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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Klimaanlagenkreislauf mit einem
inneren Wärmetauscher,
einem Akkumulator und einer Ejektorpumpe, wie er beispielsweise
bei einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommt. Der Kältekreislauf der Klimaanlage ist
hinsichtlich Leistungsfähigkeit
und Betriebsweise verbessert, da er derart erfindungsgemäß ausgestaltet
ist und angesteuert bzw. betrieben wird, dass am Austritt der Düse der Ejektorpumpe
das zirkulierende Kältemittel
stets in einphasigem Zustand vorliegt, d. h. dass der Treibstrahl
des Kreislaufmediums in der Ejektorpumpe stets flüssig ist.
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Bei
Klimaanlagenkreisläufen,
bei denen das zirkulierende Kreislaufmedium Zustandsänderungen erfährt, welche
an den ideal ablaufenden, linksläufigen
Carnot-Prozess (Kaltdampf-Kompressionsverfahren) angelehnt sind,
wird das von einem Kondensator oder Gaskühler kommende, unter hohem
Druck stehende Kreislaufmedium in einer Drossel expandiert (Isentrope
Entspannung beim linksläufigen
Carnot-Prozess). Der Drosselungsvorgang erfolgt dabei unter Zunahme
der Exergie des Kreislaufmediums. Die Zunahme an Exergie in dem
Kreislaufmedium wird hierbei jedoch nicht effizient genutzt.
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Für den Fall,
wonach das aus dem Kondensator ausströmende Kreislaufmedium bei einer
entsprechenden Klimaanlage in einer Ejektorpumpe expandiert wird,
kann die Zunahme an Exergie im Kreislaufmedium während des Drosselungsvorgangs dazu
verwendet werden, die Enthalpie des Kreislaufmediums am Ende des
Drosselungsvorgangs herabzusetzen.
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Folglich
liegt beim Eintritt in einen Verdampfer, der der Ejektorpumpe nachgeschaltet
ist, ein Kreislaufmedium vor, dessen Enthalpie herabgesetzt bzw.
verringert ist. Bei konstanten Austrittsbedingungen am Ausgang des
Verdampfers ist daher die Enthalpiedifferenz des Kreislaufmediums
beim Durchgang durch den Verdampfer größer. Dies hat zur Folge, dass
die Wärmeaufnahme
aus einem Kühlgut vergrößert ist.
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Stand der Technik
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Jedoch
ist bei herkömmlichen
derartigen Klimaanlagen des Standes der Technik das in die Ejektorpumpe
eintretende Kreislaufmedium hinsichtlich des Betriebs der Ejektorpumpe
aufgrund der vorliegenden Aggregatszustände des Kreislaufmediums ungünstig, denn
beim Drosselungsvorgang findet eine Drosselung bzw. Expansion des
Kreislaufmediums in den Misch- bzw. Nassdampfbereich statt. Mit anderen
Worten liegt somit am Eintritt in die Ejektorpumpe das Kreislaufmedium
teilweise in flüssigem und
teilweise in gasförmigem
Zustand vor. Die Drosselung des Kreislaufmediums in den Zwei-Phasen-Bereich
hat zur Folge, dass kein solider bzw. beständiger Düsenstrahl des Kreislaufmediums
in der Düse
der Ejektorpumpe zustande kommt. Folglich ist der Saugeffekt am
Seiteneingang der Ejektorpumpe und somit die Effizienz der Ejektorpumpe
aufgrund eines Verdampfungsvorgangs des in der Ejektorpumpe strömenden Kreislaufmediums
deutlich verringert, als dies bei einem rein flüssigem Düsenstrahl des Kreislaufmediums
der Fall wäre.
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Aus
dem Stand der Technik sind verschiedene Klimaanlagensysteme mit
Ejektorpumpen bekannt. Beispielsweise beschreibt die US-Patentanmeldung
Nr. US 2007 002 8630 (Denso Corp.) einen Ejektorpumpenklimaanlagenkreislauf,
bei welchem Effizienzverluste der Ejektorpumpe aufgrund eines Zwei-Phasen-Pumpstrahls
des Kreislaufmediums dadurch vermieden werden, dass in einer Vor-Drossel,
welche stromabwärts
dem Kondensator nachgeschaltet ist, der Druck des Kreislaufmediums
reduziert wird und anschließend
das Kreislaufmedium in einen Trockengrad-Einstellmechanismus strömt. Der Trockengrad-Einstellmechanismus
besitzt zwei Ausgänge.
Ein Ausgang ist stromabwärts
mit dem Haupteingang einer Ejektorpumpe verbunden und der andere
Ausgang ist über
eine Drossel mit dem Seiteneingang der Ejektorpumpe verbunden. Ferner
ist stromabwärts
der Ejektorpumpe sowie stromaufwärts
der Drossel zum Seiteneingang der Ejektorpumpe ein Verdampfer vorgesehen,
um Wärme
mit der Klimaluft, d. h. dem Außenfluid,
auszutauschen. Der Trockengrad-Einstellmechanismus
dient zur Trennung bzw. Verteilung des Kreislaufmediums hinsichtlich
seiner Aggregatszustände
gasförmig
und flüssig.
Bei diesem Klimaanlagenkreislauf wird die Ejektorpumpe, d. h. der
Haupteingang mit der Düse, hauptsächlich mit
Kreislaufmedium im gasförmigen Aggregatszustand
versorgt und an der Drossel im Nebenkreislauf liegt Kreislaufmedium
im flüssigen Aggregatszustand
vor. Defizite beim Betrieb dieser Klimaanlage ergeben sich dadurch,
dass einerseits durch den Drosselvorgang in der Vor-Drossel die
Zunahme an Exergie im Kreislaufmedium nicht genutzt wird. Mit anderen
Worten geht ein gro ßer
Anteil dieser Vor-Drosselungsexergie verloren, was eine verminderte
Effizienz der Ejektorpumpe zur Folge hat. Ferner liegt am Haupteingang
der Ejektorpumpe Kreislaufmedium in gasförmigem Aggregatszustand vor,
sofern die Trennung der Phasen in dem Trockengrad-Einstellmechanismus
entsprechend gut funktioniert. Dies wird dadurch erreicht, dass
der Trockengrad-Einstellmechanismus entsprechend groß ausgestaltet
werden muss. Beim Betrieb der Ejektorpumpe, d. h. während des
Drosselungsvorgangs werden jedoch flüssige Tröpfchen gebildet, welchen den
Strahl des Kreislaufmediums in der Ejektorpumpe nachteilig stören.
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Um
die aus dem Stand der Technik bekannten Defizite bei Klimaanlagensystemen
mit Ejektorpumpe zu vermeiden und die Effizienz einer Klimaanlage
mit einer Ejektorpumpe zu steigern, wird die im Folgenden beschriebene
Erfindung vorgeschlagen. Es wird ein Klimaanlagenkreislauf mit Ejektorpumpe offenbart,
bei welchem durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung und Anordnung
der Komponenten gewährleistet
wird, dass der Strahl des Kreislaufmediums in der Ejektorpumpe in
allen Betriebszuständen des
Klimaanlagenkreislaufs ein beständiger,
einphasiger Strahl mit verbesserten Saugeigenschaften ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Nach
Maßgabe
der Erfindung ist demnach eine Klimaanlage, d. h. ein Klimaanlagenkreislauf
mit einem beim Betrieb der Klimaanlage zirkulierenden Kreislaufmedium
vorgesehen. Die erfindungsgemäße Klimaanlage
kommt insbesondere bei einem Kraftfahrzeug, wie beispielsweise einem
Automobil, zum Einsatz. Die Klimaanlage umfasst eine Ejektorpumpe
mit einem Ejektorpumpenhaupteingang, einem Ejektorpumpenseiteneingang
und einem Ejektorpumpenausgang. Des Weiteren umfasst die Klimaanlage
einen bezüglich
des Kreislaufmediums inneren Wärmetauscher
mit einem ersten Wärmetauscherdurchgang
und einem zweiten Wärmetauscherdurchgang.
Ferner umfasst die Klimaanlage einen Akkumulator mit einem Akkumulatoreingang
und einem ersten, d. h. zumindest einen, Akkumulatorausgang. Der
Ejektorpumpenhaupteingang ist stromaufwärts, d. h. entgegengesetzt
zur Strömungsrichtung des
zirkulierenden Kreislaufmediums, mit dem ersten Wärmetauscherdurchgang
des inneren Wärmetauschers
verbunden. Der Ejektorpumpenausgang ist stromabwärts, d. h. in Richtung des
strömenden Kreislaufmediums,
mit dem Akkumulatoreingang. verbunden. Der erste Akkumulatorausgang
ist stromabwärts
mit dem zweiten Wärmetauscherdurchgang des
inneren Wärmetauschers
verbunden. Der Akkumulator umfasst bezüglich des Kreislaufmediums stromabwärts des
Akkumulators eine Übersättigungseinrichtung,
die es dem Kreislaufmedium beim Eintritt in den zweiten Wärmetauscherdurchgang
ermöglicht,
das Kreislaufmedium im ersten Wärmetauscherdurchgang
des inneren Wärmetauschers
derart zu kühlen,
dass das Kreislaufmedium zumindest am Düsenausgang einer Düse der Ejektorpumpe
im Wesentlichen im einphasigen Aggregatszustand vorliegt.
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Der
Kältekreislauf
der erfindungsgemäßen Klimaanlage
wird daher unter anderem mit Hilfe der Übersättigungseinrichtung so angesteuert,
dass das Kreislaufmedium stromabwärts des inneren Wärmetauschers
nach Austritt aus dem ersten Wärmetauscherdurchgang
in einem einphasigen, d. h. rein flüssigen Aggregatszustand niedriger
Temperatur vorliegt. Da der Treibstrahl des durch die Ejektorpumpe durchtretenden
Kreislaufmediums flüssig
ist, wird eine verbesserte Betriebsweise der Ejektorpumpe und somit
des gesamten Klimaanlagenkreislaufs erreicht. Gegenüber einer
konventionellen bezüglich des
Kreislaufmediums zweiphasig arbeitenden Ejektorpumpe kann durch
die Übersättigungseinrichtung der
innere Wärmetauscher
im zweiten Wärmetauscherdurchgang,
d. h. auf der Niederdruckseite mit einem übersättigten Kreislaufmedium von
höherem Flüssigkeitsniveau
versorgt bzw. betrieben werden, so dass das Kreislaufmedium im ersten
Wärmetauscherdurchgang,
d. h. auf der Hochdruckseite des inneren Wärmetauschers weiter abgekühlt werden kann.
Dies hat zur Folge hat, dass die Eintrittstemperatur des anschließend in
die Ejektorpumpe eintretenden Kreislaufmediums weiter herabgesetzt
ist und das Kreislaufmedium am Austritt der Treibstrahldüse in einem
rein flüssigen
Aggregatszustand vorliegt. Der Drosselungsvorgang findet somit nur
bei einem einphasigen Aggregatszustand statt. Der in der Ejektorpumpe
entstehende Treib- bzw. Saugstrahl des Kreislaufmediums bleibt somit
während
des Durchströmens
der Ejektorpumpe flüssig
und stabil. Eine Expansion von Kreislaufmedium in dem Treibstrahl der
Ejektorpumpe aufgrund von Verdampfungseffekten wird vermieden. Zudem
kann aufgrund des einphasigen, rein flüssigen Treibstrahls des Kreislaufmediums
die Düse
der Ejektorpumpe so gestaltet werden, dass das Kreislaufmedium mit
einer hohen Geschwindigkeit, beispielsweise größer als die Schallgeschwindigkeit,
strömt,
was zu einem weiteren zusätzlichen
Druckanstieg in der Ejektorpumpe, d. h. im Diffusorbereich der Ejektorpumpe,
führt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Übersättigungseinrichtung
im Inneren des Akkumulators (Flüssigkeitsbehälter, Sammler)
angeordnet sein. Dadurch wird beispielsweise ein geringerer Platzbedarf
der erfindungsgemäßen Klimaanlage
erreicht.
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Bezüglich eines
anderen Gesichtspunkts der vorliegenden Erfindung kann die Übersättigungseinrichtung
eine Hauptleitung umfassen, die im Inneren des Akkumulators zumindest abschnittsweise
U-röhrenförmig und/oder
geradlinig ausgebildet ist. Die Hauptleitung kann zum Abführen von
Kreislaufmedium in gasförmigem
und/oder flüssigem
Aggregatszustand dienen, um einen erfindungsgemäßen Betrieb der Klimaanlage
zu gewährleisten.
Ferner wird so eine verbessere und kompakte Bauweise des Akkumulators
bzw. der Übersättigungseinrichtung
erreicht.
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Nach
einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann sich
der Scheitel bzw. die Basis der zumindest abschnittsweise U-röhrenförmigen Hauptleitung
in unmittelbarer Nähe
zu einer inneren Bodenfläche
des Akkumulators befinden.
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Gemäß einer
weiteren Idee der Erfindung kann die zumindest abschnittsweise U-röhrenförmige Hauptleitung am Scheitel
bzw. der Basis eine Öffnung
aufweisen. Die Öffnung
kann sich bei entsprechender Anordnung bzw. Orientierung des Akkumulators
in Kreislaufmedium flüssigen
Aggregatszustands befinden. Über
die Öffnung
kann Öl
und/oder Kreislaufmedium in flüssigem
Aggregatszustand in die Hauptleitung strömen.
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In
einer weiteren Ausführung
der erfindungsgemäßen Klimaanlage
kann das Verhältnis
von Querschnittsfläche
der Hauptleitung zur Querschnittsfläche der Öffnung im Bereich von 0.5%
bis 10% liegen. Durch eine vergrößerte Querschnittsfläche der Öffnung wird
beispielsweise erreicht, dass ein erhöhter Bedarf des inneren Wärmetauschers,
d. h. des zweiten Wärmetauscherdurchgangs
nach Kreislaufmedium flüssigen
Aggregatszustands gedeckt werden kann. Die Zunahme an flüssigem Kreislaufmedium,
welches über
die vergrößerte Öffnung angesaugt
werden kann, geht unter anderem auch mit der Temperatur der Umgebung
außerhalb
der Klimaanlage einher, mit welcher die Klimaanlage Wärme austauscht.
Aufgrund von hohen Umgebungstemperaturen, welche einen erhöhten Flüssigkeitsbedarf
für den
inneren Wärmetauscher
auf der Niederdruckseite haben können,
nimmt der Durchsatz, d. h. der Massenstrom bzw. die Geschwindigkeit
des Kreislaufmediums derart zu, dass der statische Druck in der
Hauptleitung aufgrund des Bernoulli-Effekts abnimmt und mehr flüssiges Kreislaufmedium über die Öffnung angesaugt
werden kann.
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Entsprechend
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Übersättigungseinrichtung
neben der Hauptleitung eine Bypassleitung umfassen, die im Inneren
des Akkumulators und/oder zumindest abschnittsweise geradlinig und/oder
L-förmig
ausgebildet ist. Die Ölrezirkulation in
dem Klimaanlagenkreislauf findet üblicherweise über die Öffnung in
der Hauptleitung statt. Mittels der Bypassleitung kann eine zusätzlich benötigte Menge an
flüssigem
Kreislaufmedium zum Übersättigen des Niederdruckbereichs
des inneren Wärme tauschers zur
Verfügung
gestellt werden, um das Kreislaufmedium im Hochdruckbereich des
inneren Wärmetauschers
weiter abzukühlen
bzw. zu verflüssigen
und so den wie oben beschriebenen einphasigen Betrieb der Ejektorpumpe
zu gewährleisten.
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In
einem weiteren Beispiel der vorliegenden Erfindung kann die Bypassleitung
mit der Hauptleitung verbunden sein. Die Übersättigungseinrichtung kann so
ausgeführt
sein, dass die Bypassleitung flüssiges
Kreislaufmedium führt
und die Hauptleitung gesättigtes,
gasförmiges
Kreislaufmedium führt.
Der Zusammenschluss beider Leitungen, insbesondere am Ausgang des
Akkumulators und/oder der Übersättigungseinrichtung,
führt zu
einem in übersättigtem
Zustand vorliegenden Kreislaufmedium, welches anschließend dem
inneren Wärmetauscher
zugeführt
wird und zur weiteren Abkühlung
des Kreislaufmediums auf der Hochdruckseite des inneren Wärmetauschers
verwendet werden kann.
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Nach
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Bypassleitungsausgang
der Bypassleitung gekrümmt
und/oder abgewinkelt ausgebildet sein und/oder der/ein Bypassleitungsausgang
der Bypassleitung zumindest teilweise in die Querschnittsfläche der
Hauptleitung ragen. Damit werden beispielsweise günstige bzw.
verlustarme Strömungsbedingungen
für das
zirkulierende Kreislaufmedium geschaffen.
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Gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt bei der erfindungsgemäßen Klimaanlage kann im Bereich
des Bypassleitungsausgangs die Querschnittsfläche der Hauptleitung stetig
vermindert sein, d. h. sich auf ein Minimum verjüngen. Dies schafft einen zusätzlichen
Saugeffekt in der Bypassleitung der Übersättigungseinrichtung, welche
flüssiges
Kreislaufmedium, d. h. Kreislaufmedium in flüssigem Aggregatszustand führt.
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Entsprechend
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann sich ein Bypassleitungseingang
der Bypassleitung in unmittelbarer Nähe zu der inneren Bodenfläche des
Akkumulators befinden. Für
einen Anwendungsfall, wonach der Akkumulator im Wesentlichen entsprechend
senkrecht angeordnet ist, so dass der Bypassleitungseingang von
flüssigem
Kreislaufmedium umgeben ist, kann damit stets, d. h. auch bei relativ
niedrigem flüssigem Kreislaufmediumniveau
im Akkumulator, flüssiges Kreislaufmedium
in der Bypassleitung für
den inneren Wärmetauscher
bereitgestellt werden.
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Gemäß einem
weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann das Verhältnis von Durchflusskapazität der Bypassleitung
zur Durchflusskapazität
der Hauptleitung im Bereich zwischen 0.05 bis 0.3 liegen.
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Nach
einer weiteren Ausführung
der erfindungsgemäßen Klimaanlage
kann zumindest ein Abschnitt der Übersättigungseinrichtung Prandt1-Rohr-artig
ausgebildet sein. Dadurch werden, wie bereits an anderer Stelle
genannt, günstige Strömungsbedingungen
für das
Kreislaufmedium geschaffen.
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Entsprechend
einem weiteren Aspekt der Erfindung kann sich zwischen der Ejektorpumpe
und dem Akkumulator ein Vorwärmetauscher
befinden. Der Vorwärmetauscher
kann dabei verwendet werden, weitere Wärme aus einem Kühlgut, beispielsweise
der Umgebung der Klimaanlage, aufzunehmen.
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Nach
einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann der
Akkumulator einen zweiten Akkumulatorausgang umfassen, der mit dem Ejektorpumpenseiteneingang
verbunden ist und/oder mittels einer externen Leitung mit dem ersten
Akkumulatorausgang verbunden ist.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann sich zwischen dem
zweiten Akkumulatorausgang und dem Ejektorpumpenseiteneingang eine
Drosseleinrichtung und/oder ein Niederdruckwärmetauscher befinden.
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Entsprechend
einer weiteren Ausführung
der erfindungsgemäßen Klimaanlage
kann der zweite Wärmetauscherdurchgang
stromabwärts
mit einer Verdichtereinrichtung und/oder einem Hochdruckwärmetauscher
verbunden sein und die Verdichtereinrichtung und/oder der Hochdruckwärmetauscher kann
stromabwärts
mit dem ersten Wärmetauscherdurchgang
verbunden sein.
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Nach
einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung kann der
Hochdruckwärmetauscher
in wärmeaustauschender
Beziehung mit einem ersten geschlossenen Kreislauf, welcher an den Hochdruckwärmetauscher
gekoppelt ist, stehen.
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In
einer weiteren Ausführung
der erfindungsgemäßen Klimaanlage
kann der Niederdruckwärmetauscher
und/oder der Vorwärmetauscher
in wärmeaustauschender
Beziehung mit einem zweiten geschlossenen Kreislauf, welcher an
den Niederdruckwärmetauscher
und/oder der Vorwärmetauscher
gekoppelt ist, stehen.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann zumindest ein Abschnitt
der Düse
zumindest einem Abschnitt einer Lavaldüse ähnlich sein. Dadurch kann erreicht
werden, dass flüssige
Kreislaufmedium in der Ejektorpumpe beispielsweise auf über Schallgeschwindigkeit
beschleunigt wird.
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Entsprechend
einem weiteren Gesichtspunkt kann der Akkumulator der Gestalt eines
zylindrischen Behälters ähnlich sein.
Dies führt
beispielsweise zu einer kompakten und einfach herzustellenden Struktur.
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Nach
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Hauptleitungseingang
der Hauptleitung derart positioniert sein, dass das Kreislaufmedium
durch den Hauptleitungseingang im Wesentlichen im einphasigen Aggregatszustand
durchtritt.
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Vorgesehen
ist ferner auch ein Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage, insbesondere
für ein Kraftfahrzeug,
wobei die Klimaanlage die oben beschriebene Merkmale aufweist und
wobei das Kreislaufmedium durch die Übersättigungseinrichtung geführt wird
und die Übersättigungseinrichtung
es dem Kreislaufmedium beim Eintritt in den zweiten Wärmetauscherdurchgang
ermöglicht,
das Kreislaufmedium im ersten Wärmetauscherdurchgang
derart zu kühlen,
dass das Kreislaufmedium zumindest am Düsenausgang der Düse der Ejektorpumpe
im Wesentlichen im einphasigen Aggregatszustand austritt. Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
ist somit eine effiziente Betriebsweise der erfindungsgemäßen Klimaanlage,
wie oben beschrieben, gegeben.
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Es
ist ferner selbstverständlich,
dass die oben genannten, offenbarten Merkmale zur Erzielung weiterer
Ausführungen
der erfindungsgemäßen Klimaanlage
beliebig miteinander kombiniert werden können.
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Weitere
Eigenschaften und Merkmale der Erfindung ergeben sich unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Figuren aus der folgenden detaillierten Beschreibung eines Beispiels
der Erfindung. Dieses ist rein beispielhaft und in keinster Weise
ein- bzw. beschränkend
zu verstehen. Die detaillierte Beschreibung dient lediglich dazu,
dem Fachmann eine Lehre zum Nacharbeiten der Erfindung bereitzustellen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Beispiels des Klimaanlagenkreislaufs
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist
ein Enthalpie-Druck-Zustandsdiagramm für das Kreislaufmedium während des
Betriebs eines Beispiels der erfindungsgemäßen Klimaanlage bei einer Umgebungstemperatur
von 40°C;
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3 ist
ein weiteres Enthalpie-Druck-Zustandsdiagramm für das Kreislaufmedium während des
Betriebs eines Beispiels der erfindungsgemäßen Klimaanlage bei einer Umgebungstemperatur
von 30°C;
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4 ist
ein weiteres Enthalpie-Druck-Zustandsdiagramm für das Kreislaufmedium während des
Betriebs eines Beispiels der erfindungsgemäßen Klimaanlage bei einer Umgebungstemperatur
von 20°C;
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5 ist
ein Enthalpie-Druck-Zustandsdiagramm für das Kreislaufmedium während des
Betriebs einer Klimaanlage mit Ejektorpumpe gemäß dem Stand der Technik;
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6 ist
eine Übersicht über den
Flüssigkeitsanteil
beim Eintritt des Kreislaufmediums in den Niederdruckbereich des
inneren Wärmetauschers;
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7 ist
eine Querschnittsansicht eines Beispiels der Verbindung der Hauptleitung
der Übersättigungseinrichtung
mit der Bypassleitung der Übersättigungseinrichtung;
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8 ist
eine Querschnittsansicht eines Beispiels eines Akkumulators der
erfindungsgemäßen Klimaanlage.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Im
Folgenden wird nun die Funktionsweise und der Aufbau eines Beispiels
des erfindungsgemäßen Klimaanlagenkreislaufs 100 beschrieben.
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Der
in 1 schematisch dargestellte, erfindungsgemäße Klimaanlagenkreislauf 100 ist
als Kompressionskältemaschine
ausgebildet, die einen Ejektorpumpenkreislauf 100 umfasst.
Der Betrieb des Ejektorpumpenkreislaufs 100 ist dem linksläufigen Carnot-Prozess
angelehnt.
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Ein
Kompressor 1 (Verdichter) saugt am Kompressoreingang 1a verdampftes
(dampfförmiges),
d. h. in gasförmigem
Zustand befindliches und unter niedrigem Druck (ca. 40 bar bis 50
bar) und niedriger Temperatur (ca. 5°C bis 8°C) stehendes Kreislaufmedium
an und verdichtet es. Das Kreislaufmedium verlässt anschließend den
Kompressor 1 am Kompressorausgang 1b in einem
dampfförmigen
Zustand A (vgl. Enthalpie-Druck-Zustandsdiagramme der 2 bis 4)
von hoher Temperatur (ca. 130°C
bis 140°C)
und hohem Druck (ca. 110 bar bis 130 bar, vorzugsweise ca. 120 bar).
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Der
Kompressor 1 kann beispielsweise als extern angesteuerter, ölgeschmierter
Taumelscheibenkompressor mit variabler Förderleistung ausgebildet sein.
Gemäß einem
alterna tiven Aspekt der Erfindung ist der Kompressor 1 ein
Kompressor variabler Leistung, welcher elektrisch angetrieben wird.
Dadurch lässt
sich der Strom des Kreislaufmediums des geschlossenen Ejektorpumpenkreislaufs 100 je
nach Bedarf, d. h. Umgebungsbedingungen, einstellen, ohne sich auf
die Drehzahl des Antriebsaggregats des Kraftfahrzeugs auszuwirken.
Konstante Klimaanlagenbedingungen können somit problemlos realisiert
werden. Der Kompressor 1 kann ferner leistungsmäßig so ausgelegt
sein und angesteuert werden, dass im Leerlauf des Antriebsaggregats
des Kraftfahrzeugs eine ausreichende Kälteleistung des Ejektorpumpenkreislaufs 100 gewährleistet
wird.
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Als
Kreislaufmedium (Kältemittel)
für den
Betrieb des geschlossenen Ejektorpumpenkreislaufs 100 kann
beispielsweise das chlorfreie und daher umweltverträgliche Tetrafluorethan
(R134a) oder das nicht-toxische Kohlendioxid (R744), welches in überkritischen
Klimaanlagen zum Einsatz kommt, verwendet werden. Darüber hinaus
ist auch der Einsatz weiterer anderer Kältemittel möglich bzw. denkbar.
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Das
von dem Kompressor 1 angesaugte und komprimierte Kreislaufmedium
wird in einem als Kondensator 2 (Verflüssiger) fungierenden Wärmetauscher
durch Wärmeaustausch
verflüssigt.
Der Kondensator 2 befindet sich stromabwärts des
Kompressors 1. Die Eigenschaft „stromabwärts" bedeutet in Richtung des strömenden Kreislaufmediums,
d. h. in Strömungsrichtung.
Die Eigenschaft „stromaufwärts", welche im Folgenden
noch verwendet wird, bedeutet entsprechend in entgegen gesetzter
Richtung zur Richtung des strömenden
Kreislaufmediums.
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Das
in den Kondensator 2 am Kondensatoreingang 2a eintretende,
erhitzte Kreislaufmedium in gasförmigem
Zustand A wird beispielsweise durch Luft abgekühlt (auf ca. 50°C bis 20°C). Die Luft
strömt dabei
durch Kühlrippen
des Kondensators 2, wodurch eine Wärmeabgabe von dem erhitzten
Kreislaufmedium an die Umgebung stattfindet. Das unter hohem Druck
stehende gasförmige
Kreislaufmedium beginnt sich während
des Abkühlvorgangs
im Kondensator 2 allmählich
zu verflüssigen.
Am Kondensatorausgang 2b des Kondensators 2 liegt
das Kreislaufmedium im Wesentlichen in flüssigem Zustand B vor (vgl.
Enthalpie-Druck-Zustandsdiagramme
der 2 bis 4), enthält jedoch noch einen geringen,
in gasförmigem
Aggregatszustand befindlichen Anteil.
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Alternativ
kann der Kondensator 2 auch in wärmeaustauschender Beziehung
mit einem weiteren, in sich geschlossenen Kreislauf 51 stehen,
welcher an den Kondensator 2 entsprechend gekoppelt ist.
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Alternativ
zum Kondensator 2 beim Betrieb des Ejektorpumpenkreislaufs 100 mit
einem lediglich in unterkritischem Zustand befindlichem Kreislaufmedium
(z. B. mit R134a) könnte
sich stromabwärts
des Kompressors 1 an den Kompressor 1 unmittelbar
anschließend
auch ein als Gaskühler 2 fungierender Wärmetauscher
befinden. Dabei kann der Betrieb des Ejektorpumpenkreislaufs 100 mit
einem Kreislaufmedium, welches auf der Hochdruckseite im Wesentlichen
in überkritischem
Zustand vorliegt (z. B. Kohlendioxid) und entsprechend abgekühlt werden muss,
gewährleistet
werden. Die weitere Beschreibung beschränkt sich auf einen unterkritisch
betriebenen Kältekreislauf.
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Das
aus dem Kondensator 2 am Kondensatorausgang 2b austretende,
unter hohem Druck stehende flüssig/gasförmige Kreislaufmedium
(Zustand B) strömt
anschließend
stromabwärts
in einen inneren Wärmetauscher 3.
Der innere Wärmetauscher 3 umfasst
einen ersten Wärmetauscherdurchgang 3.1 und
einen zweiten Wärmetauscherdurchgang 3.2. Der
erste Wärmetauscherdurchgang 3.1 liegt
dabei hinsichtlich des Kreislaufmediums auf der Hochdruckseite (Hochdruckbereich)
und der zweite Wärmetauscherdurchgang 3.2 liegt
auf der Niederdruckseite (Niederdruckbereich).
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Der
innere Wärmetauscher 3 dient
dazu, das flüssige
Kreislaufmedium auf der Hochdruckseite im ersten Wärmetauscherdurchgang 3.1 weiter
zu verflüssigen
bzw. weiter abzukühlen
(Zustand C). Diese, auf der Hochdruckseite dem Kreislaufmedium entzogene
Wärme wird
im inneren Wärmetauscher 3 an das
Kreislaufmedium im Ansaugbereich des Kompressors 1 übertragen
und dazu verwendet, eventuell vorhandenes bzw. benötigtes Kreislaufmedium
flüssigem
Zustands in den gasförmigen
Zustand L zu überführen. Damit
wird verhindert, dass der Kompressor 1 flüssiges Kreislaufmedium
ansaugt und Beschädigungen
entstehen. Die Abkühlung
des auf der Hochdruckseite befindlichen Kreislaufmediums im inneren
Wärmetauscher 3 erfolgt
bis auf ein bestimmtes Temperatur- bzw. Enthalpieniveau, so dass das
Kreislaufmedium auf der Hochdruckseite im flüssigen Zustand C (vgl. Enthalpie-Druck-Zustandsdiagramme
der 2 bis 4) den inneren Wärmetauscher 3 verlässt.
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Das
unter hohem Druck stehende Kreislaufmedium wird nun in dem inneren
Wärmetauscher 3 derart
abgekühlt,
dass es, wenn es auf der Hochdruckseite der weiter stromabwärts liegenden
Ejektorpumpe 4 zugeführt
wird, in einem rein einphasigen und gesättigten flüssigen Aggregatszustand (Zustand
D) zumindest am Düsenausgang 4e der
Düse 4d der
Ejektorpumpe 4 entweicht. Die Ejektorpumpe 4 dient
als Drosselungseinrichtung für
das Kreislaufmedi um und somit dazu, das unter Hochdruck stehende
Kreislaufmedium auf einen niedrigeren Druck zu reduzieren.
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Die
Ejektorpumpe 4 umfasst neben der Düse 4d einen Ejektorpumpenhaupteingang 4a,
einen Ejektorpumpenseiteneingang 4b und einen Ejektorpumpenausgang 4c.
Im Ejektorpumpenhaupteingang 4a der Ejektorpumpe 4 befindet
sich in stromabwärts,
d. h. in Strömungsrichtung
die Düse 4d.
Im Anschluss an die Düse 4d befindet
sich weiter stromabwärts
in der Ejektorpumpe 4 eine Diffusorstruktur 4f. Die
Düse 4d kann
beispielsweise die Form einer Lavaldüse haben oder ihr zumindest
abschnittsweise ähnlich
sein.
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Das
durch den Ejektorpumpenhaupteingang 4a bzw. durch die Düse 4d strömende flüssige Kreislaufmedium
expandiert in einphasigem Zustand in der Diffusorstruktur 4f.
Der aus der Düse 4d,
d. h. am Düsenausgang 4e austretende
flüssige
Strahl an Kreislaufmedium führt
zu einem optimalen Ansaugeffekt für das Kreislaufmedium, welches über den Ejektorpumpenseiteneingang 4b in
die Ejektorpumpe 4 einströmt.
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Die
Ejektorpumpe 4 hat auf das in dem Hochdruckbereich befindliche
Kreislaufmedium eine derartige Wirkung, dass sich beim Durchgang
des Kreislaufmediums durch die Ejektorpumpe 4 das flüssige Kreislaufmedium
durch Beimischung von Sauggas vom Ejektorpumpenseiteneingang 4b in
einen Nebel (Gasphase und Flüssigphase)
bei entsprechendem Druck (ca. 1.0 bar bis 2.0 bar) und niedriger
Temperatur (ca. –5°C bis –10°C) verwandelt.
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Der
Ejektorpumpe 4 stromabwärts
nachgeschaltet ist ein hinsichtlich des Kreislaufmediums als Vor-Wärmetauscher
bzw. Vor-Verdampfer 5 fungierender Wärmetauscher. Der Vor-Verdampfer 5 dient nun
dazu, dass das am Vor-Verdampfereingang 5a eintretende,
zweiphasig vorliegende Kreislaufmedium (Zustand E) verdampft, in
dem es Wärme
aus dem Kühlgut,
beispielsweise aus dem Fahrgastraum aufnimmt.
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Am
Vor-Verdampferausgang 5b tritt das Kreislaufmedium in zweiphasigem
Aggregatszustand (Zustand F) aus, jedoch mit einem höheren gasförmigen Anteil
als beim Eintritt in den Vor-Verdampfereingang 5a (Zustand
E). Der Vor-Verdampferausgang 5b ist stromabwärts mit
dem Akkumulatoreingang 6a des Akkumulators 6 (Flüssigkeitsbehälter, Sammler) verbunden.
Bei einer anderen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Klimaanlage 100 kann
der Vor-Verdampfer 5 auch weggelassen werden. Dann ist
der Ejektorpumpenausgang 4c direkt, ohne Zwischenschaltung
einer auf den Aggregatszustand des Kreislaufmediums Ein fluss nehmenden
thermodynamischen Komponente, mit dem Akkumulatoreingang 6a verbunden.
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Der
Akkumulator 6 befindet sich auf der Saugseite des Verdichters 1.
Sobald das zweiphasige Kreislaufmedium in den Akkumulator 6 über den Akkumulatoreingang 6a eingetreten
ist, findet eine Trennung des Kreislaufmediums hinsichtlich seiner beiden
Aggregatszustände
statt. Mit anderen Worten gibt es in dem Akkumulator 6 ein
Reservoir mit Kreislaufmedium in gesättigtem gasförmigem Aggregatszustand
(gesättigtes
Gas) (Zustand H) und ein Reservoir mit Kreislaufmedium in einem
gesättigten flüssigen Aggregatszustand
(gesättigte
Flüssigkeit) (Zustand
G).
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Für den Fall,
wonach der Akkumulator 6 ein herkömmlicher Akkumulator des Standes
der Technik ist und keine Übersättigungseinrichtung 7 umfasst,
liegt beim ersten Akkumulatorausgang 6b das Kreislaufmedium
in gesättigtem
gasförmigen
Zustand (Zustand H) vor.
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In
dem in 1 schematisch dargestellten Beispiel der erfindungsgemäßen Klimaanlage 100,
d. h. des Ejektorpumpenkreislaufs 100 umfasst der Akkumulator 6 einen
weiteren, zweiten Akkumulatorausgang 6c. Der zweite Akkumulatorausgang 6c ist unter
anderem zur Bildung eines Nebenkreislaufs mit dem Ejektorpumpenseiteneingang 4b,
mit einer Drosseleinrichtung 8 sowie einem zwischen Drosseleinrichtung 8 und
dem Ejektorpumpenseiteneingang 4b befindlichen Niederdruckwärmetauscher 9 verbunden.
Die Drosseleinrichtung 8 ist dazu da, das am Ejektorpumpenausgang 4c bzw.
in dem Akkumulator 6 und somit auch am zweiten Akkumulatorausgang 6c vorliegende
erhöhte
Druckniveau des Kreislaufmediums entsprechend für den Wärmeaustauschvorgang in dem
Niederdruckwärmetauscher 9 herabzusenken.
Der Niederdruckwärmetauscher 9 dient dazu,
einem Kühlgut,
wie beispielsweise der Luft in einem Fahrzeuginnenraum, die Wärme zu entziehen, welche
vom Kreislaufmedium aufgenommen wird.
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In 1 umfasst
der Akkumulator 6 jedoch eine Übersättigungseinrichtung 7.
Die schematisch dargestellte Übersättigungseinrichtung 7 besteht
aus einer Hauptleitung 7.1 (beispielsweise ein Rohr aus Kunststoff
oder Metall), welche im Inneren des Akkumulators 6 zumindest
abschnittsweise U-röhrenförmig ausgebildet
ist. Alternativ könnte
die Hauptleitung 7.1 im Wesentlichen geradlinig ausgebildet
sein und ihr Eingang für
das Kreislaufmedium derart positioniert sein, dass Kreislaufmedium
in stets gesättigtem
gasförmigem
Zustand durch die Hauptleitung 7.1 strömt. Ferner umfasst die Übersättigungseinrichtung 7 eine
Bypassleitung 7.2, welche ebenfalls im Inneren des Akkumulators 6 ausgebildet
ist. Die Bypass leitung 7.2 kann zumindest abschnittsweise I-förmig, d.
h. geradlinig und/oder L-förmig
ausgebildet sein. Anhand der 7 und 8 wird
ein Beispiel der Übersättigungseinrichtung 7 bzw.
des Akkumulators 6 mit Übersättigungseinrichtung 7 näher erläutert.
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Die Übersättigungseinrichtung 7 kann
alternativ zu der oben beschriebenen Ausführung auch darin bestehen bzw.
realisiert werden, dass ein herkömmlicher
Akkumulator 6 des Standes der Technik mit einem Akkumulatoreingang 6a,
einem ersten Akkumulatorausgang 6b und einem zweiten Akkumulatorausgang 6c ausgestattet
ist, wobei der erste Akkumulatorausgang 6b und der zweite
Akkumulatorausgang 6c mittels einer externen Leitung 7.3 außerhalb des
Akkumulators 6 verbunden sind. Die Hauptleitung 7.1 braucht
dann lediglich im Wesentlichen geradlinig ausgeführt werden, wobei sich der
Eingang bzw. Eintritt der Hauptleitung 7.1 für das Kreislaufmedium
in dem Reservoir mit gasförmigem
Kreislaufmedium befindet. Die Hauptleitung 7.1 ist stets
mit dem ersten Akkumulatorausgang 6b verbunden. Mit einer derartigen
Anordnung wird es dem flüssigen
Kreislaufmedium ermöglicht, über die
externe Leitung 7.3 das aus dem ersten Akkumulatorausgang 6b austretende
gasförmige
Kreislaufmedium beim Eintritt in den zweiten Wärmetauscherdurchgang 3.2 des
inneren Wärmetauschers 3 zu übersättigen.
Der vom Kreislaufmedium durchströmte
Querschnitt der externen Leitung 7.3 ist bei solch einer
Ausführung
entsprechend groß dimensioniert.
Der erste Akkumulatorausgang 6b und, bei entsprechender
Ausführung, ebenso
auch die externe Leitung 7.3, ist/sind stromabwärts mit
dem zweiten Wärmetauscherdurchgang 3.2 des
inneren Wärmetauschers 3 entsprechend verbunden. Über die
externe Leitung 7.3 kann zudem auch Öl, welches sich im Bodenbereich
des Akkumulators 6 befindet, aus dem Akkumulator 6 strömen. Für den Fall,
wonach im Wesentlichen das sich im Akkumulator 6 angesammelte Öl aus dem
Akkumulator 6 strömen
soll, ist der durchströme
Querschnitt der externen Leitung 7.3 entsprechend gering
dimensioniert. Die externe Leitung 7.3 braucht jedoch nicht zwingend
notwendig zu sein, sofern die Bypassleitung 7.2 entsprechend
ausgebildet und in dem Akkumulator 6 angeordnet ist. 8 zeigt
eine entsprechende Ausführung
des Akkumulators 6 bzw. der Übersättigungseinrichtung 7.
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Die
Integration der Übersättigungseinrichtung 7 bewirkt
nun, dass dem gesättigten
gasförmigen
Kreislaufmedium aus dem Akkumulator 6, welches vom Verdichter 1 angesaugt
wird, eine bestimmte Menge an Kreislaufmedium in flüssigem Aggregatszustand
zugegeben wird mittels der Bypassleitung 7.2 und/oder der
externen Leitung 7.3. Der innere Wärmetauscher 3 wird
somit auf seiner Niederdruckseite, d. h. im zweiten Wärmetauscherdurchgang 3.2 mit übersättigtem
Kreislaufmedium versorgt. Das übersättigte Kreislaufmedium
ist nun imstande, das auf der Hochdruckseite, d. h. im ersten Wärmetauscherdurchgang 3.1 des
inneren Wärmetauschers
befindliche bzw. zirkulierende Kreislaufmedium derart abzukühlen, dass
das Kreislaufmedium im Hochdruckbereich beim Drosselungsvorgang
zumindest am Düsenausgang 4e in
der Ejektorpumpe 4 als gesättigte Flüssigkeit vorliegt. Der innere
Wärmetauscher 3 ist
zur Erhöhung
seiner Kühlleistung
hierbei entsprechend dimensioniert, denn das Kreislaufmedium tritt
mit einem hohen Flüssigkeitsanteil
in den inneren Wärmetauscher.
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Aufgrund
der geringen Temperatur des Kreislaufmediums beim Ejektorpumpeneingang 4a ist
es möglich,
während
des gesamten Drosselungsvorgangs einen einphasigen Aggregatszustand
des Treibstrahls des Kreislaufmediums in der Ejektorpumpe 4 zu
haben und zu erhalten. Die Effizienz der Ejektorpumpe 4 ist
somit deutlich verbessert.
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Der
Wärmeaustausch
des Vor-Verdampfers 5 und/oder des Niederdruckwärmetauschers 9 (Niederdruckverdampfer)
kann, wie bereits beschrieben mit der Umgebungsluft in einem Fahrzeuginnenraum geschehen.
Alternativ und/oder zusätzlich
kann jedoch der Vor-Verdampfer 5 und/oder
der Niederdruckwärmetauscher 9 in
wärmeaustauschender
Beziehung mit einem weiteren, externen geschlossenen Kreislauf 52 stattfinden.
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Der
Anteil an flüssigem
Kreislaufmedium ist somit stromabwärts des Akkumulators 6 erhöht (Zustand
K). Ein weiterer Parameter, welcher die jeweils benötigte Menge
an Kreislaufmedium in flüssigem Aggregatszustand
beeinflusst, um die bereits eingehend beschriebene Betriebsweise
des erfindungsgemäßen Klimaanlagenkreislaufs 100 zu
erzielen, ist die Umgebungstemperatur, d. h. die Belastung des Vor-Verdampfers 5 und/oder
des Niederdruckwärmetauschers 9 (Verdampfer).
Bei einer ausgewählten Konfiguration
der erfindungsgemäßen Klimaanlage 100 wurde
herausgefunden, dass der Prozentanteil an flüssigem Kreislaufmedium für den inneren
Wärmetauscher
zur Erzielung oben beschriebener Betriebsweise und Eigenschaften
sich in Abhängigkeit von
der Umgebungstemperatur wie folgt berechnet: Anteil flüssiges Kreislaufmedium
[Massen-%] = 0.0021·(Umgebungstemperatur^2.59)
+/– 10%. 6 zeigt
dazu den Verlauf des benötigten
Massenanteils an flüssigem
Kreislaufmedium in Prozent sowie den Massenstrom des Kreislaufmediums
in Abhängigkeit
von der Umgebungstemperatur in Kilogramm pro Stunde. Es zeigt sich
aus 6, dass der benötigte Massenstrom im Bereich
der Umgebungstemperatur von 20°C
bis 40°C
in etwa linear von 60 kg/h auf 180 kg/h zunimmt.
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Die
Differenz zwischen der Temperatur des Kreislaufmediums an dem stromabwärts liegenden Ausgang
des ersten Wärmetauscherdurchgangs 3.1 des
inneren Wärmetauschers 3 und
der Verdampfungstemperatur am stromabwärts liegenden Ausgang des zweiten
Wärmetauscherdurchgangs 3.2 des
inneren Wärmetauschers 3 liegt
in einem Bereich von 2 K bis 30 K, insbesondere in einem Bereich
von 5 K bis 10 K. Der Wirkungsgrad des inneren Wärmetauschers 3 liegt
im Bereich von 50% bis 90% (Verhältnis
von Erreichter Temperaturdifferenz im Hochdruckbereich, d. h. ersten
Wärmetauscherdurchgang 3.1 zu
Verdampfertemperatur im Niederdruckbereich, d. h. im zweiten Wärmetauscherdurchgang 3.2).
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Die 2 bis 4 zeigen,
auf sie wurde bereits oben an entsprechenden Stellen verwiesen, Enthalpie-Druck-Zustandsdiagramme
für das
Kreislaufmedium während
des Betriebs eines Beispiels der erfindungsgemäßen Klimaanlage 100 bei
Umgebungstemperaturen von 40°C
(2), 30°C
(3) und 20°C
(4). Der Ejektorpumpenkreislauf 100 (Vgl. 1)
wird dabei so betrieben, dass auf der Hochdruckseite des Kältekreislaufs,
d. h. zwischen dem Kompressorausgang 1b und dem Ejektorpumpenhaupteingang 4a ein
Druck von 120 bar vorliegt. Ferner liegt im Niederdruckbereich (zweiter
Wärmetauscherdurchgang 3.2)
eine Verdampfertemperatur von stets 7°C vor.
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Für den Fall
wonach die Umgebungstemperatur 40°C
beträgt
(2) und somit eine hohe Belastung beim Niederdruckwärmetauscher 9 und/oder beim
Vor-Verdampfer 5 vorliegt, wird die Menge an flüssigem Kreislaufmedium
am Eingang bzw. Eintritt des zweiten Wärmetauscherdurchgangs 3.2 des
inneren Wärmetauschers 3,
welcher stromabwärts
des ersten Akkumulatorausgangs 6b (Zustand H) liegt, stark
erhöht
(Zustand K), so dass das auf der Hochdruckseite befindliche Kreislaufmedium
im ersten Wärmetauscherdurchgang 3.1 des
inneren Wärmetauschers 3 durch
Verdampfung des Kreislaufmediums im Niederdruckbereich (zweiter
Wärmetauscherdurchgang 3.2)
abgekühlt
werden kann (Zustände
B nach C). Aufgrund des hohen Flüssigkeitsanteils
auf der Niederdruckseite des inneren Wärmetauschers 3 (Zustand
K) hat die Zunahme an Enthalpie des Kreislaufmediums (Zustande K
nach L) in dem inneren Wärmetauscher 3 keinerlei
Auswirkung auf die Verdichtungsendtemperatur, d. h. die Temperatur
des Kreislaufmediums nach dem Kompressor 1 (Zustand A).
Somit ist auch der Leistungsbedarf des Kompressors 1 verbessert,
d. h. verringert.
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3 zeigt
die Zustandsänderungen
des Kreislaufmediums bei einer Umgebungstemperatur von 30°C. Im Vergleich
zu einer Umgebungstemperatur von 40°C kann hier aufgrund der reduzierten Umgebungstemperatur
der Flüssigkeitsanteil
an Kreislaufmedium für den
Niederdruckbereich 3.2 des inneren Wärmetauschers 3 entsprechend
reduziert werden (Zustand K). Ein Treibstrahl des Kreislaufmediums
in flüssigem
Aggregatszustand zumindest am Düsenausgang 4e in
der Ejektorpumpe (Zustand D) wird dennoch erreicht, da das aus dem
Kondensator oder Gas-Kühler 2 austretende
Kreislaufmedium bereits eine niedrigere Temperatur aufweist. Entsprechendes
gilt für
den Fall, wonach die Umgebungstemperatur 20°C beträgt (Vgl. 4).
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5 zeigt
die Zustandsänderungen
des Kreislaufmediums beim Betrieb eines Ejektorpumpenklimaanlagenkreislaufs
aus dem Stand der Technik. Hierbei zeigt sich deutlich, dass die
Ejektorpumpe mit einem Kreislaufmedium betrieben wird, welches in
zweiphasigem Aggregatszustand (Zustand D) betrieben wird. Das Kreislaufmedium
in gesättigtem
gasförmigen
Zustand am Akkumulatorausgang (Zustand H) und erhält lediglich
einen sehr geringen Flüssigkeitsanteil
aus dem Bodenbereich des Akkumulators (Zustand G). Dieser Flüssigkeitsanteil
hat seine Ursache darin, dass lediglich vermieden werden soll, dass
sich Öl
in dem Akkumulator ansammelt. Auf der Niederdruckseite des inneren
Wärmetauschers
nimmt die Enthalpie des Kreislaufmediums zu (Zustände K nach
L). Mit dieser Enthalpiezunahme ist eine Abkühlung des Kreislaufmediums
auf der Hochdruckseite des inneren Wärmetauschers verbunden (Zustände B nach
C). Die Enthalpie des Kreislaufmediums am Eingang der Ejektorpumpe (Zustand
C) ist jedoch noch derartig hoch, dass beim Drosselungsvorgang das
Kreislaufmedium bis in das Zwei-Phasen-Gebiet überführt wird und bezüglich seines
Aggregatszustands nicht auf der flüssigen Sättigungslinie links des kritischen
Punkts zum stehen kommt. Ein derartiger Ejektorpumpenkreislauf weist
somit im Vergleich zum erfindungsgemäßen Ejektorpumpenkreislauf
hinsichtlich Betriebsweise und Effizienz Defizite auf.
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7 zeigt
einen Ausschnitt eines Beispiels der Übersättigungseinrichtung 7.
Die Übersättigungseinrichtung 7 befindet
sich insbesondere im Inneren des Akkumulators 6 (nicht
in 7 gezeigt – Vgl. 1 und 8).
Die Übersättigungseinrichtung 7 besteht
aus einer Konfiguration von Leitungen für das Kreislaufmedium, welche
Prandt1-Rohr-artig ausgebildet ist und im Folgenden näher beschrieben wird.
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Die Übersättigungseinrichtung 7 besteht
aus der Hauptleitung 7.1 und der Bypassleitung 7.2. Über die
Hauptleitung 7.1 wird einerseits Kreislaufmedium in gesättigtem
gasförmigem
Aggregatszustand als auch in flüssigem
Aggregatszustand angesaugt. In der Bypassleitung 7.2 strömt Kreislaufmedium
in gesättigtem
flüssigem
Aggregatszustand aus dem entsprechenden Reservoir in dem Akkumulator 6 (Vgl. 1 und 8).
Die Funktionsweise bzw. Auswirkungen der Übersättigungseinrichtung für den Betrieb
des Ejektorpumpenkreislaufs 100 wurden bereits oben dargestellt
und werden an dieser Stelle nicht mehr erläutert.
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Die
Hauptleitung 7.1 ist mit der Bypassleitung 7.2 verbunden.
Die Bypassleitung 7.2 besitzt wie die Hauptleitung 7.1 vorteilhaft
beispielsweise einen kreisförmigen
Strömungsquerschnitt.
Die Bypassleitung 7.2 ragt mit ihrem Bypassleitungsausgang 7.2b in
den Strömungsquerschnitt
der Hauptleitung 7.1. Die Bypassleitung 7.2 ist
im Bereich der Hauptleitung 7.1 L-förmig, d. h. abgewinkelt, ausgebildet
und zwar derart, dass der Bypassleitungsausgang 7.2b bzw.
dessen Querschnitt sich stromabwärts
der Hauptleitung 7.1 zum ersten Akkumulatorausgang 6b befindet.
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Im
Bereich der abgewinkelten Bypassleitung 7.2 ist der Strömungsquerschnitt
der Hauptleitung 7.1 zudem stetig auf ein Minimum verringert.
Dies führt
zu einer verbesserten Saugwirkung bezüglich des Kreislaufmediums
in flüssigem
Aggregatszustand.
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8 zeigt
schematisch einen Akkumulator 6, der eine Übersättigungseinrichtung 7 umfasst.
Der Akkumulator 6 ist dabei derart ausgebildet, dass sein Gehäuse im Wesentlichen
einem zylindrischen Behälter ähnlich ist.
Der Akkumulator 6 verfügt über einen
Akkumulatoreingang 6a, einen ersten Akkumulatorausgang 6b und
einen zweiten Akkumulatorausgang 6c. Der zweite Akkumulatorausgang 6c ist
zur Bildung des Nebenkreislaufs (Vgl. 1) mit der Drosseleinrichtung 8,
dem Niederdruckwärmetauscher 9 (nicht
in 8 gezeigt) sowie mit dem Ejektorpumpenseiteneingang 4b verbunden.
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Der
Akkumulatoreingang 6a ist rohrartig ausgebildet und ragt
bis zu einer gewissen Länge
L6a in das Innere des Akkumulators 6. Über den Akkumulatoreingang 6a strömt Kreislaufmedium,
welches optional von einem Vor-Verdampfer 5, in jedem Fall
aber von einem Ejektorpumpenausgang 4c kommt, in das Innere
des Akkumulators 6.
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Der
in 8 gezeigte Akkumulator 6 umfasst ferner
eine Übersättigungseinrichtung 7 in
Gestalt einer Hauptleitung 7.1 und einer Bypassleitung 7.2.
Die Hauptleitung 7.1 ist mit der Bypassleitung 7.2 im
Inneren des Akkumulators 6 kurz vor dem ersten Akkumulatorausgang 6b verbunden.
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Die
Hauptleitung 7.1 ist U-röhrenförmig ausgebildet. An die U-röhrenförmige Gestalt
der Hauptleitung 7.1 fügt
sich ein Abschnitt, welcher zum ersten Akkumulatorausgang 6b hin
im Wesentlichen geradlinig ist. Die Bypassleitung 7.2 ist
im in dem in 8 gezeigten Beispiel im Wesentlichen
geradlinig ausgebildet und im geradlinigen Bereich der Hauptleitung 7.1 mit
der Hauptleitung 7.1 verbunden. Der Bypassleitungsausgang 7.2b bzw.
der Querschnitt liegt quer bezüglich
der Strömung
des Kreislaufmediums in der Hauptleitung 7.1. Wie bereits
anhand 7 dargestellt, kann der Bypassleitungsausgang 7.2b auch
abgewinkelt, beispielsweise rechtwinklig, ausgeführt sein. Die Bypassleitung 7.2 ist
in unmittelbarer Nähe
zur Seitenwand des Akkumulators 6 angeordnet erstreckt
sich entlang der Höhe
H6 des Akkumulators bis kurz vor die innere Bodenfläche 6d des
Akkumulators 6, so dass sich der Bypassleitungseingang 7.2a in
unmittelbarer Nähe
zur inneren Bodenfläche 6d des
Akkumulators 6 befindet. Eventuell sich dort angereichtes Öl kann somit über die Bypassleitung
abgesaugt werden.
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Die
Basis bzw. der Scheitel 7.1a der U-röhrenförmigen Hauptleitung 7.1 der Übersättigungseinrichtung 7 befindet
sich in dem in 8 gezeigten Akkumulator 6 mit Übersättigungseinrichtung 7 in
unmittelbarer Nähe
zur inneren Bodenfläche 6d des
Akkumulators 6. Der Scheitel 7.1a weist an seinem äußeren Ende
eine Öffnung 7.1b auf. Über die Öffnung 7.1b kann Öl und/oder
flüssiges
Kreislaufmedium in die Hauptleitung 7.1 strömen. Die Öffnung 7.1b ist
jedoch üblicherweise
derart hinsichtlich ihres Querschnitts dimensioniert, dass nur ein
sehr geringer Anteil an flüssigem
Kreislaufmedium hindurchströmt.
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Der
Hauptleitungseingang 7.1c befindet sich am Ende eines Schenkels
der U-röhrenförmigen Hauptleitung 7.1 im
Bereich des gasförmigen
Kreislaufmediums. Das Verhältnis
der Querschnittsfläche des
Hauptleitungseingangs 7.1c zur Querschnittsfläche der Öffnung 7.1b liegt
beispielsweise im Bereich von 0.5% bis 10%. Ferner liegt das Verhältnis von Durchflusskapazität der Bypassleitung 7.2 am
Bypassleitungseingang 7.2a zur Durchflusskapazität der Hauptleitung 7.1 beispielsweise
im Bereich zwischen 0.05 bis 0.3.
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Ferner
könnte
der zweite Akkumulatorausgang 6c mit der externen Leitung 7.3 verbunden
sein (nicht in 8 gezeigt), wobei die externe
Leitung 7.3 anstelle der Bypassleitung 7.2 oder
zusätzlich den
zweiten Wärmetauscherdurchgang 3.2 (Niederdruckbereich)
des inneren Wärmetauschers 3 (Vgl. 1)
mit Kreislaufmedium in flüssigem
Aggregatszustand versorgt.
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Denkbar
ist auch eine Vergrößerung der Öffnung 7.1b,
um den Flüssigkeitsanteil
in der Hauptleitung 7.1 zu erhöhen.
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Mit
der oben beschriebenen Erfindung wird eine bezüglich der Arbeitsweise und
Wirtschaftlichkeit optimal arbeitende Klimaanlage bereitgestellt.