-
Die Erfindung betrifft einen Kältemittelkreislauf einer Fahrzeugklimaanlage, insbesondere für Elektrofahrzeuge, sowie ein Verfahren zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums, insbesondere mittels eines solchen Kältemittelkreislaufs.
-
Moderne Kraftfahrzeuge sind inzwischen üblicherweise mit einer Klimaanlage zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums ausgestattet. Diese Fahrzeugklimaanlagen werden vorwiegend mit einem Kältemittelkreislauf nach dem Carnot-Prinzip betrieben, um bei hohen Außentemperaturen eine Kühlung des Fahrzeuginnenraums zu erreichen. Zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums bei niedrigen Außentemperaturen wird üblicherweise die Abwärme des Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors genutzt.
-
Die Abwärme des Fahrzeugmotors ist jedoch bei Elektrofahrzeugen insgesamt und bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor während einer Aufwärmphase so gering, dass keine zufriedenstellende Beheizung des Fahrzeuginnenraums möglich ist. Aus diesem Grund kommt oftmals ein zusätzliches, elektrisches Heizgerät zum Einsatz, was jedoch mit einem recht hohen Energieverbrauch sowie einem zusätzlichen Bauraumbedarf und zusätzlichen Gerätekosten verbunden ist.
-
Um die Beheizung des Fahrzeuginnenraums zu verbessern, wurde im Stand der Technik bereits vorgeschlagen, die zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums vorhandene Fahrzeugklimaanlage bei Bedarf als Wärmepumpe zu betreiben und somit die Außenluft als Wärmequelle zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums zu nutzen.
-
So hat sich die
DE 103 13 850 A1 zur Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung zur effizienten Kühlung und Heizung von Kraftfahrzeugen bereitzustellen, die speziell mit dem Kältemittel Kohlendioxid arbeitet und an die Besonderheiten dieses Kältemittels sowie an einen kombinierten Wärmepumpen- und Kälteanlagenbetrieb mit zweistufiger Verdichtung angepasst ist. Die Druckschrift schlägt einen Kältemittelkreislauf sowie ein Verfahren für einen kombinierten Kälteanlagen- und Wärmepumpenbetrieb des Kältemittelkreislaufs mit zweistufiger Verdichtung vor, bei dem das Kältemittel nach der zweiten Verdichtungsstufe Wärmeenergie abgibt. Im Kälteanlagenbetrieb wird das Kältemittel auf Verdampfungsdruck expandiert, nimmt dann Wärme auf und wird in einer ersten Verdichtungsstufe verdichtet. Anschließend erfolgt eine Zwischenkühlung, bevor das Kältemittel einer zweiten Verdichtungsstufe zugeführt wird. Demgegenüber erfolgt im Wärmepumpenbetrieb keine Zwischenkühlung des Kältemittels nach der ersten Verdichtungsstufe.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kältemittelkreislauf einer Fahrzeugklimaanlage sowie ein Verfahren zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums bereitzustellen, mit dem die Klimaanlage besonders energiesparend als Kältemaschine und Wärmepumpe betrieben werden kann.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Kältemittelkreislauf einer Fahrzeugklimaanlage, mit einer Verdichtereinheit, die einen ersten Verdichter und einen nachgeschalteten zweiten Verdichter zum Komprimieren eines Kältemittels aufweist, einem Kondensator zum Erwärmen von einem Fahrzeuginnenraum zuführbarer Luft, einer dem Kondensator nachgeschalteten, ersten Druckverminderungseinheit zum Dekomprimieren des Kältemittels aus dem Kondensator, einem kältemitteldurchflossenen Wärmetauscher zum Wärmeaustausch mit einer Fahrzeugumgebungsluft, einem Verdampfer zum Kühlen von einem Fahrzeuginnenraum zuführbarer Luft, und einer dem Verdampfer vorgeschalteten, zweiten Druckverminderungseinheit zum Dekomprimieren des Kältemittels aus dem Wärmetauscher, wobei in einem Kühlmodus der Fahrzeugklimaanlage der zweite Verdichter, der Kondensator sowie die erste Druckverminderungseinheit überbrückt sind, und wobei in einem Heizmodus der Fahrzeugklimaanlage der Verdampfer sowie die zweite Druckverminderungseinheit überbrückt sind. Dieser Kältemittelkreislauf ermöglicht eine spezielle Abstimmung des ersten Verdichters auf den Kühlmodus der Klimaanlage sowie eine spezielle Abstimmung des zweiten Verdichters auf einen Heizmodus der Klimaanlage, wobei die Verdichter insbesondere als Kompressoren ausgeführt sind. Im Kühlmodus ist der zweite Verdichter abgeschaltet, sodass die Klimaanlage den Fahrzeuginnenraum ausschließlich mit dem ersten Verdichter energieeffizient kühlt. Um insbesondere bei kalter Witterung eine zufriedenstellende Beheizung des Fahrzeuginnenraums sicherzustellen, sind im Heizmodus eine höhere Verdichterleistung und ein höheres Druckverhältnis notwendig, weshalb eine zweite Verdichterstufe zugeschaltet wird. Dieser zweite Verdichter ist speziell auf den Heizmodus abgestimmt, sodass er zusammen mit dem ersten Verdichter einen energieeffizienten Heizbetrieb der Fahrzeugklimaanlage ermöglicht.
-
In einer Ausführungsform des Kältemittelkreislaufs ist zur Durchflusssteuerung des Kältemittels ein Wegeventil vorgesehen, welches im Kühlmodus eine erste Schaltstellung und im Heizmodus eine zweite Schaltstellung einnimmt. Unter Umständen können zusätzlich noch Absperr- und/oder Rückschlagventile vorgesehen sein, um den Durchfluss im Kältemittelkreislauf speziell auf die Anforderungen im Kühlmodus und Heizmodus auszurichten.
-
Vorzugsweise ist die erste Druckverminderungseinheit und/oder die zweite Druckverminderungseinheit ein Expansionsventil mit Absperrfunktion. Hierdurch lässt sich die Anzahl der Einzelbauteile im Kältemittelkreislauf gering halten und eine vorteilhafte Durchflusssteuerung mithilfe dieser speziellen Expansionsventile realisieren. Alternativ ist auch denkbar, dass vorgefertigte Baugruppen aus einem Expansionsventil und einem Absperrventil als Druckverminderungseinheit eingesetzt werden.
-
In einer weiteren Ausführungsform des Kältemittelkreislaufs ist ein Betriebsdruck und/oder eine Liefermenge des ersten Verdichters steuerbar, vorzugsweise stufenlos steuerbar. Somit lässt sich die Leistung des ersten Verdichters problemlos an die jeweiligen Randbedingungen anpassen, was sowohl im Kühlmodus als auch im Heizmodus zu einem besonders energieeffizienten Betrieb der Fahrzeugklimaanlage führt.
-
Hingegen kann beispielsweise ein Betriebsdruck und/oder eine Liefermenge des zweiten Verdichters im Wesentlichen konstant sein. Der zweite Verdichter ist damit ein einfaches und preisgünstiges Bauteil mit einer fest vorgegebenen Nennleistung und kann lediglich eingeschaltet oder ausgeschaltet werden. Da der zweite Verdichter im Bedarfsfall nur zugeschaltet wird, kann eine energieeffiziente Leistungsanpassung der gesamten Verdichtereinheit im Heizmodus insbesondere durch den ersten Verdichter erfolgen. Der erste Verdichter ist beispielsweise ein konventioneller Klimakompressor, optimiert für den Kühlmodus, wohingegen der zweite Verdichter beispielsweise ein für den Heizmodus optimierter, einfacher Zusatzkompressor ist. Folglich umfasst die Verdichtereinheit in diesem Fall zwei getrennte Verdichter in separaten Verdichtergehäusen. Soll der zweite Verdichter bei geringen Kosten und geringem Fertigungsaufwand eine gewisse Leistungssteuerung aufweisen, ist alternativ vorstellbar, dass der zweite Verdichter lediglich stufenweise steuerbar ist, also beispielsweise zwei oder drei Leistungsstufen aufweist.
-
In einer weiteren Ausführungsform des Kältemittelkreislaufs ist wenigstens ein Elektromotor zum Antreiben des ersten Verdichters und/oder des zweiten Verdichters vorgesehen.
-
Insbesondere kann genau ein Elektromotor zum Antreiben beider Verdichter vorgesehen sein. Dies reduziert den Fertigungs- und Montageaufwand und wirkt sich damit kostensenkend auf die Fahrzeugklimaanlage aus.
-
Der erste Verdichter und der zweite Verdichter weisen in diesem Fall bevorzugt eine gemeinsame Antriebswelle auf. Die Verdichter sind somit beispielsweise Scroll- oder Drehkolbenkompressoren, welche durch unterschiedliche Verdichtungsgeometrien an ein gewünschtes Hubvolumen und/oder Druckverhältnis anpassbar sind. Die beiden Verdichter können in diesem Fall auch als erste und zweite Stufe eines einzigen Verdichters bezeichnet werden und sind vorzugsweise in einem gemeinsamen Verdichtergehäuse untergebracht.
-
Insbesondere kann eine Kupplung vorgesehen sein, durch die der zweite Verdichter mit dem Elektromotor gekoppelt oder vom Elektromotor entkoppelt werden kann. Ist lediglich ein einziger Elektromotor als Antrieb für die beiden Verdichter vorgesehen, lässt sich über die Kupplung mit geringem Aufwand der zweite Verdichter je nach Bedarf zuschalten oder abschalten. Auf diese Weise ist ein besonders energieeffizienter Betrieb der Klimaanlage möglich.
-
In einer weiteren Ausführungsform des Kältemittelkreislaufs weist jeder Verdichter ein Kältemittel-Hubvolumen auf, wobei das Hubvolumen des zweiten Verdichters bei etwa 20–50 % des Hubvolumens des ersten Verdichters liegt. Das geringere Hubvolumen des zweiten Verdichters trägt der Tatsache Rechnung, dass das Kältemittel beim Eintritt in den zweiten Verdichter bereits durch den ersten Verdichter vorverdichtet ist. Folglich kann das Hubvolumen des zweiten Verdichters ohne Leistungseinbußen reduziert werden, wodurch sich der Vorteil eines verringerten Bauraum- und Energiebedarfs für den zweiten Verdichter ergibt.
-
Im Übrigen weist jeder Verdichter ein maximales Druckverhältnis auf, wobei das maximale Druckverhältnis des zweiten Verdichters bevorzugt etwa 30–50 % des maximalen Druckverhältnisses des ersten Verdichters beträgt. Insbesondere in Verbindung mit dem geringeren Hubvolumen lässt sich der zweite Verdichter durch das geringere Druckverhältnis als einfacher und preiswerter „Zuschaltkompressor“ konstruieren, der nicht auf einen eigenständigen Betrieb der Fahrzeugklimaanlage, sondern lediglich auf einen Unterstützungsbetrieb des ersten Verdichters ausgelegt ist.
-
In einer Ausführungsvariante des Kältemittelkreislaufs ist saugseitig ein Kältemittelspeicher vorgesehen, der im Kühlmodus stromabwärts der zweiten Druckverminderungseinheit und im Heizmodus stromabwärts der ersten Druckverminderungseinheit angeordnet ist.
-
In einer alternativen Ausführungsform des Kältemittelkreislaufs ist druckseitig ein Kältemittelspeicher vorgesehen, der im Kühlmodus stromaufwärts der zweiten Druckverminderungseinheit und im Heizmodus stromaufwärts der ersten Druckverminderungseinheit angeordnet ist.
-
Der Kältemittelkreislauf weist ferner stromabwärts der ersten oder zweiten Druckverminderungseinheit bis zu einer Saugseite des ersten Verdichters einen Niederdruckabschnitt und stromaufwärts der ersten oder zweiten Druckverminderungseinheit bis zu einer Druckseite des ersten Verdichters einen Hochdruckabschnitt auf, wobei der Niederdruckabschnitt und der Hochdruckabschnitt zumindest bereichsweise als innerer Wärmetauscher ausgebildet sein können. Das Kältemittel im Hochdruckabschnitt gibt dabei über den inneren Wärmetauscher Wärmeenergie an das Kältemittel im Niederdruckabschnitt ab, was zu einem erhöhten Wirkungsgrad der Fahrzeugklimaanlage führt.
-
Die eingangs gestellte Aufgabe wird im Übrigen auch gelöst durch ein Verfahren zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums mittels eines Kältemittelkreislaufs einer Fahrzeugklimaanlage, beispielsweise mittels des oben beschriebenen Kältemittelkreislaufs, bei dem das Kältemittel in einem Heizmodus der Fahrzeugklimaanlage einen Kondensator zum Erwärmen von einem Fahrzeuginnenraum zuführbarer Luft, eine nachgeschaltete, erste Druckverminderungseinheit sowie den als Verdampfer wirkenden Wärmetauscher zum Wärmeaustausch mit einer Fahrzeugumgebungsluft durchströmt, und in einem Kühlmodus der Fahrzeugklimaanlage einen Verdampfer zum Kühlen von einem Fahrzeuginnenraum zuführbarer Luft, eine vorgeschaltete, zweite Druckverminderungseinheit sowie einen als Kondensator wirkenden Wärmetauscher zum Wärmeaustausch mit einer Fahrzeugumgebungsluft durchströmt, wobei das Kältemittel im Kühlmodus ausschließlich von einem ersten Verdichter und im Heizmodus vom ersten Verdichter sowie zusätzlich von einem nachgeschalteten, zweiten Verdichter komprimiert wird.
-
Analog zu herkömmlichen Klimaanlagen, die ausschließlich als Kältemaschine betrieben werden, wird im Kühlmodus lediglich ein auf den Kühlmodus hin optimierter Verdichter eingesetzt, sodass die Fahrzeugklimaanlage im Betrieb als Kältemaschine keinen erhöhten Energiebedarf aufweist. Lediglich im Betrieb als Wärmepumpe wird ein zweiter Verdichter zugeschaltet, um auch bei niedrigen Außentemperaturen eine zufriedenstellende Heizleistung zu erzielen. Dabei ist der Wirkungsgrad der Klimaanlage im Wärmepumpenbetrieb in der Regel höher, zumeist sogar erheblich höher, als der Wirkungsgrad eines elektrischen Heizgeräts. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass ein elektrischer Energiebedarf der Verdichtereinheit geringer ist als der elektrische Energiebedarf eines elektrischen Heizgeräts, um eine vergleichbare Heizleistung zu erzielen. Insgesamt ergibt sich durch das vorgestellte Verfahren somit eine äußerst energieeffiziente Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums bei geringem konstruktiven und verfahrenstechnischen Mehraufwand.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. In diesen zeigen:
-
1 eine schematische Skizze eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs einer Fahrzeugklimaanlage gemäß einer ersten Ausführungsform;
-
2 die schematische Skizze des Kältemittelkreislaufs gemäß 1 in einem Kühlmodus der Fahrzeugklimaanlage;
-
3 die schematische Skizze des Kältemittelkreislaufs gemäß 1 in einem Heizmodus der Fahrzeugklimaanlage;
-
4 eine schematische Skizze eines erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs einer Fahrzeugklimaanlage gemäß einer zweiten Ausführungsform;
-
5 die schematische Skizze des Kältemittelkreislaufs gemäß 4 in einem Kühlmodus der Fahrzeugklimaanlage;
-
6 die schematische Skizze des Kältemittelkreislaufs gemäß 4 in einem Heizmodus der Fahrzeugklimaanlage;
-
7 ein Mollier-Diagramm, das die Zustandsänderungen des Kältemittels im Kühlmodus der Fahrzeugklimaanlage veranschaulicht; und
-
8 ein Mollier-Diagramm, das die Zustandsänderungen des Kältemittels im Heizmodus der Fahrzeugklimaanlage veranschaulicht.
-
Die 1 zeigt einen Kältemittelkreislauf 10 einer Fahrzeugklimaanlage 12, insbesondere für Elektrofahrzeuge, mit einer Verdichtereinheit 14, die einen ersten Verdichter 16 und einen nachgeschalteten, zweiten Verdichter 18 zum Komprimieren eines Kältemittels 20 aufweist, einem Kondensator 22 zum Kühlen und Kondensieren des Kältemittels 20 aus der Verdichtereinheit 14 sowie zum Erwärmen von einem Fahrzeuginnenraum zuführbarer Luft 24, einer dem Kondensator 22 nachgeschalteten, ersten Druckverminderungseinheit 26 zum Dekomprimieren des Kältemittels 20 aus dem Kondensator 22, einem kältemitteldurchflossenen Wärmetauscher 28 zum Wärmeaustausch mit einer Fahrzeugumgebungsluft 30 sowie wahlweise zum Kühlen und Kondensieren bzw. Erwärmen und Verdampfen des Kältemittels 20, einem Verdampfer 32 zum Erwärmen und Verdampfen des Kältemittels 20 sowie zum Kühlen von einem Fahrzeuginnenraum zuführbarer Luft 24, und einer dem Verdampfer 32 vorgeschalteten, zweiten Druckverminderungseinheit 34 zum Dekomprimieren des Kältemittels 20 aus dem Wärmetauscher 28.
-
Zur Durchflusssteuerung des Kältemittels 20 umfasst der Kältemittelkreislauf 10 ferner ein Wegeventil 36, konkret ein 3/2-Wegeventil, welches in einem Kühlmodus der Fahrzeugklimaanlage 12 eine erste Schaltstellung und in einem Heizmodus der Fahrzeugklimaanlage 12 eine zweite Schaltstellung einnimmt (siehe auch 2 und 3).
-
Außerdem ist ein Absperrventil 38 vorgesehen, welches in einer Fluidleitung 40 des Kältemittelkreislaufs 10 einen Kältemitteldurchfluss wahlweise freigeben oder sperren kann.
-
Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind die beiden Druckverminderungseinheiten 26, 34 jeweils als Expansionsventil mit Absperrfunktion ausgebildet. Alternativ ist auch denkbar, dass als Druckverminderungseinheit 26, 34 jeweils eine vorgefertigte Baugruppe aus einem Expansionsventil und einem Absperrventil zum Einsatz kommt. Auf diese Weise lassen sich auch die Druckverminderungseinheiten 26, 34 zur Durchflusssteuerung des Kältemittels 20 verwenden, sodass auf zusätzliche Durchflusssteuerelemente, wie zum Beispiel weitere separate Absperr- oder Rückschlagventile, verzichtet werden kann.
-
Die 2 veranschaulicht die Strömung des Kältemittels 20 durch den Kältemittelkreislauf 10 in einem Kühlmodus der Fahrzeugklimaanlage 12. Es wird deutlich, dass in diesem Kühlmodus der zweite Verdichter 18, der Kondensator 22 sowie die erste Druckverminderungseinheit 26 überbrückt sind. Zu diesem Zweck ist das beispielsweise als Magnetventil ausgebildete Absperrventil 38 geöffnet, wohingegen die erste Druckverminderungseinheit 26 eine Schließstellung einnimmt, in der eine Kältemittelströmung durch das Expansionsventil gesperrt ist.
-
Das Wegeventil 36 nimmt im Kühlmodus seine erste Schaltstellung ein, in der es den als Kondensator fungierenden Wärmetauscher 28 mit der zweiten Druckverminderungseinheit 34 verbindet.
-
Die 3 veranschaulicht die Strömung des Kältemittels 20 durch den Kältemittelkreislauf 10 in einem Heizmodus der Fahrzeugklimaanlage 12. Es wird deutlich, dass in diesem Heizmodus der Verdampfer 32 sowie die zweite Druckverminderungseinheit 34 überbrückt sind. Zu diesem Zweck ist das Absperrventil 38 geschlossen, sodass kein Kältemittel 20 durch die Fluidleitung 40 strömen kann.
-
Das Wegeventil 36 nimmt im Heizmodus der Fahrzeugklimaanlage 12 seine zweite Schaltstellung ein, in der es den nunmehr als Verdampfer fungierenden Wärmetauscher 28 über einen Kältemittelspeicher 42 mit dem ersten Verdichter 16 der Verdichtereinheit 14 verbindet.
-
Sofern die zweite Druckverminderungseinheit 34 eine Absperrfunktion aufweist, kann die zweite Druckverminderungseinheit 34 im Heizmodus ihre Schließstellung einnehmen, in der sie eine Kältemittelströmung durch das Expansionsventil sperrt.
-
Anhand der Kältemittelkreisläufe 10 der Fahrzeugklimaanlage 12 gemäß den 2 und 3 wird das Verfahren zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums deutlich.
-
Das Kältemittel 20 durchströmt im Kühlmodus der Fahrzeugklimaanlage 12 den Verdampfer 32 zum Kühlen von dem Fahrzeuginnenraum zuführbarer Luft 24, die vorgeschaltete, zweite Druckverminderungseinheit 34 sowie den als Kondensator wirkenden Wärmetauscher 28 zum Wärmeaustausch mit der Fahrzeugumgebungsluft 30.
-
Im Heizmodus der Fahrzeugklimaanlage 12 durchströmt das Kältemittel 20 hingegen den Kondensator 22 zum Erwärmen von dem Fahrzeuginnenraum zuführbarer Luft 24, die nachgeschaltete, erste Druckverminderungseinheit 26 sowie den als Verdampfer wirkenden Wärmetauscher 28 zum Wärmeaustausch mit der Fahrzeugumgebungsluft 30.
-
Das Kältemittel 20 wird dabei im Kühlmodus ausschließlich vom ersten Verdichter 16 der Verdichtereinheit 14 und im Heizmodus der Fahrzeugklimaanlage 12 vom ersten Verdichter 16 sowie zusätzlich vom nachgeschalteten, zweiten Verdichter 18 der Verdichtereinheit 14 verdichtet.
-
Auf diese Weise ergibt sich im Kühlmodus ein energiesparender Betrieb der Fahrzeugklimaanlage 12, mit lediglich einem, speziell auf den Kühlmodus abgestimmten, ersten Verdichter 16, analog zu herkömmlichen Klimaanlagen, welche ausschließlich als Kältemaschine betrieben werden. Des Weiteren ermöglicht der Kältemittelkreislauf 10 auch einen äußerst energiesparenden Betrieb der Fahrzeugklimaanlage 12 als Wärmepumpe, wobei ein speziell auf den Heizmodus der Klimaanlage abgestimmter, zweiter Verdichter 18 zugeschaltet wird, um die Gesamt-Verdichterleistung zu erhöhen. Somit ist auch bei sehr kalter Fahrzeugumgebungsluft 30 eine zufriedenstellende Beheizung des Fahrzeuginnenraums möglich.
-
Im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist ein Betriebsdruck und/oder eine Liefermenge des ersten Verdichters 16 steuerbar, vorzugsweise stufenlos steuerbar. Da der erste Verdichter 16 sowohl im Kühlmodus als auch im Heizmodus in Betrieb ist, lässt sich die Verdichterleistung in beiden Fällen mittels einer entsprechenden Ansteuerung des ersten Verdichters 16 an die jeweiligen Randbedingungen und Klimatisierungswünsche anpassen, sodass ein besonders energieeffizienter Betrieb der Fahrzeugklimaanlage 12 möglich ist.
-
Ein Betriebsdruck und/oder eine Liefermenge des zweiten Verdichters 18 kann hingegen im Wesentlichen konstant sein. Der zweite Verdichter 18 wird lediglich im Heizmodus zugeschaltet, um eine höhere Verdichterleistung bereitstellen zu können. Sollte eine erhöhte Gesamt-Verdichterleistung nicht notwendig sein, so lässt sich diese problemlos über die Ansteuerung des ersten Verdichters 16 anpassen. Folglich ist trotz der einfachen und preiswerten Ausführung des zweiten Verdichters 18 auch ein äußerst energieeffizienter Betrieb der Fahrzeugklimaanlage 12 im Heizmodus gewährleistet. Beispielsweise ist der erste Verdichter 16 ein konventioneller Klimakompressor, der für den Kühlmodus optimiert ist. Der zweite Verdichter 18 kann dagegen ein für den Heizmodus optimierter, einfacher Zusatzkompressor sein. Die Verdichtereinheit 14 umfasst in diesem Fall somit zwei getrennte, als Kompressoren ausgebildete Verdichter 16, 18, die jeweils in separaten Kompressorgehäusen untergebracht sind und jeweils von einem Elektromotor 44 angetrieben werden.
-
Im Ausführungsbeispiel gemäß den 1 bis 3 ist jedoch lediglich ein Elektromotor 44 vorgesehen, der sowohl den ersten Verdichter 16 als auch den zweiten Verdichter 18 antreiben kann.
-
Die beiden Verdichter 16, 18 weisen in diesem Fall eine gemeinsame Antriebswelle 46 auf, wobei eine Kupplung 48 vorgesehen ist, durch die der zweite Verdichter 18 mit dem Elektromotor 44 gekoppelt oder vom Elektromotor 44 entkoppelt werden kann.
-
Der erste Verdichter 16 und der zweite Verdichter 18 sind beispielsweise Scroll- oder Drehkolbenkompressoren, die durch unterschiedliche Verdichtungsgeometrien an ein gewünschtes Hubvolumen und/oder Druckverhältnis anpassbar sind. In diesem Fall können die beiden Verdichter 16, 18 auch als erste und zweite Stufe eines einzigen Verdichters bezeichnet werden sowie in einem gemeinsamen Verdichtergehäuse untergebracht sein.
-
In den dargestellten Ausführungsbeispielen sind die beiden Verdichter 16, 18 sowie der Elektromotor 44 samt Antriebswelle 46 und Kupplung 48 als kompakte und vormontierbare Baugruppe ausgeführt, die im Kältemittelkreislauf 10 mit geringem Aufwand eingebaut oder ausgetauscht werden kann.
-
Gemäß den 1 bis 3 ist in diese als Baugruppe ausgeführte Verdichtereinheit 14 auch das Absperrventil 38 der Fluidleitung 40 integriert, um die Anzahl der Einzelbauteile des Kältemittelkreislaufs 10 sowie den erforderlichen Bauraum weiter zu reduzieren.
-
In einer besonders preisgünstigen Ausführungsform der Fahrzeugklimaanlage 12 ist die Kupplung 48 als einfache mechanische Baugruppe ausgeführt, welche die mechanische Kopplung zwischen dem zweiten Verdichter 18 und dem ersten Verdichter 16 bzw. zwischen dem zweiten Verdichter 18 und dem Elektromotor 44 nur im Stillstand der Verdichtereinheit 14 herstellen oder lösen kann. Da eine solche Kopplung bzw. Entkopplung des zweiten Verdichters 18 lediglich beim Wechsel zwischen Heizmodus und Kühlmodus durchgeführt werden muss, ist ein kurzer Stillstand der Antriebswelle 46 zum Öffnen oder Schließen der Kupplung 48 ohne größere Komforteinbußen realisierbar.
-
Alternativ ist selbstverständlich auch die Verwendung einer Kupplung denkbar, welche eine Kopplung bzw. Entkopplung des zweiten Verdichters 18 auch bei rotierender Antriebswelle 46 ermöglicht.
-
Die beiden Verdichter 16, 18 weisen jeweils ein Kältemittel-Hubvolumen auf, wobei das Hubvolumen des zweiten Verdichters 18 bei etwa 20–50 % des Hubvolumens des ersten Verdichters 16 liegt. Da das Kältemittel 20 beim Einströmen in den zweiten Verdichter 18 bereits eine gewisse Vorverdichtung durch den ersten Verdichter 16 erfahren hat, lässt sich das Hubvolumen des zweiten Verdichters 18 gegenüber dem Hubvolumen des ersten Verdichters 16 ohne Leistungseinbuße verringern, was zu einer kompakteren und preiswerteren Konstruktion der Verdichtereinheit 14 führt.
-
Ferner weisen beide Verdichter 16, 18 jeweils ein maximales Druckverhältnis auf, wobei das maximale Druckverhältnis des zweiten Verdichters 18 etwa 30–50 % des maximalen Druckverhältnisses des ersten Verdichters 16 beträgt. Durch ein gegenüber dem ersten Verdichter 16 reduziertes Hubvolumen und maximales Druckverhältnis lässt sich der zweite Verdichter 18 als besonders einfacher und kostengünstiger Zusatzkompressor herstellen.
-
Um beispielsweise bei einer geringen Außentemperatur von etwa –20 °C eine gewünschte Luftaustrittstemperatur in den Fahrzeuginnenraum von etwa 50 °C zu erreichen, ergibt sich bei einem leistungsstarken Verdampfer eine Verdampfungstemperatur von etwa –26 °C (entspricht einem Kältemitteldruck von etwa 1 bar) und eine Kondensationstemperatur von etwa 58 °C (entspricht einem Kältemitteldruck von etwa 16 bar). In diesem Fall hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn der erste Verdichter 16 das Kältemittel 20 vom Anfangsdruck 1 bar auf etwa 6–7 bar verdichtet und der zweite Verdichter 18 ausgehend von diesem Zwischendruck eine weitere Verdichtung des Kältemittels 20 auf den gewünschten Enddruck von etwa 16 bar durchführt. Das maximale Druckverhältnis des zweiten Verdichters 18 liegt dann bei etwa 33–44 % des maximalen Druckverhältnisses des ersten Verdichters 16.
-
Die 1 bis 3 zeigen den Kältemittelkreislauf 10 der Fahrzeugklimaanlage 12 gemäß einer ersten Ausführungsform, bei welcher saugseitig ein Kältemittelspeicher 42 vorgesehen ist, der im Kühlmodus stromabwärts der zweiten Druckverminderungseinheit 34 und im Heizmodus stromabwärts der ersten Druckverminderungseinheit 26 angeordnet ist. Dieser Kältemittelspeicher 42 ist demzufolge ein Niederdruckspeicher, dem vorzugsweise ausschließlich gasförmiges Kältemittel 20 entnommen wird, um es der Verdichtereinheit 14 zuzuführen.
-
Im Kühlmodus wird das Kältemittel 20 nach einer Verdichtung durch den ersten Verdichter 16 dann dem als Kondensator fungierenden Wärmetauscher 28 zugeführt, in welchem das Kältemittel 20 unter Aufheizung der Umgebungsluft 30 abkühlt und kondensiert. Das nunmehr flüssige Kältemittel 20 wird im Weiteren über das Wegeventil 36 und die zweite Druckverminderungseinheit 34 zum Verdampfer 32 geleitet, in welchem das Kältemittel 20 die dem Fahrzeuginnenraum zuführbare Luft 24 abkühlt und dabei selbst erwärmt und verdampft wird, um anschließend wieder zurück zum Kältemittelspeicher 42 zu strömen.
-
Im Heizmodus wird das Kältemittel 20 von beiden Verdichtern 16, 18 komprimiert und dem Kondensator 22 zugeführt, in welchem das Kältemittel 20 die dem Fahrzeuginnenraum zuführbare Luft 24 aufheizt und dabei selbst abkühlt und kondensiert. Das nunmehr flüssige Kältemittel 20 durchströmt dann die erste Druckverminderungseinheit 26 und gelangt in den nunmehr als Verdampfer fungierenden Wärmetauscher 28, in welchem das Kältemittel 20 die Fahrzeugumgebungsluft 30 abkühlt und dabei selbst erwärmt und verdampft wird. Über das Wegeventil 36 gelangt das im Wesentlichen gasförmige Kältemittel 20 dann wieder zurück in den Kältemittelspeicher 42.
-
In den 4 bis 6 ist der Kältemittelkreislauf 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt, welche hinsichtlich der prinzipiellen Konstruktion und Funktionsweise weitgehend der ersten Ausführungsform des Kältemittelkreislaufs 10 gemäß den 1 bis 3 entspricht. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird daher explizit auf die obige Beschreibung der 1 bis 3 verwiesen und im Folgenden nur auf Unterschiede zwischen den Ausführungsformen eingegangen.
-
Im Unterschied zur ersten Ausführungsform ist in den 4 bis 6 druckseitig ein Kältemittelspeicher 52 vorgesehen, der im Kühlmodus stromaufwärts der zweiten Druckverminderungseinheit 34 und im Heizmodus stromaufwärts der ersten Druckverminderungseinheit 26 angeordnet ist. Der Kältemittelspeicher 52 ist demzufolge ein Hochdruckspeicher, dem vorzugsweise ausschließlich flüssiges Kältemittel 20 entnommen wird, um es im Kühlmodus über die zweite Druckverminderungseinheit 34 zum Verdampfer 32 und im Heizmodus über die erste Druckverminderungseinheit 26 zu dem als Verdampfer fungierenden Wärmetauscher 28 zu leiten.
-
Der Kältemittelkreislauf 10 weist stromabwärts der ersten oder zweiten Druckverminderungseinheit 26, 34 bis zu einer Saugseite 54 des ersten Verdichters 16 einen Niederdruckabschnitt und stromaufwärts der ersten oder zweiten Druckverminderungseinheit 26, 34 bis zu einer Druckseite 56 des ersten Verdichters 16 einen Hochdruckabschnitt auf, wobei der Niederdruckabschnitt und der Hochdruckabschnitt zumindest bereichsweise als innerer Wärmetauscher 58 ausgebildet sind. Ein Wärmeaustausch zwischen den als innerer Wärmetauscher 58 ausgebildeten Bereichen des Kältemittelkreislaufs 10 ist in den 4 bis 6 durch einen gestrichelten Doppelpfeil 60 symbolisiert, wobei die beiden Bereiche lediglich aus Gründen der Übersichtlichkeit entfernt voneinander dargestellt sind, sich aber im realen Kältemittelkreislauf 10 so nahe beieinander befinden, dass eine gute Wärmeübertragung möglich ist.
-
Während die Funktion des inneren Wärmetauschers 58 im Heizmodus gemäß 6 eher vernachlässigbar ist, erhöht sich der Wirkungsgrad der Fahrzeugklimaanlage 12 im Kühlmodus gemäß 5 deutlich, da das Kältemittel 20 im Hochdruckabschnitt Wärmeenergie auf das Kältemittel 20 im Niederdruckabschnitt überträgt.
-
Selbstverständlich ist die Integration eines inneren Wärmetauschers 58 zur Verbesserung des Wirkungsgrads der Fahrzeugklimaanlage 12 nicht auf spezielle Ausführungsformen des Kältemittelkreislaufs 10 beschränkt. So kann der innere Wärmetauscher 58 insbesondere auch bei Kältemittelkreisläufen 10 gemäß den 1 bis 3 zum Einsatz kommen.
-
In der zweiten Ausführungsform des Kältemittelkreislaufs 10 gemäß den 4 bis 6 ist ferner ein Rückschlagventil 62 vorgesehen, welches im Kühlmodus stromabwärts des Wärmetauschers 28 und stromaufwärts des Kältemittelspeichers 52 angeordnet ist. Somit ermöglicht das Rückschlagventil 62 im Kühlmodus gemäß 5 eine Kältemittelströmung vom Wärmetauscher 28 zum Kältemittelspeicher 52, wohingegen es im Heizmodus gemäß 6 eine Kältemittelströmung vom Kondensator 22 unter Umgehung des Kältemittelspeichers 52 und der ersten Druckverminderungseinheit 26 direkt zum Wärmetauscher 28 verhindert.
-
Die 7 zeigt ein Mollier-Diagramm des Kältemittelkreislaufs 10 im Kühlmodus der Fahrzeugklimaanlage 12, wobei auf der Abszisse die Enthalpie E und auf der Ordinate ein Druck P des Kältemittels 20 logarithmisch aufgetragen ist. Dabei liegt ein in Kreuzschraffur hervorgehobener Verdampfungsbereich 64 des Kältemittels 20 (hier R 134 a) bei einer Temperatur von etwa 0 °C und einem entsprechenden Kältemitteldruck von etwa 3 bar. Das Kältemittel 20 wird dann ausschließlich durch den ersten Verdichter 16 bis in einen ebenfalls in Kreuzschraffur hervorgehobenen Kondensationsbereich 66 verdichtet, in welchem das Kältemittel 20 eine Temperatur von etwa 65 °C bei einem Druck von etwa 20 bar aufweist. Schließlich wird das Kältemittel 20 an der zweiten Druckverminderungseinheit 34 soweit expandiert, dass es wieder im Verdampfungsbereich 64 liegt.
-
Die 8 zeigt ein Mollier-Diagramm des Kältemittelkreislaufs 10 im Heizmodus der Fahrzeugklimaanlage 12, wobei wiederum auf der Abszisse die Enthalpie E und auf der Ordinate der Druck P des Kältemittels 20 logarithmisch aufgetragen ist. Gegenüber dem Kühlmodus liegen der Verdampfungsbereich 64 und der Kondensationsbereich 66 im Heizmodus deutlich weiter auseinander, sodass eine höhere Leistung der Verdichtereinheit 14 notwendig ist. Aus diesem Grund wird der zweite Verdichter 18 zugeschaltet, sodass sich die Leistung der Verdichtereinheit 14 aus einer Leistung des ersten Verdichters 16 und einer Leistung des zweiten Verdichters 18 zusammensetzt.
-
Als Kältemittel 20 für den in den Figuren dargestellten Kältemittelkreislauf 10 sind insbesondere die Kältemittel R 134 a und HFO 1234 yf geeignet. Selbstverständlich können jedoch auch andere geeignete Kältemittel 20 im Kältemittelkreislauf 10 der Fahrzeugklimaanlage 12 zum Einsatz kommen.
-
Der beschriebene Kältemittelkreislauf 10 für Fahrzeugklimaanlagen 12 sowie das vorgestellte Verfahren zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums sind besonders für Elektrofahrzeuge geeignet, die keine nennenswerte „Motorwärme“ zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums bereitstellen. Diese Beheizung erfolgt dann über den oben beschriebenen Wärmepumpenbetrieb des Kältemittelkreislaufs 10 der Fahrzeugklimaanlage 12.
-
Sollte der Kältemittelkreislauf 10 im Wärmepumpenbetrieb unter Extrembedingungen, beispielsweise bei extrem niedrigen Temperaturen der Fahrzeugumgebungsluft 30, keine ausreichende Heizleistung zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums erbringen können, so kann die Fahrzeugklimaanlage 12 optional ein zusätzliches Heizgerät 68 aufweisen, welches dem Kondensator 22 in Strömungsrichtung der Luft 24 nachgeschaltet ist. Obwohl das Heizgerät 68 lediglich in der ersten Ausführungsform des Kältemittelkreislaufs 10 gemäß den 1 bis 3 dargestellt ist, kann selbstverständlich auch in der zweiten Ausführungsform des Kältemittelkreislaufs 10 optional ein Heizgerät 68 vorgesehen sein.
-
Besonders bevorzugt ist das Heizgerät 68 eine sogenannte PTC-Heizung, deren elektrischer Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Je wärmer also die Luft 24 aus dem Kondensator 22 ist, desto größer ist der elektrische Widerstand der PTC-Heizung und desto geringer deren Heizleistung – und umgekehrt. Das Heizgerät 68 stellt somit seine Heizleistung automatisch in Abhängigkeit von der Lufttemperatur ein und erbringt bei geringer Lufttemperatur eine hohe Heizleistung sowie bei hoher Temperatur eine geringe Heizleistung. Dies trägt wiederum zu einem besonders energiesparenden Betrieb der Fahrzeugklimaanlage 12 bei.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-