einzelnen Stufen 12, 14 der Fluidverdichtung, wobei es jedoch bevorzugt ist, eine Mehrzahl von Stufen 12, 14 der Fluidverdichtung von einem einzigen Elektromotor anzutreiben, wobei die Mehrzahl von Stufen 12, 14 bevorzugt von einer gemeinsamen Welle antreibbar sind (beides ebenfalls nicht dargestellt). Aber auch eine Anwendung von zwei oder mehr Elektromotoren oder eine Anwendung eines oder einer Mehrzahl von Getrieben ist natürlich möglich (siehe oben).

Bevorzugt beträgt ein Volumen oder ein benötigter Einbauraum des

Turboverdichters 10 ca. 75-90 cm³, 1 10-140 cm³, 160-190 cm³, 210-240 cm³, 260-290 cm³, 310-340 cm³, 360-390 cm³, 410-440 cm³, 460-490 cm³, 510-650 cm³, 700-800 cm³, 850-950 cm³, 1 .100-1 .400 cm³, 1 .600-1 .900 cm³, 2.100- 2.400 cm³, 2.600-2.900 cm³, 3.100-3.200 cm³. Ferner beträgt eine Masse des Turboverdichters 10 bevorzugt ca. 0,2-0,3 kg, 0,4-0,6 kg, 0,7-0,8 kg, 0,9-1 ,1 kg, 1 ,2-1 ,3 kg, 1 ,4-1 ,6 kg, 1 ,7-1 ,8 kg, 1 ,9-2 kg, 2, 1 -2,3 kg, 2,4-2,5 kg, 2,6-2,7 kg, 2,8-3, 1 kg, 3,2-3,6 kg, 3,7-4, 1 kg, 4,2-4,6 kg, 4,7-5,1 kg, 5,2-5,6 oder 5,7- 6,1 kg. In einem bestimmungsgemäßen Gebrauch des Kältemittelkreislaufs 1 beträgt eine minimale Drehzahl des Turboverdichters 10 ca. 20.000-40.000 U/min, 60.000-80.000 U/min, 90.000-1 10.000 U/min, 120.000-140.000 U/min, 160.000-180.000 U/min, 190.000-210.000 U/min, 220.000-230.000 U/min oder 240.000-260.000 U/min. In einem bestimmungsgemäßen Gebrauch des

Kältemittelkreislaufs 1 beträgt eine maximale Drehzahl des Turboverdichters 10 ca. 240.000-260.000 U/min, 275.000-350.000 U/min, 375.000-450.000 U/min, 475.000-550.000 U/min, 600.000-800.000 U/min, 900.000-1 .100.000 U/min oder 1 .200.000-1 .500.000 U/min.

Bei der Verwendung von Hydrofluoroolefin (HFO-1234yf) treten mit diesem Auslegungsansatz je nach einem Betriebspunkt mit aktuellen Elektromotoren realisierbare Drehzahlen von bis über 250.000 U/min auf. Ein Außendurchmesser eines Laufrads des Turboverdichters 10 beträgt dabei rund 20 mm bei einer axialen Höhe von rund 10 mm. Der Platzbedarf des Turboverdichters 10 ist somit deutlich geringer als der eines Kolbenverdichters gleicher Leistung. Wird

Kohlendioxid als Kältemittel 2 für die Klimatisierung eines Klein-Fahrzeugs eingesetzt, resultieren daraus sehr hohe Drehzahlen von ca. 1 Mio. U/min, wobei der Turboverdichter 10 geringe Laufradabmessungen von kleiner als 8 mm aufweist. Die Anforderungen an den Turboverdichter 10 hinsichtlich einer Drehzahl und einem Außendurchmesser werden geringer, wenn eine größere Heiz- oder Kühlleistung benötigt wird, da hierdurch eine Größe des

Turboverdichters 10 überproportional steigt. Deshalb kann die Erfindung auf auch größere Leistungsklassen von mehr als 10 kW Heiz- oder Kühlleistung für eine mobile Klimatisierung insbesondere auch mit Kohlendioxid als Kältemittel 2 angewendet werden.

Bei einem Einsatz von Hydrofluoroolefin als Kältemittel 2 kann es in bestimmten Betriebsszenarios zu sehr hohen Druckverhältnissen kommen, die eine Verwendung von mehr als zwei Stufen notwendig machen. Insbesondere bei sehr tiefen Außentemperaturen von ca. -20°C und hohen

Wärmeabgabetemperaturen von ca. 50°C reicht eine zweistufige

Fluidverdichtung eventuell nicht mehr aus. Für solche Extrem-Szenarios könnte ferner während der Fahrt zusätzlich eine elektrische Widerstandsheizung einen Wärmepumpenbetrieb der Klimaanlage unterstützen. Insbesondere für Fahrten bei extrem niedrigen Außentemperaturen kann das betreffende Fahrzeug eine elektrische Zuheizung aufweisen. Ferner ist es möglich, das Fahrzeug stationär Vorzuklimatisieren. Dies erfolgt beispielsweise mittels einer internen/externen elektrischen Zuheizung, die z. B. extern mit elektrischem Strom versorgbar ist, oder durch Warmluftzufuhr von außen. So kann ein geparktes Fahrzeug z. B. über stationäre elektrische oder thermische Anbindungen vorgeheizt werden.

Claims

Ansprüche

1 . Fahrzeug-Kältemittelkreislauf für eine Klimaanlage eines Fahrzeugs,

insbesondere zum Heizen, Kühlen und/oder Entfeuchten eines

Fahrgastraums eines Elektro- oder Hybrid-Kraftfahrzeugs, mit einer wenigstens einstufigen Fluidverdichtung für ein Kältemittel (2) des Fahrzeug- Kältemittelkreislaufs (1 ), dadurch gekennzeichnet, dass

ein Verdichter (10) der Fluidverdichtung des Fahrzeug-Kältemittelkreislaufs (1 ) als ein Turboverdichter (10) ausgebildet ist.

2. Fahrzeug-Kältemittelkreislauf gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Turboverdichter (10) des Fahrzeug-Kältemittelkreislaufs (1 ) als ein Radialverdichter (10) ausgebildet ist, und/oder

der Turboverdichter (10) bzw. der Radialverdichter (10) des Fahrzeug- Kältemittelkreislaufs (1 ) mittels eines Elektromotors, bevorzugt direkt, antreibbar ist und/oder angetrieben wird.

3. Fahrzeug-Kältemittelkreislauf gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidverdichtung oder der Turboverdichter (10) des Fahrzeug-Kältemittelkreislaufs (1 ) als eine zwei- oder vielstufige Fluidverdichtung bzw. ein zwei- oder vielstufiger Turboverdichter (10) ausgebildet ist.

4. Fahrzeug-Kältemittelkreislauf gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer mehrstufigen Fluidverdichtung im Fahrzeug-Kältemittelkreislauf (1 ) zwischen zwei Stufen der Fluidverdichtung ein Economiser, ein Mischer oder ein Wärmetauscher dazwischen geschaltet ist, wobei

bevorzugt, ein abströmender Massenstrom (m-i) an Kältemittel (2) einer unteren Stufe (12) der Fluidverdichtung und ein rückströmender

Massenstrom

an Kältemittel (2) einer oberen Stufe der

Fluidverdichtung im Economiser oder Mischer zusammenführbar ist und dabei bevorzugt wenigstens eine gemeinsame thermodynamische

Zustandsgröße, insbesondere einen gemeinsamen Fluiddruck, annehmen.

Fahrzeug-Kältemittelkreislauf gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer mehrstufigen Fluidverdichtung im Fahrzeug-Kältemittelkreislauf der Massenstrom (m₁+m₂) an Kältemittel (2) in der oberen Stufe der Fluidverdichtung größer ist, als der Massenstrom (m-i) an Kältemittel (2) in der unteren Stufe der Fluidverdichtung.

Fahrzeug-Kältemittelkreislauf gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass:

der Fahrzeug-Kältemittelkreislauf (1 ) ölfrei ausgelegt ist;

der Fahrzeug-Kältemittelkreislauf (1 ) riemenantriebsfrei ausgelegt ist; der Fahrzeug-Kältemittelkreislauf (1 ) für Hydrofluoroolefin oder

Kohlendioxid als Kältemittel (2) ausgelegt ist;

der Turboverdichter (10) eine Drehzahlsteuerung und/oder -regelung aufweist;

die Fluidverdichtung des Fahrzeug-Kältemittelkreislaufs (1 ) mittels eines einzelnen oder einer Mehrzahl von Elektromotoren erfolgt; und/oder ein Antrieb des Turboverdichters (10) ein Getriebe aufweist.

Fahrzeug-Kältemittelkreislauf gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Turboverdichter (10) derart ausgelegt ist: dass ein Volumen oder ein benötigter Einbauraum des Turboverdichters (10) ca. oder kleiner als ca. 100 cm³, 150 cm³, 200 cm³, 250 cm³, 300 cm³, 350 cm³, 400 cm³, 450 cm³, 500 cm³, 600 cm³, 750 cm³, 1 I, 1 ,25 I, 1 ,5 I, 1 ,75 I, 2 I, 2,25 I, 2,5 I, 2,75 I oder 3 I beträgt;

dass eine Masse des Turboverdichters (10) ca. oder weniger als ca. 0,25 kg, 0,5 kg, 0,75 kg, 1 kg, 1 ,25 kg, 1 ,5 kg, 1 ,75 kg, 2 kg, 2,25 kg, 2,5 kg, 2,75 kg, 3 kg, 3,5 kg, 4kg, 4,5kg, 5kg, 5,5kg oder 6kg beträgt;

dass in einem bestimmungsgemäßen Gebrauch des Fahrzeug-Kältemittelkreislaufs (1 ) eine Drehzahl des Turboverdichters (10) wenigstens ca. 20.000 U/min, 50.000 U/min, 100.000 U/min, 125.000 U/min, 150.000 U/min, 175.000 U/min, 200.000 U/min oder 250.000 U/min beträgt; und/oder dass in einem bestimmungsgemäßen Gebrauch des Fahrzeug-Kältemittelkreislaufs (1 ) eine Drehzahl des Turboverdichters (10) maximal ca. 250.000 U/min, 300.000 U/min, 400.000 U/min, 500.000 U/min, 750.000 U/min, 1 .000.000 U/min oder 1 .250.000 U/min beträgt.

8. Verwendung eines Turboverdichters (10), insbesondere eines

Radialverdichters (10), für eine wenigstens einstufige Fluidverdichtung eines Kältemittels (2) in einem Kältemittelkreislauf (1 ), bevorzugt in einem

Fahrzeug-Kältemittelkreislauf (1 ) eines Elektro- oder Hybrid-Kraftfahrzeugs.

9. Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybrid- Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass die Klimaanlage einen Fahrzeug-Kältemittelkreislauf (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist.

10. Fahrzeug, insbesondere Elektro- oder Hybrid-Kraftfahrzeug, mit einem

Fahrzeug-Kältemittelkreislauf (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 oder einer Klimaanlage gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass

das Fahrzeug eine interne, bevorzugt elektrische, Zusatzheizung für einen Fahrgastraum des Fahrzeugs und/oder eine Einrichtung für eine bevorzugt stationäre Vorklimatisierung des Fahrgastraums aufweist.