DE10316086A1

DE10316086A1 - Fahrzeugklimaanlage, insbesondere Co2-Klimaanlage

Info

Publication number: DE10316086A1
Application number: DE10316086A
Authority: DE
Inventors: Ullrich Dr. Hesse
Original assignee: Zexel Valeo Compressor Europe GmbH
Current assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Priority date: 2003-04-08
Filing date: 2003-04-08
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2023-04-09
Also published as: DE10316086B4

Abstract

Fahrzeugklimaanlage, deren Kältemittelkreislauf folgende Komponenten umfaßt: Verdichter (6), Kältemittelkühler (7), gegebenenfalls ein innerer Wärmetauscher (8), Expansionsventil (9) und Verdampfer (5). Zwischen Verdichter (6) und Kältemittelkühler (7) ist ein mit einem motorseitigen Kühlkreislauf (17) korrespondierender zusätzlicher Wärmetauscher (10) integriert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugklimaanlage, insbesondere CO₂-Klimaanlage, deren Kältemittelkreislauf folgende Komponenten umfasst:
Verdichter,
Kältemittelkühler,
ggf. innerer Wärmetauscher zwischen Heizwärmetauscher- und Verdampferseite,
Expansionsventil, und
Verdampfer.

Derartige Fahrzeugklimaanlagen sind allgemein bekannt. Sie dienen zur Kühlung des Fahrgastraumes im Sommer. Die herkömmlichen Fahrzeugklimaanlagen sind eine Zusatzeinrichtung und arbeiten unabhängig vom Kühlkreislauf des Motors. Der innere Wärmetauscher ist nicht zwingend erforderlich, wird aber bei einem CO₂-Verdichter bevorzugt eingesetzt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Kältemittelkreislauf der Klimaanlage mit dem Kühlkreislauf des Fahrzeugmotors energetisch zu verbinden, um auf diese Weise eine positivere Energiebilanz insgesamt zu erhalten.

Dieses Ziel wird durch die relativ einfache Maßnahme erreicht, dass zwischen Verdichter und Kältemittelkühler des Kältemittelkreislaufes ein mit einem motorseitigen Kühlwasserkreislauf korrespondierender zusätzlicher Wärmetauscher integriert ist. Damit ist zum einen ein energetisch günstigerer Kühlbetrieb möglich, wobei als Nebeneffekt ein kostengünstigerer Kältemittelkühler eingesetzt werden kann. Die Wärme, die vom zusätzlichen Wärmetauscher an den Kühlwasserkreislauf übertragen wird, lässt sich z.B. in einem by-pass um den Heizwärmetauscher des Kühlwasserkreislaufes unmittelbar dem Fahrzeugmotor zuführen. Im Leerlauf, bei niedrigen Lasten und im Warmlauf dient diese Wärme dazu, den Motor schnell auf energetisch günstigere Betriebstemperatur zu bringen und zu halten, wodurch Kraftstoff eingespart werden kann. Ist der Motor betriebswarm, wird die Wärme über den üblichen Motorkühler abgeführt.

Der Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung sei anhand der 4 nochmals näher erläutert. Diese zeigt eine übliche Anordnung für den Heizabschnitt eines Kühlwasserkreislaufes eines Kraftfahrzeuges und das Anlagen-Schema bzw. den Kältemittelkreislauf einer CO₂-Klimaanlage, die allein für einen Kühlbetrieb ausgelegt ist. Der erwähnte Heizabschnitt umfasst einen Motor 1, einen Heizwärmetauscher 2, eine Umwälzpumpe 3, bei der es sich üblicherweise um die Hauptwasserpumpe des Motors 1 handelt, und ein Zwei-Wege-Ventil 4. Für den Kältemittel- bzw. Kühlkreislauf sind die wesentlichen Komponenten mit einem Verdampfer 5, einem Verdichter 6, einem Kältemittelkühler 7, einem inneren Wärmetauscher 8 und einem Expansionsventil 9 dargestellt. Der innere Wärmetauscher ist nicht zwingend erforderlich, wird bei dem Kältemittel CO₂ aber bevorzugt eingesetzt. Bei anderen Kühlmitteln wie z.B. R134a wird auf den Einsatz des inneren Wärmetauschers meist verzichtet. Der Heizwärmetauscher 2 ist im dargestellten Fall durch eine by-pass-Leitung überbrückbar, wobei zwischen dieser by-pass-Leitung und dem Heizwärmetauscher 2, insbesondere Heizwärmetauscherauslaß das vorerwähnte Zwei-Wege-Ventil 4 angeordnet ist. Durch entsprechende Umschaltung dieses Ventils lässt sich das Kühlwasser entweder durch den Heizwärmetauscher 2 oder an diesem vorbei leiten. Ein luftseitiger by-pass an Stelle des wasserseitigen ist ebenfalls möglich und üblich. Ventil 4 und die by-pass-Leitung können dann entfallen. Das Klimagerät weist dann entsprechende Luft-Klappen auf.

Um den Heizabschnitt des Kühlwasserkreislaufes des Fahrzeuges einerseits und den Kältemittel- bzw. Kühlkreislauf der Klimaanlage andererseits energetisch miteinander abzustimmen, wird erfindungsgemäß ein zusätzlicher Wärmetauscher vorgesehen, der zwischen beiden Kreisläufen wirksam ist. Alternativlösungen sowie zusätzliche konstruktive Details sind in den Ansprüchen 2 ff. beschrieben. Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Klimaanlage anhand der beigefügten Schema-Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erste Ausführungsform (Schaltschema) einer erfindungsgemäßen Fahrzeugklimaanlage;
2 eine zweite Ausführungsform (Schaltschema) einer erfindungsgemäßen Fahrzeugklimaanlage; und
3 eine weitere Abwandlung (Schaltschema) einer erfindungsgemäßen Fahrzeugklimaanlage.
Die Klimaanlage gemäß 1 ist gegenüber dem Stand der Technik nach 4 dahingehend modifiziert, dass ein zusätzlicher Wärmetauscher 10 vorgesehen ist, der zum Enthitzen des gasförmigen Kältemittels und zum Übertragen der Wärme an einen Kühlwasserkreislauf eingebunden ist. Der Kühlwasserkreislauf ist mit der Bezugsziffer 17 gekennzeichnet. Im zusätzlichen Wärmetauscher 10 erfolgt also ein Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittelkreislauf einerseits und motorseitigem Kühlwasserkreislauf andererseits. Das auf hohe Temperatur erhitzte Kältemittel, vorzugsweise CO₂, stammt von dem dem Wärmetauscher 10 vorgeschalteten Verdichter 6.
Die Betriebsweise der Anordnung gemäß 1 ist wie folgt:
Im Verdampfer 5 verdampft das Kältemittel und nimmt so Wärme aus der Umgebungsluft auf, die der Fahrgastzelle zugeführt wird. Im inneren Wärmetauscher 8 wird Sauggas überhitzt und dem Verdichter 6 zugeführt. Bei CO₂ als Kältemittel wird dieses auf einen Druck von zum Beispiel 70 bis 120 bar verdichtet und erreicht eine Verdichtungsendtemperatur von bis zu und über 150 °C. Das Kältemittel wird anschließend im zusätzlichen Wärmetauscher 10 enthitzt und strömt in den nachgeordneten Kältemittelkühler 7, und zwar energetisch vorteilhaft bereits vorgekühlt, so dass im Kältemittelkühler 7 lediglich eine anteilige Kühlung des Kältemittels erfolgen muß. Das Kältemittel wird, bei CO₂ vorzugsweise, dann im inneren Wärmetauscher 8 weiter unterkühlt und durch das nachgeordnete Expansionsventil 9 auf Verdampfungsdruck gedrosselt. Energetisch vorteilhaft stehen für die Kühlung des Kältemittels bzw. CO₂-Gases sowohl der zusätzliche Wärmetauscher 10 als auch der Kältemittelkühler 7 zur Verfügung. Damit ist der Kühlbetrieb energetisch günstiger als bei einem reinen Kühlkreislauf nach 4. Dieser Nebeneffekt kann dazu genutzt werden, einen kostengünstigeren Kältemittelkühler einzusetzen oder die energetische Effizienz der Gesamtanlage zu verbessern. Die Wärme, die vom zusätzlichen Wärmetauscher 10 an den Kühlwasserkreislauf 17 übertragen wird, lässt sich in einem häufig bereits vorhandenen by-pass um den Heizwärmetauscher 2 unmittelbar dem Motor 1 zuführen. Im Leerlauf, bei niedrigen Lasten und im Warmlauf dient diese Wärme dazu, den Motor schneller auf energisch günstige Betriebstemperatur zu bringen und zu halten und damit Kraftstoff einzusparen. Ist der Motor betriebswarm, wird überschüssige Wärme über den hier nicht näher dargestellten Motorkühler abgeführt. Ein weiterer Vorteil dieser Schaltung ist, dass außer dem zusätzlichen Wärmetauscher 10 der als Enthitzer eingesetzt wird, keine zusätzlichen Komponenten mehr erforderlich sind.
Wird der Motor bei hoher Fahrgeschwindigkeit unter hoher Last an seinem thermischen Grenzbereich betrieben, so wird der Kältemittelkühler 7 luftseitig hinreichend gut durchströmt, so dass der Verdichtungsenddruck niedrig genug und die Verdichtungsendtemperatur ebenfalls niedrig ist. In diesem Fall wird vom zusätzlichen Wärmetauscher 10 an den dann ohnehin heißen Kühlwasserkreislauf keine Wärme mehr übertragen, da die Temperaturdifferenz gering oder sogar negativ ist. Der Motor wird dann thermisch nicht mehr zusätzlich belastet. Der Motorkühler braucht daher auch nicht größer dimensioniert zu werden.
Als vorteilhaft zur schnelleren Aufheizung auch der Fahrgastkabine bei gleichzeitigem Betrieb der Klimaanlage zur Entfeuchtung kann sich die zeitweilige Trennung von Motorkühlkreislauf und Heizabschnitt des Kühlwasserkreislaufes 17 zum Beispiel nach den 2 und 3 erweisen. Die vom zusätzlichen Wärmetauscher 10 stammende Wärme wird nur zur Aufheizung eines kleinen „Heizwasser-Kreislaufs" verwendet.
Ist die Kühlwassertemperatur hinreichend angestiegen, wird die Anlage wieder umgeschaltet, so dass vorrangig die Motorabwärme zum Heizen der Fahrgastkabine dient. Diese vorgenannte Umschaltung wird durch eine by-pass-Schaltung 19 zwischen dem Rücklauf des Heizwärmetauschers 2 und dem Vorlauf der Umwälzpumpe 3 erhalten, wobei entweder an letztgenanntem Anschluß ein Zwei-Wege-Ventil 20 (2) oder an erstgenanntem Anschluß ein Zwei-Wege-Ventil 21 (3) vorgesehen ist, mit dem die beschriebene Umschaltung möglich ist.
Die erwähnten Ventile 20, 21 können natürlich auch in Zwischenstellung gebracht werden abhängig vom gewünschten Betriebszustand.
Wie bereits oben erwähnt, ist der motorseitige Heizwärmetauscher 2 durch eine diesem unmittelbar zugeordnete by-pass-Leitung überbrückbar, wobei die Umleitung des Kühlmediums, nämlich Kühlwassers durch ein zwischen by-pass-Leitung und Heizwärmetauscher 2, insbesondere Heizwärmetauscher-Ein- oder -Auslaß angeordnetes Zwei-Wege-Ventil 4 erfolgt. Alternativ kann auch ein luftseitiger by-pass um den Wärmetauscher im Klimagerät gefahren werden. Ventil und by-pass-Leitung können dann entfallen. Luftklappen sind dann erforderlich.
Schließlich sei noch erwähnt, dass bei Bedarf der zusätzliche Wärmetauscher 10 entsprechend der Darstellung in 1 durch eine kältemittelseitige by-pass-Leitung 22 überbrückbar ist. Im Bereich des Anschlusses dieser by-pass-Leitung 22 am Vorlauf des zusätzlichen Wärmetauschers 10 ist noch ein Zwei-Wege-Ventil 23 vorgesehen, welches eine Umschaltung des Kältemittelkreislaufes durch den zusätzlichen Wärmetauscher 10 oder durch die by-pass-Leitung 22 und Umgehung des zusätzlichen Wärmetauschers 10 erlaubt. Vorzugsweise lässt das Ventil 23 auch Zwischenstellungen zu, je nach Betriebszustand der Gesamtanordnung. Ventil 23 kann auch in Strömungsrichtung dem Wärmetauscher 10 nachgeschaltet sein. Es wird dann vorteilhaft mit niedrigeren Temperaturen beaufschlagt.
Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

1: Motor
2: Heizwärmetauscher
3: Pumpe
4: Zwei-Wege-Ventil
5: Verdampfer
6: Verdichter
7: Wärmetauscher bzw. Kältemittelkühler
8: innerer Wärmetauscher
9: Expansionsventil
10: zusätzlicher Wärmetauscher
13: Kältemittel-Leitung (Kreislauf)
17: Kühlwasserkreislauf (Heizabschnitt)
19: by-pass-Leitung
20: Zwei-Wege-Ventil
21: Zwei-Wege-Ventil
22: by-pass-Leitung
23: Zwei-Wege-Ventil

Claims

Fahrzeugklimaanlage, insbesondere CO₂-Klimaanlage, deren Kältemittelkreislauf folgende Komponenten umfasst: Verdichter (6), Kältemittelkühler (7), ggf. innerer Wärmetauscher (8) zwischen Kältemittelkühler- und Verdampferseite, Expansionsventil (9), und Verdampfer (5), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Verdichter (6) und Kältemittelkühler (7) ein mit einem motorseitigen Kühlwasserkreislauf (17) korrespondierender zusätzlicher Wärmetauscher (10) integriert ist.
Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Wärmetauscher (10) bedarfsweise durch eine by-pass-Leitung (22) überbrückbar ist, und zwar ganz oder teilweise je nach Betriebszustand der Gesamtanordnung.
Klimaanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der motorseitige Kühlwasserkreislauf (17) einen Heizwärmetauscher (2) sowie eine Pumpe (3) umfaßt, wobei der Rücklauf des Heizwärmetauschers (2) mit dem Vorlauf der Pumpe (3) durch eine by-pass-Leitung (19) ganz oder teilweise fluidverbindbar ist.
Klimaanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Anschluß der by-pass-Leitung (19) entweder am Rücklauf des Heizwärmetauschers (2) oder am Vorlauf der Pumpe (3) ein Zwei-Wege-Ventil (20 bzw. 21) angeordnet ist, welches entweder ganz oder variabel umschaltbar ist.
Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der motorseitige Heizwärmetauscher (2) durch eine diesem unmittelbar zugeordnete by-pass-Leitung überbrückbar ist, wobei die Umleitung des Kühlmediums, insbesondere Kühlwassers durch ein zwischen by-pass-Leitung und Heizwärmetauscher (2), insbesondere Heizwärmetauscher-Ein- oder -Auslaß angeordnetes Zwei-Wege-Ventil (4) erfolgt.
Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der motorseitige Heizwärmetauscher (2) luftseitig durch einen by-pass überbrückbar ist.