DE102009033884A1

DE102009033884A1 - Kühleinrichtung, insbesondere Klimaanlage für Fahrzeuge

Info

Publication number: DE102009033884A1
Application number: DE102009033884A
Authority: DE
Inventors: Florian Schneider; Alexander Dr. Meijering; Nicolas Flahaut
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2009-07-20
Filing date: 2009-07-20
Publication date: 2011-01-27

Abstract

Kühleinrichtung, insbesondere Klimaanlage für Fahrzeuge, mit - einem Kältemittelverdichter, - einem in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Kältemittelverdichter angeordneten Kondensator, - einem nach dem Kondensator angeordneten ersten Verdampfer und - einem parallel zu dem ersten Verdampfer angeordneten zweiten Verdampfer. Die Verdampferleistung des zweiten Verdampfers ist verstellbar.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage weist bekanntlich in Strömungsrichtung des Kältemittels gesehen einen Kältemittelverdichter, einen Kondensator, mindestens ein Expansionsorgan und einen oder mehrere Verdampfer auf. Fahrzeugklimaanlagen mancher Luxusfahrzeuge sind mit zwei Verdampfern ausgestattet, die parallel geschaltet sind, wobei ein Verdampfer dem Frontbereich und der zweite Verdampfer dem Fondbereich des Fahrgastraums zugeordnet ist. ”Zwei-Verdampfersysteme” sind auch von Fahrzeugen bekannt, bei denen der eine Verdampfer zur Kühlung des Fahrgastraums und der andere Verdampfer zur Kühlung elektrischer bzw. elektronischer Komponenten, wie z. B. elektrischer Steuergeräte, elektrische Energiespeicher etc. vorgesehen ist.
Bei ”Mehrverdampfersystemen” weisen die Verdampfer üblicherweise eine ”Priorisierung” auf. Ein Verdampfer, der zur Kühlung von Komponenten vorgesehen ist, die bei unzureichender Kühlung beschädigt bzw. zerstört werden könnten, weist dementsprechend eine höhere Priorität auf als ein Verdampfer, der ”nur” zur Konditionierung der Fahrgastraumtemperatur vorgesehen ist. Eine Priorisierung kann auf verschiedene Weise dargestellt werden:

– Ein niedrig priorisierter Verdampfer kann im kritischen Auslegungspunkt gedrosselt werden, d. h. seine Wärmeübertragungsfähigkeit kann beschränkt werden.
– Der Kältemittelmassenstrom durch einen niedrig priorisierten Verdampfer kann über ein elektrisch ansteuerbares Expansionsorgan gesenkt bzw. erhöht werden.
– Über ein elektrisch ansteuerbares Magnetventil kann der Teilkreis, in dem der niedrig priorisierte Verdampfer angeordnet ist, zu- bzw. abgeschaltet werden. Durch Taktung des Magnetventils kann die effektive Verdampferleistung so gesteuert werden, dass an dem bzw. den höher priorisierten Verdampfern eine hinreichende Verdampferleistung gegeben ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kühleinrichtung, insbesondere eine Klimaanlage für Fahrzeuge mit mindestens zwei Verdampfern zu schaffen, von denen einer höher und der andere niedriger priorisiert ist, wobei der höher priorisierte Verdampfer stets eine hinreichende Verdampferleistung erbringt und gleichzeitig sichergestellt ist, dass eine möglichst hohe Gesamtkühlleistung erreicht wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ausgangspunkt der Erfindung ist eine Kühleinrichtung, insbesondere eine Klimaanlage für Fahrzeuge mit einem Kältemittelverdichter, einen in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Kältemittelverdichter angeordneten Kondensator, einem nach dem Kondensator angeordneten ersten Verdampfer und einem parallel zu dem ersten Verdampfer angeordneten zweiten Verdampfer.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Verdampferleistung des zweiten Verdampfers ”verstellbar” ist. Eine Verstellung der Verdampferleistung kann durch „Verstellen” bzw. Verändern der wärmeübertragenden Fläche erfolgen. Vorzugsweise ist die hierzu erforderliche Verstelleinrichtung ganz oder zumindest teilweise baulich in den zweiten Verdampfer integriert.
Der zweite Verdampfer kann beispielsweise so aufgebaut sein, dass er mehrere (mindestens zwei) parallel geschaltete Verdampferpfade aufweist, von denen mindestens einer zu- oder abgeschaltet werden kann, wodurch die Leistungsfähigkeit des Verdampfers bedarfsgerecht eingestellt werden kann. Wie bereits erwähnt, können die einzelnen Verdampferpfade baulich in eine den zweiten Verdampfer bildende Komponente der Kühleinrichtung integriert sein.
Eine Steuerung der ”Verdampferpfade” kann beispielsweise über ein bzw. mehrere Ventile erfolgen, das bzw. die anhand des Absolutdruckniveaus des Kältemittels öffnen bzw. schließen. Bei höheren Saugdrücken auf der dem Kältemittelverdichter zugewandten Seite des zweiten Verdampfers steht tendenziell eine höhere Kälteleistung im Gesamtsystem zur Verfügung, die dann vom zweiten Verdampfer bedarfsgerecht eingesetzt werden kann.
Alternativ dazu kann die Verdampferleistung auch über ein bzw. mehrere elektrisch angesteuerte Ventile variiert werden. Diese Ventile können dann unabhängig vom Saugdruckniveau gesteuert werden.
1 zeigt in schematischer Darstellung einen Kältemittelkreislauf gemäß der Erfindung.
In Strömungsrichtung des Kältemittels gesehen ist nach einem Verdichter 1 ein Kondensator 2 angeordnet, der Wärmeleistung an die Umgebung abgibt.
Vom Kondensator 2 kommendes verdichtetes Kältemittel wird über ein erstes Expansionsorgan 3 entspannt und strömt über einen ersten Verdampfer 4 zurück zu einer Saugseite 5 des Kältemittelverdichters 1. Parallel zu dem ersten Expansionsorgan 3 und dem ersten Verdampfer 4 geschaltet ist ein zweites Expansionsorgan 6 und ein zweiter Verdampfer 7, dessen Verdampferleistung verstellbar ist.
Der ”schaltbare” zweite Verdampfer 7 ist hier schematisch durch drei Verdampferzweige 8, 9, 10 angedeutet, wobei die Verdampferzweige 8, 10 permanent von Kältemittel durchströmt sind. Demgegenüber ist der Verdampferzweig 9 nur dann von Kältemittel durchströmt, wenn ein ”Überdruckventil” 11, das in Strömungsrichtung gesehen vor dem Verdampferzweig 9 angeordnet ist, geöffnet ist. Der Verdampferzweig 9 wird also nur dann von Kältemittel durchströmt, wenn saugseitig, d. h. an der Saugseite 5 des Kältemittelverdichters 1 ein hinreichend großer Unterdruck (Saugdruck) vorliegt.
Anstatt eines Überdruckventils 11 kann auch ein elektrisch gesteuertes Ventil, z. B. ein Magnetventil, verwendet werden. Selbstverständlich kann der schaltbare Verdampfer 7 auch mehrere schaltbare Verdampferzweige aufweisen.
2 erläutert in schematischer Darstellung die Vorteile einer Kühleinrichtung gemäß der Erfindung.
Auf der Abszisse ist die Außentemperatur bzw. die ”Klimalast” aufgetragen. Auf der Ordinate ist die Kälteleistung der Kühleinrichtung bzw. Klimaanlage aufgetragen.
Die Funktion 12 beschreibt schematisch den Verlauf der theoretisch maximal erbringbaren Gesamtkälteleistung, d. h. der Kälteleistung, wenn zwei in ihrer wärmeübertragenden Fläche variierbare Verdampfer 4, 7 (vgl. 1) mit voller Leistung arbeiten. Die maximal erbringbare Kälteleistung der Kühleinrichtung bzw. Klimaanlage nimmt naturgemäß mit zunehmender Umgebungstemperatur ab, da sich mit zunehmender Umgebungstemperatur u. a. der Wärmeübergang vom Kondensator an die Umgebungsluft verschlechtert.
Umgekehrt nimmt mit zunehmender Umgebungstemperatur die ”Klimalast”, d. h. z. B. die aus dem Fahrgastraum abzuführende Wärmeleistung zu, was schematisch durch die Kurve 13 dargestellt ist.
Die Auslegung der Kühleinrichtung, insbesondere der Verdampfer, erfolgt üblicherweise so, dass auch bei einer angenommenen maximalen Umgebungstemperatur T_max an beiden Verdampfern noch eine hinreichende Verdampferleistung erbracht wird.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass bei einer maximal angenommenen Umgebungstemperatur beide Verdampfer jeweils eine Verdampferleistung von 2000 Watt erbringen, wobei der eine Verdampfer beispielsweise zur Kühlung des Fahrgastraums und der andere Verdampfer zur Kühlung eines elektrischen Energiespeichers, insbesondere einer Batterie, vorgesehen ist. Bei der Batterie kann es sich z. B. um eine Batterie zur Versorgung eines Elektromotors handeln, der zur Erzeugung von Vortrieb vorgesehen ist, d. h. um einen Antriebsmotor des Fahrzeugs, insbesondere um einen Elektromotor eines Hybridfahrzeugs oder eines rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugs.
Bei Umgebungstemperaturen, die kleiner als T_max sind, ist die von der Kühleinrichtung maximal erbringbare Kälteleistung größer als bei der angenommenen maximalen Umgebungstemperatur T_max. Beispielsweise wird bei einer Temperatur T₁ vom Innenraum- bzw. Fahrgastraum-Verdampfer nur eine Verdampferleistung von 1500 Watt abgerufen. Wären beide Verdampfer hinsichtlich ihrer Leistung bzw. hinsichtlich ihrer wärmeübertagenden Fläche unverstellbar, so wäre die bei einer Umgebungstemperatur von T₁ theoretisch erbringbare Kälteleistung nicht abrufbar.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass einer der beiden Verdampfer verstellbar ist, d. h. es kann ein oder können mehrere Verdampferpfade zu- bzw. abgeschaltet werden. Somit können am ersten Verdampfer, bei dem es sich beispielsweise um einen Fahrgastraumverdampfer handelt, bei der Temperatur T₁ 1500 Watt und an dem anderen Verdampfer insgesamt 4000 Watt abgerufen werden, ohne dass sich gleichzeitig die so genannte Überhitzung am Austritt des Verdampfers ändert. Die Überhitzungstemperatur ist die Differenz zwischen der Temperatur des Kältemittels auf der Taulinie und der Austrittstemperatur des Kältemittels aus dem Verdampfer.

Claims

Kühleinrichtung, insbesondere Klimaanlage für Fahrzeuge, mit einem Kältemittelverdichter (1), – einem in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Kältemittelverdichter angeordneten Kondensator (2), – einem nach dem Kondensator angeordneten ersten Verdampfer (4) und – einem parallel zu dem ersten Verdampfer (4) angeordneten zweiten Verdampfer, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampferleistung des zweiten Verdampfers verstellbar ist.
Kühleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verdampfer (7) mindestens einen zu- bzw. abschaltbaren Verdampferpfad (9) aufweist.
Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem mindestens einen zu- bzw. abschaltbaren Verdampferpfad (9) ein zum Zu- bzw. Abschalten vorgesehenes Ventil (11) zugeordnet ist.
Kühleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (11) ein Überdruckventil ist.
Kühleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (11) ein elektrisch ansteuerbares Ventil ist.
Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kondensator (2) und dem ersten Verdampfer (4) ein erstes Expansionsorgan (3) und zwischen dem Kondensator (2) und dem zweiten Verdampfer (7) ein zweites Expansionsorgan (6) vorgesehen ist.
Fahrzeug mit einer Kühleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei einer der beiden Verdampfer zur Kühlung von einem Fahrgastraum zuzuführenden Luft und der andere Verdampfer zur Kühlung eines elektrischen Speichers des Fahrzeugs vorgesehen ist.
Fahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Fahrzeug um ein Hybridfahrzeug oder um ein Elektrofahrzeug handelt.
Fahrzeug nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Speicher ein Speicher ist, welcher einen Elektromotor des Fahrzeugs mit Energie versorgt, welcher zum Antrieb bzw. zur Antriebsunterstützung des Fahrzeugs vorgesehen ist.