WO2020115202A1 - Klimatisierungseinrichtung für ein kraftfahrzeug - Google Patents

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WO2020115202A1
WO2020115202A1 PCT/EP2019/083804 EP2019083804W WO2020115202A1 WO 2020115202 A1 WO2020115202 A1 WO 2020115202A1 EP 2019083804 W EP2019083804 W EP 2019083804W WO 2020115202 A1 WO2020115202 A1 WO 2020115202A1
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WO
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refrigerant
cooling device
air conditioning
air
circuit
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/083804
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English (en)
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Inventor
Christian Kappes
Christoph Baumgärtner
Maximilian Benkert
Original Assignee
Vitesco Technologies GmbH
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Publication date
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    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/00271—HVAC devices specially adapted for particular vehicle parts or components and being connected to the vehicle HVAC unit
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/00271—HVAC devices specially adapted for particular vehicle parts or components and being connected to the vehicle HVAC unit
    • B60H1/00278—HVAC devices specially adapted for particular vehicle parts or components and being connected to the vehicle HVAC unit for the battery
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    • B60H1/3228—Cooling devices using compression characterised by refrigerant circuit configurations
    • B60H1/32284—Cooling devices using compression characterised by refrigerant circuit configurations comprising two or more secondary circuits, e.g. at evaporator and condenser side
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60H1/00271—HVAC devices specially adapted for particular vehicle parts or components and being connected to the vehicle HVAC unit
    • B60H2001/00307—Component temperature regulation using a liquid flow

Definitions

  • the invention relates to an air conditioning device for a motor vehicle, in particular for an electrically operated motor vehicle, according to the preamble of patent claim 1.
  • Such an air conditioning device for a motor vehicle is disclosed in DE 10 2016 006 134 A1.
  • the known air conditioning device comprises a refrigerant circuit through which a refrigerant can flow and at least one compressor arranged in the refrigerant circuit for compressing the refrigerant. Furthermore, the air conditioning device comprises at least one in the
  • the air conditioning device comprises at least two cooling devices for cooling the refrigerant.
  • the cooling devices are designed as heat exchangers that can be operated by means of which the refrigerant can be cooled.
  • One of the cooling devices is designed as an air-cooled cooling device, so that the air flowing through the air-cooled cooling device
  • Refrigerant is cooled by means of the cooling device as a result of heat transfer.
  • heat flows from the refrigerant through the cooling device to the air flowing around the cooling device.
  • the air-cooled cooling device is a shut-off device, e.g. a radiator blind assigned, by means of which the supply of air to the cooling device can be adjusted. This requires the arrangement of the cooling device in the front area of the motor vehicle, e.g. in the engine compartment behind a grille.
  • the need to provide a cooling air inlet in the area of the front end results in a high level of complexity due to long connecting elements in the form of pipes or hoses for guiding the refrigerant and coolant.
  • the object of the present invention is to further develop an air conditioning device of the type mentioned at the outset in such a way that efficient operation with reduced component complexity can be achieved.
  • This object is achieved by an air conditioning device with the features of patent claim 1.
  • an air conditioning device which can flow through a refrigerant
  • Refrigerant circuit comprises, in which a compressor for compressing the refrigerant, a cooling device for cooling the refrigerant, an expansion element for expanding the refrigerant, and an evaporator for evaporating the refrigerant are arranged one after the other in the flow direction of the refrigerant. According to the invention is arranged in the refrigerant circuit
  • Cooling device an air-cooled cooling device. Furthermore, at least one further cooling device is arranged in the refrigerant circuit, the further one
  • Liquid circuit is arranged and designed to transfer heat of the liquid of the liquid circuit to the refrigerant of the refrigerant circuit, or vice versa.
  • the air-cooled cooling device and the further cooling device are preferably heat exchangers which can be operated as cooling devices for cooling the refrigerant.
  • the air-cooled cooling device is, for example, a condenser, in particular when a conventional refrigerant is used as the refrigerant. If the refrigerant is, for example, carbon dioxide (CO2), the cooling device functions as a so-called gas cooler.
  • the air-cooled cooling device can be designed as a finned heat exchanger.
  • the further cooling device can e.g. be designed as a plate capacitor and is also referred to as a chiller.
  • Refrigerant circuit and the further cooling device which exchanges heat between a liquid of a liquid circuit and the refrigerant circuit, can reduce the complexity of the cooling and heating circuit, so that
  • an electrically operated motor vehicle is understood to mean in particular a battery-operated vehicle (BEV).
  • BEV battery-operated vehicle
  • Hybrid electric motor vehicles i.e. vehicles that have both an internal combustion engine and a Have electric motor as drive sources.
  • a motor vehicle is not only to be understood as a passenger car, but also as a commercial vehicle.
  • the proposed air conditioning device makes it possible, for example, to remove waste heat from electrical components via the coolant circuit, to transfer it to the refrigerant via the further cooling device, and from there to release it into the air via the (actual) cooling device of the refrigerant circuit.
  • Heat pump operation for heating the vehicle interior is also possible. As a result, all functionalities of heating and cooling can be ensured with an air conditioning device with low complexity.
  • a first further cooling device is arranged in series with the evaporator.
  • the first is another
  • Cooling device upstream of the evaporator and downstream of the
  • Expansion element arranged. This configuration enables waste heat to be removed from the liquid circuit, e.g. for cooling one too
  • a second further cooling device is arranged in series with the cooling device.
  • the second further cooling device is downstream of the cooling device and
  • the air conditioning device comprises both the first further cooling device and the second further cooling device.
  • an air conditioning device can also be provided, which either only the first further cooling device or only the second further cooling device.
  • Cooling device includes.
  • Liquid circuit to arrange a device to be tempered.
  • the device to be temperature-controlled is in particular an electrical component.
  • the electrical component is e.g. a drive device, an inverter
  • the device to be temperature-controlled is expediently connected to the first further cooling device or the second further cooling device via a changeover valve.
  • the changeover valve enables the device to be temperature-controlled to be optionally connected to the first further cooling device, as a result of which heat can be dissipated from the device to be temperature-controlled, in that the heat can be released from the liquid to the refrigerant and from the refrigerant to air.
  • the device to be temperature-controlled can optionally be connected to the second further cooling device, as a result of which heat is transferred to the device
  • Tempering device can be transferred by the heat is transferred from the refrigerant to the liquid and from the liquid to the device to be tempered.
  • the components of the refrigerant circuit are arranged in an air conditioning box of the motor vehicle.
  • the components of the refrigerant circuit which are arranged in the climate box of the motor vehicle, thus include the compressor, the air-cooled cooling device, the
  • Expansion element the evaporator and the first further cooling device and / or the second further cooling device.
  • the complexity of the cooling and heating circuit of a vehicle can be reduced, since in particular the number of pipes and / or hoses can be reduced.
  • a further reduction in complexity is possible in that the changeover valve is also arranged in the climate box of the motor vehicle.
  • Heat pump is operated.
  • the interior of the vehicle in particular air to be supplied to the interior, can advantageously be heated or heated.
  • the drive power for operating the air conditioning device according to the invention can be kept particularly low while at the same time realizing an at least substantially optimal heating power for heating the interior.
  • the at least one further cooling device can be switched as a heat source or heat sink.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an inventive
  • Fig. 1 shows a schematic representation of an air conditioning device for a motor vehicle, generally designated 10, e.g. a passenger car or a commercial vehicle.
  • the air conditioning device 10 comprises a refrigerant circuit 12 through which a refrigerant can flow, one in the
  • Refrigerant circuit 12 arranged compressor 14 for compressing the
  • Refrigerant a cooling device 16 arranged in the refrigerant circuit 12, an expansion element 18 in the present case designed as an expansion valve and arranged in the refrigerant circuit 12, and an evaporator 20 arranged in the refrigerant circuit 12 for evaporating the refrigerant.
  • the refrigerant can be expanded, ie relaxed, by means of the expansion element 18.
  • the cooling device 16 is an air-cooled heat exchanger in the form of a
  • Air conditioning device 10 can be operated or is operated as a cooling device for cooling the refrigerant.
  • This operating mode is, for example, a heat pump operation in which the
  • Air conditioning device 10 is operated as a heat pump.
  • Heat pump operation can use the interior of the vehicle
  • Air conditioning device 10 that is to say heated by means of the heat pump, for example by heating air to be supplied to the interior.
  • Components are in the flow direction in the following
  • a liquid circuit 40 through which a liquid can flow is provided, which at least partially forms part of the
  • Air conditioning device 10 is or belongs to the air conditioning device 10.
  • the liquid circuit 40 comprises a first further cooling device 26 designed as a plate heat exchanger and a second further cooling device 34 designed as a plate heat exchanger, through which cooling liquid on the one hand and refrigerant on the other hand can flow.
  • a coolant eg water used.
  • R1234f can be used as a refrigerant.
  • a device 28 to be tempered and a pump 30 are also arranged in the liquid circuit 40. The device to be tempered is
  • the electrical component is e.g. a drive device, an inverter (DC / DC converter), a battery (energy storage) of the motor vehicle, etc.
  • Either the first further cooling device 26 or the second further cooling device 34 can be connected to the device 28 to be temperature-controlled via a changeover valve 32.
  • the switching valve 28 has six for this purpose
  • Connections 58, 60, 62, 64, 66, 68 the series connection of the device 28 to be temperature-controlled and the pump 30 connected to the connections 58, 60, the first further cooling device 26 to the connections 62, 64 and the second further cooling device 34 the connections 66, 68 of the changeover valve are connected.
  • the first further cooling device 26 is arranged upstream of the evaporator 20 and downstream of the expansion valve 18 in the refrigerant circuit 12.
  • Evaporator 20 is thus arranged between the expansion valve 18 and the compressor 14. If the device 28 to be temperature-controlled is connected to the first further cooling device 26 via the change-over valve 28, waste heat of the device 28 to be temperature-controlled can be released to the refrigerant by means of the first further cooling device 26 and to the air by means of the evaporator 20.
  • the second further cooling device 34 is downstream of the air-cooled one
  • Refrigerant circuit 12 arranged.
  • the serial connection of the cooling device 16 and the second further cooling device 34 is thus arranged between the compressor 14 and the expansion valve 18. If the device 28 to be temperature-controlled is connected to the second further cooling device 34 via the changeover valve 28, heat can be transferred to the device 28 to be temperature-controlled by means of the second further cooling device 34, heat from the refrigerant to the cooling liquid and to the device to be temperature-controlled 28 is transported.
  • the evaporators 20 and cooling device 16, which are designed as lamella heat exchangers, the further cooling devices 26, 34, which are designed as plate heat exchangers, the compressor 14, the expansion valve and, optionally (contrary to the drawing), also the changeover valve 32 can be integrated in a climate box 50 of the motor vehicle. This can increase the complexity of the
  • Air conditioning device with regard to necessary hose and / or
  • a fan 24 and a flap arrangement 22 for guiding air to and from the evaporator 20 and cooling device 16 are additionally arranged in the air conditioning box 50 in a manner known to the person skilled in the art.
  • Reference numerals 52 and 54 denote outlets to the surroundings and to
  • vehicle cabin Interior of the motor vehicle (so-called vehicle cabin). If the vehicle cabin is to be heated, air is drawn in from the surroundings or the vehicle cabin via the connection 56 and the air flow is controlled by means of the flap arrangement 22 in such a way that it is guided over the cooling device 16. If the vehicle cabin is to be cooled, air is drawn in from the surroundings or the vehicle cabin via the connection 56 and the air flow is controlled by means of the flap arrangement 22 in such a way that it is conducted via the evaporator 20.
  • the component 28 to be temperature-controlled is to be warmed, air is drawn in from the surroundings or the vehicle cabin via the connection 56 and the air flow is controlled by means of the flap arrangement 22 in such a way that it is conducted via the evaporator 20.
  • the cooling liquid is heated in the second further cooling device 34.
  • the component 28 to be temperature-controlled is to be cooled, air is drawn in from the environment or the vehicle cabin via the connection 56 and the air flow is controlled by means of the flap arrangement 22 in such a way that it is guided over the cooling device 16. The heat given off by the component 28 to the cooling water is dissipated via the first further cooling device 34.
  • the waste heat from the component 28 is also possible to use the waste heat from the component 28 to be temperature-controlled.
  • the heat introduced into the cooling liquid is used to heat the refrigerant in the first further cooling device 34.
  • a heat pump operation with a reheat function with heat recovery can also be represented below 0 degrees Celsius, the air conditioning device 10 in that
  • Heat pump operation is operated as a heat pump. This can
  • the interior of the vehicle in particular air to be supplied to the interior, can advantageously be heated or heated.
  • compressor 14 accumulator
  • expansion valve 18 tubing / piping and, if necessary, internal heat exchanger
  • an air distribution unit which contains the functionalities
  • the outgoing exhaust air can e.g. are discharged into the environment via the outside of the windshield or the fender.
  • the connection to the cooling center circuit is realized via a 6/2-way switch valve.

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Abstract

Es wird eine Klimatisierungseinrichtung (10) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug, beschrieben, die einen von einem Kältemittel durchströmbaren Kältemittelkreislauf (12) umfasst, in dem in Strömungsrichtung des Kältemittels nacheinander angeordnet sind: ein Verdichter (14) zum Verdichten des Kältemittels, eine luftgekühlte Kühleinrichtung (16) zum Kühlen des Kältemittels, ein Expansionselement (18) zum Expandieren des Kältemittels, und ein Verdampfer (20) zum Verdampfen des Kältemittels. Es ist zumindest eine weitere Kühleinrichtung (26, 34) in dem Kältemittelkreislauf (12) angeordnet, wobei die weitere Kühleinrichtung (26) in einem von einer Flüssigkeit durchströmbaren Flüssigkeitskreislauf (40) angeordnet und dazu ausgebildet ist, Wärme der Flüssigkeit des Flüssigkeitskreislaufs (40) an das Kältemittel des Kältemittelkreislaufs (12), oder umgekehrt, zu übertragen.

Description

Beschreibung
Klimatisierungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft eine Klimatisierungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 .
Eine solche Klimatisierungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug ist in der DE 10 2016 006 134 A1 offenbart. Die bekannte Klimatisierungseinrichtung umfasst einen von einem Kältemittel durchströmbaren Kältemittelkreislauf und wenigstens einen in dem Kältemittelkreislauf angeordneten Verdichter zum Verdichten des Kältemittels. Ferner umfasst die Klimatisierungseinrichtung wenigstens einen in dem
Kältemittelkreislauf angeordneten Verdampfer zum Verdampfen des Kältemittels sowie zwei Expansionselemente zum Expandieren des Kältemittels. Außerdem umfasst die Klimatisierungseinrichtung wenigstens zwei Kühleinrichtungen zum Kühlen des Kältemittels. Die Kühleinrichtungen sind als Kühleinrichtungen betreibbare Wärmetauscher ausgebildet, mittels welchen das Kältemittel gekühlt werden kann. Eine der Kühleinrichtungen ist als luftgekühlte Kühleinrichtung ausgebildet, so dass das die luftgekühlte Kühleinrichtung durchströmende
Kältemittel mittels der Kühleinrichtung infolge eines Wärmeübergangs gekühlt wird. Dabei geht in dessen Rahmen Wärme von dem Kältemittel über die Kühleinrichtung an die Kühleinrichtung umströmende Luft über. Der luftgekühlten Kühleinrichtung ist eine Absperreinrichtung, z.B. eine Kühlerjalousie, zugeordnet, mittels welcher die Versorgung der Kühleinrichtung mit Luft einstellbar ist. Dies erfordert die Anordnung der Kühleinrichtung im vorderen Bereich des Kraftfahrzeugs, z.B. im Motorraum hinter einem Kühlergrill.
Neben einem ungünstigen Luftwiderstandsbeiwert (cw-Wert) aufgrund des
Erfordernisses einen Kühllufteinlass im Bereich des Vorderwagens vorzusehen, ergibt sich eine hohe Komplexität durch lange Verbindungselemente in Form von Rohren oder Schläuchen zur Führung von Kältemittel und Kühlmittel.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Klimatisierungseinrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein effizienter Betrieb bei reduzierter Bauteilkomplexität realisierbar ist. Diese Aufgabe wird durch eine Klimatisierungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen
Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Zur Lösung der oben angegebenen Aufgabe wird eine Klimatisierungseinrichtung vorgeschlagen, die einen von einem Kältemittel durchström baren
Kältemittelkreislauf umfasst, in dem in Strömungsrichtung des Kältemittels nacheinander ein Verdichter zum Verdichten des Kältemittels, eine Kühleinrichtung zum Kühlen des Kältemittels, ein Expansionselement zum Expandieren des Kältemittels, und ein Verdampfer zum Verdampfen des Kältemittels angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist die in dem Kältemittelkreislauf angeordnete
Kühleinrichtung eine luftgekühlte Kühleinrichtung. Ferner ist zumindest eine weitere Kühleinrichtung in dem Kältemittelkreislauf angeordnet, wobei die weitere
Kühleinrichtung in einem von einer Flüssigkeit durchström baren
Flüssigkeitskreislauf angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, Wärme der Flüssigkeit des Flüssigkeitskreislaufs an das Kältemittel des Kältemittelkreislaufs, oder umgekehrt, zu übertragen.
Die luftgekühlte Kühleinrichtung und die weitere Kühleinrichtung sind vorzugsweise Wärmetauscher, welche als Kühleinrichtungen zum Kühlen des Kältemittels betrieben werden können. Die luftgekühlte Kühleinrichtung ist beispielsweise ein Kondensator, insbesondere dann, wenn als das Kältemittel ein herkömmliches Kältemittel zum Einsatz kommt. Handelt es sich bei dem Kältemittel beispielsweise um Kohlendioxid (CO2), so fungiert die Kühleinrichtung als sogenannter Gaskühler. Die luftgekühlte Kühleinrichtung kann als Lamellenwärmetauscher ausgebildet sein. Die weitere Kühleinrichtung kann z.B. als Plattenkondensator ausgebildet sein und wird auch als Chiller bezeichnet.
Durch die Serienschaltung der luftgekühlten Kühleinrichtung des
Kältemittelkreislaufs und der weiteren Kühleinrichtung, die Wärme zwischen einer Flüssigkeit eines Flüssigkeitskreislaufs und dem Kältemittelkreislauf austauscht, lässt sich die Komplexität von Kühl- und Heizkreises reduzieren, so dass
insbesondere ein Einsatz in einem elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeug mit Vorteil möglich ist. Unter einem elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeug wird in der vorliegenden Beschreibung insbesondere ein Batterie-betriebenes Fahrzeug (Battery Electric Vehicle - BEV) verstanden. Hierunter fallen jedoch auch
Hybrid-elektrische Kraftfahrzeuge (Hybrid Battery Electric Vehicle - HBEV), also Fahrzeuge, die sowohl über einen Verbrennungsmotor als auch über einen Elektromotor als Antriebsquellen verfügen. Unter einem Kraftfahrzeug sind nicht nur Personenkraftwagen, sondern auch Nutzfahrzeuge zu verstehen.
Die vorgeschlagene Klimatisierungseinrichtung ermöglicht es beispielsweise, Abwärme von elektrischen Komponenten über den Kühlmittelkreislauf abzuführen, über die weitere Kühleinrichtung an das Kältemittel zu übertragen und von dort über die (eigentliche) Kühleinrichtung des Kältemittelkreislaufs an die Luft abzugeben. Ebenso ist ein Wärmepumpenbetrieb zum Beheizen des Fahrzeuginneren möglich. Im Ergebnis können alle Funktionalitäten des Heizens und Kühlens mit einer Klimatisierungseinrichtung mit geringer Komplexität sichergestellt werden.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist eine erste weitere Kühleinrichtung in Reihe zu dem Verdampfer angeordnet. Insbesondere ist die erste weitere
Kühleinrichtung stromaufwärts des Verdampfers und stromabwärts des
Expansionselements angeordnet. Diese Ausgestaltung ermöglicht die Abführung von Abwärme aus dem Flüssigkeitskreislauf, z.B. zur Kühlung einer zu
temperierenden Komponente.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist eine zweite weitere Kühleinrichtung in Reihe zu der Kühleinrichtung angeordnet. Insbesondere ist die zweite weitere Kühleinrichtung stromabwärts der Kühleinrichtung und
stromaufwärts des Expansionselements angeordnet. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, Wärme an den Flüssigkeitskreislauf zu übertragen, um z.B. die zu temperierenden Komponente zu wärmen/heizen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Klimatisierungseinrichtung sowohl die erste weitere Kühleinrichtung als auch die zweite weitere Kühleinrichtung. Es kann jedoch auch eine Klimatisierungseinrichtung bereitgestellt werden, die entweder nur die erste weitere Kühleinrichtung oder nur die zweite weitere
Kühleinrichtung umfasst.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, in dem
Flüssigkeitskreislauf eine zu temperierende Einrichtung anzuordnen. Die zu temperierende Einrichtung ist insbesondere eine elektrische Komponente. Die elektrische Komponente ist z.B. eine Antriebseinrichtung, ein Inverter
(DC/DC-Wandler) oder eine Batterie (Energiespeicher) des Kraftfahrzeugs. Die zu temperierende Einrichtung wird zweckmäßigerweise über ein Umschaltventil mit der ersten weiteren Kühleinrichtung oder der zweiten weiteren Kühleinrichtung verschaltet. Das Umschaltventil ermöglicht es, die zu temperierende Einrichtung wahlweise mit der ersten weiteren Kühleinrichtung zu verbinden, wodurch Wärme von der zu temperierende Einrichtung abgeführt werden kann, indem die Wärme von der Flüssigkeit an das Kältemittel und von dem Kältemittel an Luft abgegeben werden kann. Wahlweise kann die zu temperierende Einrichtung mit der zweiten weiteren Kühleinrichtung verbunden werden, wodurch Wärme an die zu
temperierende Einrichtung übertragen werden kann, indem die Wärme von dem Kältemittel an die Flüssigkeit und von der Flüssigkeit an die zu temperierende Einrichtung übertragen wird.
Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn die Komponenten des Kältemittelkreislaufs in einem Klimakasten des Kraftfahrzeugs angeordnet sind. Die Komponenten des Kältemittelkreislaufs, die in dem Klimakasten des Kraftfahrzeugs angeordnet sind, umfassen damit den Verdichter, die luftgekühlte Kühleinrichtung, das
Expansionselement, den Verdampfer sowie die erste weitere Kühleinrichtung und/oder die zweite weitere Kühleinrichtung. Hierdurch lässt sich die Komplexität des Kühl- und Heizkreises eines Fahrzeugs reduzieren, da insbesondere die Anzahl an Rohrleitungen und/oder Schläuchen reduziert werden kann. Eine weitere Komplexitätsreduzierung ist dadurch möglich, dass auch das Umschaltventil in dem Klimakasten des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
Mittels der erfindungsgemäßen Klimatisierungseinrichtung lässt sich ein
Wärmepumpenbetrieb mit Reheatfunktion unter Wärmerückgewinnung darstellen, wobei die Klimatisierungseinrichtung in dem Wärmepumpenbetrieb als
Wärmepumpe betrieben wird. Dadurch kann beispielsweise der Innenraum des Fahrzeugs, insbesondere dem Innenraum zuzuführende Luft, vorteilhaft erwärmt beziehungsweise beheizt werden. Ferner kann die Antriebsleistung zum Betreiben der erfindungsgemäßen Klimatisierungseinrichtung besonders gering gehalten werden bei gleichzeitiger Realisierung einer zumindest im Wesentlichen optimalen Heizleistung zum Beheizen des Innenraums. Zusätzlich kann abhängig vom
Betriebspunkt die zumindest eine weitere Kühleinrichtung als Wärmequelle oder Wärmesenke geschaltet werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Klimatisierungseinrichtung.
Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Klimatisierungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, z.B. einen Personenkraftwagen oder ein Nutzfahrzeug. Die Klimatisierungseinrichtung 10 umfasst dabei einen von einem Kältemittel durchströmbaren Kältemittelkreislauf 12, einen in dem
Kältemittelkreislauf 12 angeordneten Verdichter 14 zum Verdichten des
Kältemittels, eine in dem Kältemittelkreislauf 12 angeordnete Kühleinrichtung 16, ein vorliegend als Expansionsventil ausgebildetes und in dem Kältemittelkreislauf 12 angeordnetes Expansionselement 18 und einen in dem Kältemittelkreislauf 12 angeordneten Verdampfer 20 zum Verdampfen des Kältemittels. Mittels des Expansionselements 18 kann das Kältemittel expandiert, das heißt entspannt, werden.
Die Kühleinrichtung 16 ist ein luftgekühlter Wärmetauscher in Gestalt eines
Lamellenwärmetauschers, welcher in zumindest einer Betriebsart der
Klimatisierungseinrichtung 10 als Kühleinrichtung zum Kühlen des Kältemittels betreibbar ist beziehungsweise betrieben wird. Bei dieser Betriebsart handelt es sich beispielsweise um einen Wärmepumpenbetrieb, in welchem die
Klimatisierungseinrichtung 10 als Wärmepumpe betrieben wird. In dem
Wärmepumpenbetrieb kann der Innenraum des Fahrzeugs mittels der
Klimatisierungseinrichtung 10, das heißt mittels der Wärmepumpe, beheizt werden, indem beispielsweise dem Innenraum zuzuführende Luft erwärmt wird. Die
Komponenten sind in Strömungsrichtung in der nachfolgend genannten
Reihenfolge angeordnet: Verdichter 14 - Kühleinrichtung 16 - Expansionselement 18 - Verdampfer 20.
Ferner ist ein von einer Flüssigkeit durchström barer Flüssigkeitskreislauf 40 vorgesehen, welcher zumindest zum Teil Bestandteil der
Klimatisierungseinrichtung 10 ist beziehungsweise zur Klimatisierungseinrichtung 10 gehört. Der Flüssigkeitskreislauf 40 umfasst eine als Plattenwärmetauscher ausgebildete erste weitere Kühleinrichtung 26 sowie eine als Plattenwärmetauscher ausgebildete zweite weitere Kühleinrichtung 34, welche von Kühlflüssigkeit einerseits und Kältemittel andererseits, durchströmbar sind. Als Kühlflüssigkeit wird z.B. Wasser verwendet. Als Kältemittel kann z.B. R1234f zum Einsatz kommen. In dem Flüssigkeitskreislauf 40 sind ferner eine zu temperierende Einrichtung 28 sowie eine Pumpe 30 angeordnet. Die zu temperierende Einrichtung ist
insbesondere eine elektrische Komponente eines elektrisch betreibbaren
Kraftfahrzeugs. Die elektrische Komponente ist z.B. eine Antriebseinrichtung, ein Inverter (DC/DC-Wandler), eine Batterie (Energiespeicher) des Kraftfahrzeugs, usw.
Über ein Umschaltventil 32 kann entweder die erste weitere Kühleinrichtung 26 oder die zweite weitere Kühleinrichtung 34 mit der zu temperierenden Einrichtung 28 verschaltet werden. Das Umschaltventil 28 weist zu diesem Zweck sechs
Anschlüsse 58, 60, 62, 64, 66, 68 auf, wobei die Reihenschaltung aus zu temperierender Einrichtung 28 und Pumpe 30 an die Anschlüsse 58, 60, die erste weitere Kühleinrichtung 26 an die Anschlüsse 62, 64 und die zweite weitere Kühleinrichtung 34 an die Anschlüsse 66, 68 des Umschaltventils angeschlossen sind.
Die erste weitere Kühleinrichtung 26 ist stromaufwärts des Verdampfers 20 und stromabwärts des Expansionsventils 18 in dem Kältemittelkreislauf 12 angeordnet. Die serielle Verschaltung der ersten weiteren Kühleinrichtung 26 und des
Verdampfers 20 ist somit zwischen dem Expansionsventil 18 und dem Verdichter 14 angeordnet. Ist die zu temperierende Einrichtung 28 über das Umschaltventil 28 mit der ersten weiteren Kühleinrichtung 26 verbunden, so kann mittels der ersten weiteren Kühleinrichtung 26 Abwärme der zu temperierenden Einrichtung 28 über die Kühlflüssigkeit an das Kältemittel und mittels des Verdampfers 20 an die Luft abgegeben werden.
Die zweite weitere Kühleinrichtung 34 ist stromabwärts der luftgekühlten
Kühleinrichtung 16 und stromaufwärts des Expansionsventils 18 in dem
Kältemittelkreislauf 12 angeordnet. Die serielle Verschaltung der Kühleinrichtung 16 und der zweiten weiteren Kühleinrichtung 34 ist somit zwischen dem Verdichter 14 und dem Expansionsventil 18 angeordnet. Ist die zu temperierende Einrichtung 28 über das Umschaltventil 28 mit der zweiten weiteren Kühleinrichtung 34 verbunden, so kann mittels der zweiten weiteren Kühleinrichtung 34 Wärme an die zu temperierende Einrichtung 28 übertragen werden, wobei von dem Kältemittel Wärme an die Kühlflüssigkeit und an die zu temperierende Einrichtung 28 transportiert wird. Die als Lamellenwärmetaucher ausgebildeten Verdampfer 20 und Kühleinrichtung 16, die als Plattenwärmetauscher ausgebildeten weiteren Kühleinrichtungen 26, 34, der Verdichter 14, das Expansionsventil und optional (entgegen der zeichnerischen Darstellung) auch das Umschaltventil 32 können in einem Klimakasten 50 des Kraftfahrzeugs integriert sein. Hierdurch kann die Komplexität der
Klimatisierungseinrichtung im Hinblick auf notwendige Schlauch- und/oder
Rohrverbindungen reduziert werden.
In dem Klimakasten 50 sind ferner, in einer dem Fachmann bekannten Weise, zusätzlich ein Gebläse 24 und eine Klappenanordnung 22 zur Luftführung von Luft zum bzw. vom Verdampfer 20 und Kühleinrichtung 16 angeordnet. Die
Bezugszeichen 52 und 54 bezeichnen Auslässe zur Umgebung bzw. zum
Innenraum des Kraftfahrzeugs (sog. Fahrzeugkabine). Soll die Fahrzeugkabine erwärmt werden, so wird über den Anschluss 56 Luft von der Umgebung oder der Fahrzeugkabine angesaugt und es erfolgt mittels der Klappenanordnung 22 die Steuerung des Luftflusses derart, dass diese über die Kühleinrichtung 16 geführt wird. Soll die Fahrzeugkabine gekühlt werden, so wird über den Anschluss 56 Luft von der Umgebung oder der Fahrzeugkabine angesaugt und es erfolgt mittels der Klappenanordnung 22 die Steuerung des Luftflusses derart, dass diese über den Verdampfer 20 geführt wird.
Soll die zu temperierende Komponente 28 gewärmt werden, so wird über den Anschluss 56 Luft von der Umgebung oder der Fahrzeugkabine angesaugt und es erfolgt mittels der Klappenanordnung 22 die Steuerung des Luftflusses derart, dass diese über den Verdampfer 20 geführt wird. Die Erwärmung der Kühlflüssigkeit erfolgt in der zweiten weiteren Kühleinrichtung 34.
Soll die zu temperierende Komponente 28 gekühlt werden, so wird über den Anschluss 56 Luft von der Umgebung oder der Fahrzeugkabine angesaugt und es erfolgt mittels der Klappenanordnung 22 die Steuerung des Luftflusses derart, dass diese über die Kühleinrichtung 16 geführt wird. Die von der Komponente 28 an das Kühlwasser abgegebene Wärme wird über die erste weitere Kühleinrichtung 34 abgeführt.
Zudem ist eine Nutzung der Abwärme der zu temperierenden Komponente 28 möglich. Dabei wird die in die Kühlflüssigkeit eingebrachte Wärme zur Erwärmung des Kältemittels in der ersten weiteren Kühleinrichtung 34 genutzt. Mittels der beschriebenen Klimatisierungseinrichtung 10 lässt sich zudem ein Wärmepumpenbetrieb mit Reheatfunktion unter Wärmerückgewinnung auch unter 0 Grad Celsius darstellen, wobei die Klimatisierungseinrichtung 10 in dem
Wärmepumpenbetrieb als Wärmepumpe betrieben wird. Dadurch kann
beispielsweise der Innenraum des Fahrzeugs, insbesondere dem Innenraum zuzuführende Luft, vorteilhaft erwärmt beziehungsweise beheizt werden.
Gegenüber bisher gebräuchlichen Wärmetauschern sind folgende Modifikationen vorteilhaft:
eine größere Dimensionierung der Lamellenwärmetauscher
(Kühleinrichtung 16 und Verdampfer 20),
die Integration von Verdichter 14, Akkumulator, Expansionsventil 18, Verschlauchung/Verrohrung und ggf. internem Wärmetauscher,
eine Luftverteilereinheit, welche die Funktionalitäten,
Kabinenklimatisierung, Abgabe von Wärme an die Umgebung sowie Reheatbetrieb ermöglicht.
Zusätzlich ist eine Modifikation der Motorhaube oder der Kotflügel zweckmäßig, um ausreichenden Zugang zur Umgebungsluft zu bekommen. Die ausströmende Abluft kann z.B. über die Außenseite der Windschutzscheibe bzw. den Kotflügel in die Umgebung abgeleitet werden. Ausgehend von den Plattenwärmetauschern (d.h. den weiteren Kühleinrichtungen 26, 34) wird die Anbindung an den Kühlmittekreis über ein 6/2-Wege-Umschaltventil realisiert.
Hieraus ergeben sich folgende Vorteile:
Geringere Systemkosten durch Wegfall der Wärmetauscher im Bereich des Vorderwagens,
Einsparung von Kältemittel- und Kühlmittelleitungen und ggf. Reduktion der Anzahl der Wärmetauscher,
Erhöhung der Reichweite eines Batteriebetriebenen Fahrzeugs durch besseren Luftwiderstandsbeiwert,
Geringere Komplexität des Kälte-/Wärmekreises,
Kürzere Fertigungsdauer durch die Möglichkeit der Vorfertigung des Klimakastens.

Claims

Patentansprüche
1 . Klimatisierungseinrichtung (10) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug, mit einem von einem Kältemittel
durchström baren Kältemittelkreislauf (12), in dem in Strömungsrichtung des Kältemittels nacheinander angeordnet sind:
ein Verdichter (14) zum Verdichten des Kältemittels,
eine Kühleinrichtung (16) zum Kühlen des Kältemittels,
ein Expansionselement (18) zum Expandieren des Kältemittels, und ein Verdampfer (20) zum Verdampfen des Kältemittels,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kühleinrichtung (16) eine luftgekühlte Kühleinrichtung ist, und zumindest eine weitere Kühleinrichtung (26, 34) in dem Kältemittelkreislauf (12) angeordnet ist, wobei die weitere Kühleinrichtung (26) in einem von einer Flüssigkeit durchströmbaren Flüssigkeitskreislauf (40) angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, Wärme der Flüssigkeit des Flüssigkeitskreislaufs (40) an das Kältemittel des Kältemittelkreislaufs (12), oder umgekehrt, zu übertragen.
2. Klimatisierungseinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine erste weitere Kühleinrichtung (26) in Reihe zu dem Verdampfer (20) angeordnet ist.
3. Klimatisierungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste weitere Kühleinrichtung (26) stromaufwärts des Verdampfers (20) und stromabwärts des Expansionselements (18) angeordnet ist.
4. Klimatisierungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite weitere Kühleinrichtung (34) in Reihe zu der Kühleinrichtung (16) angeordnet ist.
5. Klimatisierungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite weitere Kühleinrichtung (34) stromabwärts der Kühleinrichtung (16) und stromaufwärts des Expansionselements angeordnet ist.
6. Klimatisierungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Flüssigkeitskreislauf (40) eine zu temperierende Einrichtung (28), insbesondere eine elektrische Komponente, angeordnet ist.
7. Klimatisierungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zu temperierende Einrichtung (28) über ein Umschaltventil (32) mit der ersten weiteren Kühleinrichtung (26) oder der zweiten weiteren Kühleinrichtung (34) verschaltbar ist.
8. Klimatisierungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten des Kältemittelkreislaufs (12) in einem Klimakasten (50) des Kraftfahrzeugs angeordnet sind.
9. Klimatisierungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das
Umschaltventil (32) in dem Klimakasten (50) des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
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