DE102007005635A1

DE102007005635A1 - Klimatisierungssystem zur Kühlung von Raumluft

Info

Publication number: DE102007005635A1
Application number: DE102007005635A
Authority: DE
Inventors: Noureddine Khelifa; Stephan Siebert
Original assignee: Webasto SE
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 2007-02-05
Filing date: 2007-02-05
Publication date: 2008-08-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Klimatisierungssystem zur Kühlung von Raumluft, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, umfassend
- eine Kälteerzeugungseinheit zur Kühlung eines flüssigen Kältmittels,
- eine Kältemittelleitungsanordnung zur Leitung des Kältmittels,
- einen Kältespeicher, der über einen mit der Kältemittelleitungsanordnung thermisch verbundenen Kältmittelwärmetauscher mit dem Kältmittel in thermischem Kontakt steht und eine Mehrzahl von Graphitmatrix-Speicherblöcken umfasst,
- eine Kühlmittelleitungsanordnung zur Leitung eines flüssigen Kühlmittels, das mit dem Kältespeicher in thermischen Kontakt steht, und
- einen Luftkühlungswärmetauscher, der mit der Kühlmittelleitungsanordnung thermisch verbunden ist und mit der zu kühlenden Luft in thermischem Kontakt steht.
Um eine bessere Koppeleffizienz zwischen den Speicherblöcken und dem Kühlmittelkreislauf zu realisieren, wird vorgeschlagen, dass das Kühlmittel im Inneren des Kältespeichers die Speicherblöcke frei umspült. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird erreicht, dass das Klimatisierungssystem schneller und mit geringerer Kühlmittelpumpleistung arbeitet und ein Volumenaustauschbehälter in der Kühlmittelleitung nicht erforderlich ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Klimatisierungssystem zur Kühlung von Raumluft, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, umfassend

– eine Kälteerzeugungseinheit zur Kühlung eines flüssigen Kältemittels,
– eine Kältemittelleitungsanordnung zur Leitung des Kältemittels,
– einen Kältespeicher, der über einen mit der Kältemittelleitungsanordnung thermisch verbundenen Kältemittelwärmetauscher mit dem Kältemittel in thermischem Kontakt steht und eine Mehrzahl von Graphitmatrix-Speicherblöcken umfasst,
– eine Kühlmittelleitungsanordnung zur Leitung eines flüssigen Kühlmittels, das mit dem Kältespeicher in thermischem Kontakt steht, und
– einen Luftkühlungswärmetauscher, der mit der Kühlmittelleitungsanordnung thermisch verbunden ist und mit der zu kühlenden Luft in thermischem Kontakt steht.

Ein derartiges Klimatisierungssystem ist bekannt aus der DE 102 42 463 A1 .
Diese Druckschrift offenbart eine Kraftfahrzeug-Klimaeinrichtung mit einem Kältespeicher. Das bekannte System umfasst einen herkömmlichen Klimakompressor, der ein flüssiges Kältemittel durch Verdampfung, Kompression und Entspannung in herkömmlicher Weise abkühlt. Das abgekühlte Kältemittel wird über eine Kältemittelleitungsanordnung zu einem Kältespeicher geführt. Der Kältespeicher besteht aus einer Mehrzahl von Graphitmatrix-Speicherblöcken, die in einem isolierten Gehäuse voneinander beabstandet gestapelt sind. In den Zwischenräumen zwischen den Graphitmatrix-Speicherblöcken ist eine Flachrohrleitung mäanderförmig angeordnet, die an die Kältemittelleitungsanordnung angeschlossen ist und als Kältemittelwärmetauscher dient. Bei Betrieb werden die auf diese Weise mit dem Kältemittel in thermischem Kontakt stehenden Graphitmatrix-Speicherblöcke abgekühlt. Durch die hohe Wärmekapazität der Graphitmatrix-Speicherblöcke wird eine Kältespeicherwirkung über mehrere Stunden erreicht. Eine solche "Aufladung" des Kältespeichers erfolgt vorzugsweise während des Betriebs des Kraftfahrzeugmotors, insbesondere, wenn die Kälteerzeugungseinheit mehr Kälte produziert als zur aktuellen Kühlung der Raumluft in der Fahrgastzelle eines Personenkraftwagens bzw. der Führerkabine eines Lkw benötigt wird. Zusätzlich oder alternativ kann die Ladung des Kältespeichers auch unabhängig vom Antriebsmotor des Fahrzeugs erfolgen, beispielsweise mit Hilfe eines ggf. zusätzlichen elektrischen Kompressors, der von einer mitgeführten oder einer externen Energiequelle versorgt werden kann.
Die in dem Kältespeicher gespeicherte Kälte kann dann während Standperioden des Kraftfahrzeugmotors oder wenn eine besonders schnelle Kühlung der Raumluft erforderlich ist, abgerufen werden. Hierzu wird der bekannte Kältespeicher "entladen". Zur Entladung ist in dem bekannten System zusätzlich zu dem Kältemittelwärmetauscher ein Kühlmittelwärmetauscher vorgesehen, der ebenfalls als zwischen den Graphitmatrix-Speicherblöcken mäandrierende Flachrohrleitung in thermischem Kontakt mit den Speicherblöcken ausgestaltet ist. An den Kühlmittelwärmetauscher ist eine Kühlmittelleitungsanordnung angeschlossen, die mit einem Luftkühlungswärmetauscher verbunden ist. Über eine Kühlmittelpumpe in der Kühlmittelleitungsanordnung wird ein flüssiges Kühlmittel durch den Kühlmittelwärmetauscher gepumpt, wo es die Speicherblöcke aufwärmt und selbst gekühlt wird. Das abgekühlte Kühlmittel wird dann in dem Luftkühlungswärmetauscher mit der zu kühlenden Raumluft in thermischen Kontakt gebracht, so dass es diese abkühlt und sich selbst wieder aufwärmt. Das thermische Inkontaktbringen der Raumluft mit dem Kühlmittel erfolgt in dem Luftkühlungswärmetauscher auf herkömmliche Weise, beispielsweise indem Luft über ein Gebläse angesaugt und über von dem Kühlmittel durchflossene Lamellen in den zu kühlenden Raum eingeblasen wird.
Nachteilig bei dem bekannten System ist der mangelhafte Wärmeaustausch zwischen den Speicherblöcken und dem Kühlmittel im Kühlmittelwärmetauscher. Kältemittelseitig ist die Verwendung eines mäandrierenden Flachrohres als Wärmetauscher geeignet, da hier der Zeitfaktor nicht unbedingt eine wesentliche Rolle spielt. Kühlmittelseitig muss jedoch eine sehr gute Thermokopplung zwischen dem Kühlmittel und den Speicherblöcken realisiert sein. Dies ist für die beiden hauptsächlichen Anwendungsfälle der Entladung des Kältespeichers wichtig. Einerseits muss bei einer starken Kühlungsanforderung, etwa wenn das Fahrzeug nach langer Standzeit in der Sonne stark aufgeheizt ist, eine sehr rasche Speicherentladung erfolgen. Der zweite typische Anwendungsfall ist der Standbetrieb, wenn beispielsweise über Nacht bei ausgeschaltetem Motor eine angenehme Schlaftemperatur in der Führerkabine eines Lkw eingestellt werden muss. Hier ist es erforderlich, mit einer geringen Pumpleistung auszukommen. Einerseits soll die Fahrzeugbatterie, die beim Standbetrieb die Kühlmittelpumpe allein betreibt, nicht übermäßig belastet werden. Andererseits ist gerade während Ruhezeiten des Fahrers ein sehr geräuscharmer Pumpenbetrieb wünschenswert.
Ein weiterer Nachteil des bekannten Systems liegt darin, dass in den Kühlmittelkreislauf ein Volumenausgleichsbehälter eingebracht werden muss, um Volumenänderungen, erzeugt durch Temperaturänderungen des Kühlmittels auszugleichen und den Kühlmittelkreislauf insgesamt drucklos zu halten sowie eine Blasenbildung zu vermeiden, damit der Pumpenbetrieb nicht gefährdet wird. Ein solcher Volumenausgleichs behälter ist im Hinblick auf den Bauraumbedarf, der gerade bei Kraftfahrzeuganwendungen möglichst gering zu halten ist, als nachteilig anzusehen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein gattungsgemäßes Klimatisierungssystem derart weiterzubilden, dass die Nachteile des Standes der Technik wenigstens teilweise überwunden werden, und insbesondere ein Klimatisierungssystem zur Verfügung zu stellen, das eine bessere Koppeleffizienz zwischen den Speicherblöcken und dem Kühlmittelkreislauf realisiert.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass das Kühlmittel im Inneren des Kältespeichers die Speicherblöcke frei umspült.
Es ist die grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung, auf den Kühlmittelwärmetauscher im Kältespeicher zu verzichten und stattdessen die Speicherblöcke (und den Kältemittelwärmetauscher) direkt von dem Kühlmittel umspülen zu lassen. Auf diese Weise wird die Kontaktfläche zwischen dem Kühlmittel und den Speicherblöcken maximiert. Außerdem wird der Isolierungseffekt vermieden, den die Rohrleitung des Kühlmittelwärmetauschers gemäß dem Stand der Technik erzeugt, selbst wenn das Material der Rohrleitung sehr gute Wärmeleitungseigenschaften aufweist.
Der Vorteil dieser Erfindung liegt daher in der deutlichen Verbesserung der Wärmeaustauscheffizienz zwischen dem Kühlmittel und den von ihm umspülten Speicherblöcken.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass sie ermöglicht, wie bei einer bevorzugten Ausführungsform realisiert, in der Kühlmittelleitungsanordnung auf einen Volumenausgleichsbehälter zu verzichten. Um Volumenänderungen des in den Graphitmatrix-Speicherblöcken enthaltenen Mediums, beispielsweise Wasser, zu ermöglichen, werden die Graphitmatrix-Speicherblöcke vorzugsweise nicht zu 100% mit dem Medium befüllt, sondern beispielsweise nur zu 90%. Eventuell kann im oberen Bereich des Kältespeichers eine Entlüftungsöffnung vorgesehen werden, falls dies vorteilhaft erscheint, um eine Blasenbildung im Kühlmittel sicher zu verhindern. Ein gesonderter Volumenausgleichsbehälter in der Kühlmittelleitungsanordnung außerhalb des Kältespeichers ist daher nicht erforderlich. Hierdurch wird ein wesentlicher Bauraumvorteil erzielt.
Bevorzugt wird der Kältemittelwärmetauscher wie im Stand der Technik als mäandrierende Rohrleitungsanordnung ausgebildet, die mit den auf Abstand gestapelten Speicherblöcken verschachtelt ist. Das Kühlmittel umströmt im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Speicherblöcke in zwischen diesen und der Rohrleitungsanordnung des Kältemittelwärmetauschers ausgebildeten Kanälen. Grundsätzlich ist es möglich, einen bekannten Kältespeicher erfindungsgemäß umzurüsten, indem die Rohrleitung für den Kühlmittelwärmetauscher schlicht entfällt. Allerdings wird durch die Erfindung die Wärmeaustauscheffizienz zwischen den Speicherblöcken und dem Kühlmittel derart vergrößert, dass auch Raum für eine Effizienzsteigerung des Kältemittelwärmetauschers besteht, indem dieser mehr Raum im Kälte speicher einnimmt, also insgesamt größer ausgestaltet werden kann. Auf diese Weise kann durch die vorliegende Erfindung auch die Aufladezeit des Kältespeichers durch Steigerung der Wärmeaustauscheffizienz des Kältemittelwärmetauschers verkürzt werden.
Günstigerweise ist die Kühlmittelleitungsanordnung über einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass mit dem Kältespeicher verbunden, wobei der Kühlmitteleinlass dem Kühlmittelauslass diametral gegenüber an dem Kältespeicher angeordnet ist. Auf diese Weise wird verhindert, dass sich ein Kühlmittel-"Kurzschluss" zwischen dem Kühlmitteleinlass und dem Kühlmittelauslass in dem Kältespeicher bildet, d. h. Kühlmittel vom Einlass zum Auslass fließt ohne hinreichend Kontakt zu den Speicherblöcken gehabt zu haben. Daher wird man günstigerweise versuchen, den größtmöglichen Abstand von Kühlmitteleinlass und Kühlmittelauslass versuchen zu realisieren, um eine möglichst gute Umspülung der Speicherblöcke zu erreichen.
Da erfindungsgemäß die Speicherblöcke direkt mit dem Kühlmittel in Kontakt stehen, ist bevorzugt vorgesehen, dass die Speicherblöcke eine korrosionsbeständige Oberflächenbeschichtung aufweisen. Diese kann insbesondere aus einer dünnen, wasserabweisenden Folie bestehen. Beispielsweise kann eine auf der Außenseite mit Aluminium beschichtete Polypropylenfolie verwendet werden. Ein ebenfalls bevorzugtes aber teureres Material ist Teflon, das aufgrund seiner hohen chemischen Trägheit einen besonders guten Korrosionsschutz bietet und als dünne Folie auch sehr gut Wärme leitet.
Als Kältemittel kann bevorzugt das üblicherweise eingesetzte R134a eingesetzt werden. Als Kühlmittel eignet sich eine überlicherweise eingesetzte Sole, die beispielsweise ein Wasser-Glykol-Gemisch sein kann.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems,
2 eine schematische Darstellung eines Klimatisierungssystems gemäß dem Stand der Technik,
3 eine detailliertere Schemazeichnung des Systems von 1,
4 eine detailliertere Schemazeichnung des erfindungsgemäßen Kältespeichers.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Klimatisierungssystems 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Zur einfacheren Erläuterung von 1 wird auch auf 2 Bezug genommen, die schematisch ein Klimatisierungssystem 10' nach dem Stand der Technik darstellt. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten gleiche oder analoge Elemente an.
Eine in den Figuren nicht dargestellte Kälteerzeugungseinrichtung kühlt ein Kältemittel auf bekannte Weise ab. Das Kältemittel, z. B. R134a, wird über eine Kältemittelleitung 12 zu einem Kältespeicher 14 transportiert, der nachfolgend noch genauer erläutert wird. In dem Kältespeicher 14 ist die Kältemittelleitung 12 an einen Kältemittelwärmetauscher 16 angeschlossen, in dem ein Wärmeenergieaustausch zwischen den Graphitmatrix-Speicherblöcken in dem Kältespeicher 14 und dem Kältemittel stattfindet. In dem Kältespeicher 14 gespeicherte Kälte kann auf ein Kühlmittel übertragen werden, welches von einer Kühlmittelpumpe 18 in einer Kühlmittelleitung 20 umgepumpt wird, sodass es einen Luftkühlungswärmetauscher 22 passiert. In dem Luftkühlungswärmetauscher wird Luft mittels eines Gebläses 24 über von dem Kühlmittel durchströmte Lamellen geblasen, so dass sie sich abkühlt. Die abgekühlte Luft wird in den zu kühlenden Raum, z. B. die Führerkabine eines Lkw, eingeblasen.
Beim Stand der Technik gemäß 2 ist die Kühlmittelleitung 20 in dem Kältespeicher 14 mit einem Kühlmittelwärmetauscher 26 verbunden, der wie auch der Kältemittelwärmetauscher als geschlossene Rohrleitung ausgebildet ist, die in thermischem Kontakt mit den Speicherelementen des Kältespeichers 14 mäandriert. Da beim Stand der Technik die Kühlmittelleitung 20 und der Kühlmittelwärmetauscher 26 ein geschlossenes Rohrleitungssystem bilden, ist die Integration eines Volumenausgleichsbehälters 28 in der Kühlmittelleitung 20 erforderlich.
Im Gegensatz dazu wird beim Rahmen der Erfindung auf den Kühlmittelwärmetauscher 26 verzichtet, wie in 1 erkennbar.
Zur näheren Erläuterung des erfindungsgemäßen Kältespeichers wird auf die 3 und 4 verwiesen. In dem erfindungsgemäßen Kältespeicher 14 befinden sich bei der gezeigten Ausführungsform zwei Stapel von blockartigen Graphitmatrixelementen 142. Diese sind mit Abstand zueinander gestapelt, wobei die Mäander des Kältemittelwärmetauschers 16 in den Freiräumen zwischen den Graphitmatrix-Speicherblöcken 142 verlaufen. Der nicht von den Graphitmatrix-Speicherblöcken 142 oder dem Kältemittelwärmetauscher 16 eingenommene Raum im Kältespeicher 14 ist mit einer Sole 144 gefüllt. Vorzugsweise verbleibt kein luftgefüllter Freiraum im Kältespeicher 14, um unerwünschte Schwappgeräusche zu vermeiden.
Einander diametral gegenüber an der Wandung des Kältespeichers 14 angebracht sind ein Kühlmitteleinlass 146 und ein Kühlmittelauslass 148. Diese sind mit der Kühlmittelleitung 20 verbunden, so dass das Kühlmittel 144, getrieben von der Kühlmittelpumpe 18 den gesamten Kältespeicher 14 durchfließt und dabei die Graphitmatrix-Speicherplatten umströmt.
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Im Lichte der hier offenbarten Lehre ist dem Fachmann ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten anhand gegeben. Insbesondere ist die konkrete Form und Materialwahl des Kältespeichers 14 nicht auf die gezeigten Beispiele beschränkt. So wird der Kältespeicher 14 in der Regel von einem isolierenden Gehäuse umgeben sein und auch die Kältemittel- und Kühlmittelleitungen 12, 22 werden eine angemessene Isolierung aufweisen.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

10: Klimatisierungssystem
10': Klimatisierungssystem
12: Kältemittelleitung
14: Kältespeicher
142: Graphit-Speicherblock
144: Kühlmittel/Sole
146: Kühlmitteleinlass
148: Kühlmittelauslass
16: Kältemittel Wärmetauscher
18: Kühlmittelpumpe
20: Kühlmittelleitung
22: Luftkühlungswärmetauscher
24: Gebläse
26: Kühlmittelwärmetauscher
28: Volumenausgleichsbehälter

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

- DE 10242463 A1 [0002]

Claims

Klimatisierungssystem zur Kühlung von Raumluft, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, umfassend – eine Kälteerzeugungseinheit zur Kühlung eines flüssigen Kältemittels, – eine Kältemittelleitungsanordnung (12) zur Leitung des Kältemittels, – einen Kältespeicher (14), der über einen mit der Kältemittelleitungsanordnung (12) thermisch verbundenen Kältemittelwärmetauscher (16) mit dem Kältemittel in thermischem Kontakt steht und eine Mehrzahl von Graphitmatrix-Speicherblöcken (142) umfasst, – eine Kühlmittelleitungsanordnung (20) zur Leitung eines flüssigen Kühlmittels (144), das mit dem Kältespeicher (14) in thermischem Kontakt steht, und – einen Luftkühlungswärmetauscher (22), der mit der Kühlmittelleitungsanordnung (20) thermisch verbunden ist und mit der zu kühlenden Luft in thermischem Kontakt steht, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel (144) im Inneren des Kältespeichers (14) die Speicherblöcke (142) frei umspült.
Klimatisierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Kühlmittelleitungsanordnung (20) kein Volumenausgleichsbehälter (28) integriert ist.
Klimatisierungssystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelwärmetauscher (16) als mäandrierende Rohrleitungsanordnung mit den auf Abstand gestapelten Speicherblöcken (142) verschachtelt ausgebildet ist, und dass das Kühlmittel (144) die Speicherblöcke (142) in zwischen diesen und der Rohrleitungsanordnung ausgebildeten Kanälen umströmt.
Klimatisierungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelleitungsanordnung (20) über einen Kühlmitteleinlass (146) und einen Kühlmittelauslass (148) mit dem Kältespeicher (14) verbunden ist und der Kühlmitteleinlass (146) dem Kühlmittelauslass (148) diametral gegenüber an dem Kältespeicher (14) angeordnet ist.
Klimatisierungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherblöcke (142) eine korrosionsbeständige Oberflächenbeschichtung aufweisen.
Klimatisierungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kältemittel R134a eingesetzt ist.
Klimatisierungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel (144) eine Sole eingesetzt ist.
Klimatisierungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sole ein Wasser/Glycol-Gemisch ist.