DE102011053256A1 - Kältekreislauf zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Kältekreislauf zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug mit einem Kältemittelverdichter (8), der ausgangsseitig mit einer Druckleitung (4) und eingangsseitig mit einer Saugleitung (6) verbunden ist, mit mindestens einem Kondensator (10), mit mindestens einem geregelten Expansionsventil (14), mit mindestens einem Verdampfer (16) und mit mindestens einem inneren Wärmetauscher (12), wobei das geregelte Expansionsventil (14) als Regelgröße eine Temperatur tE in einem Erfassungsbereich (20) des Saugleitung (6) aufweist, wobei der Erfassungsbereich (20) für das geregelte Expansionsventil (14) am Ausgang des inneren Wärmeaustausches (12) angeordnet ist.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Kältekreislauf zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug mit einem Kältemittelverdichter, der ausgangsseitig mit einer Druckleitung und eingangsseitig mit einer Saugleitung verbunden ist, mit mindestens einem Kondensator, mit mindestens einem geregelten Expansionsventil, mit mindestens einem Verdampfer und mit mindestens einem inneren Wärmetauscher, wobei das geregelte Expansionsventil als Regelgröße eine Temperatur tE in einem Erfassungsbereich der Saugleitung aufweist.
- Derartige Kältekreisläufe sind hinlänglich bekannt. Im einfachsten Aufbau eines derartigen Kältekreislaufes verläuft die Druckleitung vom Ausgang des Verdichters durch den Kondensator bis zum Eingang des Expansionsventils. Im Expansionsventil wird der Druck herabgesenkt, so dass am Ausgang des Expansionsventils sich die Saugleitung anschließt, die durch den Verdampfer führt und am Eingang des Verdichters endet. Der Verdichter ändert den Zustand des Kältemittels hinsichtlich Druck und Temperatur. Hierbei ist die Temperatur am Verdichteraustritt höher als die Verflüssigungstemperatur im Kondensator, da das dampfförmige Kältemittel stark überhitzt ist. Am Kondensatoreintritt befindet sich das Kältemittel immer noch im Zustand einer starken Überhitzung. Vom Kondensator wird Wärme an die Umgebung abgegeben, so dass sich am Austritt des Kondensators ein flüssiger Zustand des Kältemittels einstellt, Das Kältemittel hat eine bestimmte Verflüssigungstemperatur und einen bestimmten Verflüssigungsdruck, die als gesättigte Temperatur und gesättigter Druck bezeichnet werden. Am Kondensatoraustritt ist die Flüssigkeit unterkühlt, das heißt, dass sie auf eine niedrigere Temperatur abgekühlt ist als die Sättigungstemperatur. Im Expansionsventil findet eine weitere Änderung des Zustandes des Kältemittels statt. Aufgrund der hier vorgenommenen Drucksenkung fängt das Kältemittel an zu sieden. Am Verdampfereintritt liegt nun ein Mischzustand von flüssigem und dampfförmigem Kältemittel vor. Im Verdampfer nimmt nun das Kältemittel Wärme auf, so dass es am Verdampferaustritt im dampfförmigen Zustand vorliegt und auf diese Weise in der Saugleitung vom Verdichter angesaugt wird. Um eine Beschädigung des Verdichters zu vermeiden, muss das Kältemittel am Verdampferausgang in einem überhitzten, gasförmigen Zustand vorliegen. Eine Maßnahme, um sicherzustellen, dass das Kältemittel in überhitztem Zustand am Ausgang des Verdampfers vorliegt, betrifft die Ausführung des Expansionsventils als geregeltes Expansionsventil. Hierbei weist das Expansionsventil als Regelgröße die Temperatur tE am Ausgang des Verdampfers auf. Befindet sich das Kältemittel dann in einem weit überhitzten Zustand, also mit einer hohen Temperatur tE wird zu wenig Kältemittel in den Verdampfer eingespritzt und der Massedurchfluss des Kältemittels kann erhöht werden. Im umgekehrten Fall verkleinert sich die Ventilöffnung bei fallender Fühlertemperatur im Bezug auf die Temperatur im überhitzten Zustand am Verdampferausgang. Eine Maßnahme zur Wirkungsgradverbesserung bei einem derartigen Kältekreislauf betrifft das Vorsehen eines inneren Wärmetauschers in der Druck- und Saugleitung. Durch diesen inneren Wärmetauscher wird das unter Hochdruck stehende gekühlte Kältemittel zum Expansionsventil und das überhitzte entspannte Kältemittel zum Verdichter geleitet. Hierdurch wird das zu verflüssigende Kältemittel weiter unterkühlt, mit der Folge, dass der Flüssigkeitsanteil des Kältemittels nach der Expansion steigt und somit mehr flüssiges Kältemittel zur Verdampfung zur Verfügung steht. Der innere Wärmetauscher erhöht dadurch die Kälteleistung und auch den Wirkungsgrad des Kältekreislaufs.
- Eine Verbesserung des Wirkungsgrades kann dazu führen, dass die Leistungsaufnahme des Verdichters verringert wird. Dies hat wiederum zur Folge, dass eine Verringerung des Kraftstoffverbrauchs und der Emissionswerte erreicht werden können. Evtl. kann durch die verminderte Leistungsanforderung ein kleinerer Verdichter eingesetzt werden.
- Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Kältekreislauf zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug zu schaffen, der eine weitere Wirkungsgradverbesserung vorsieht.
- Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Erfassungsbereich für das geregelte Expansionsventil am saugseitigen Ausgang des inneren Wärmetauschers angeordnet ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass am Verdichtereingang lediglich gasförmiges Kältemittel vorliegt. Darüber hinaus kann am Verdampferausgang das Kältemittel dagegen noch im mischförmigen / dampfförmigen Zustand vorliegen. Erst nach Durchlauf des inneren Wärmetauschers liegt das Kältemittel im gasförmigen Zustand vor. Auf diese Weise kann das Kältemittel weiter unterkühlt werden, wodurch die Wärmeabgabe im Verdampfer verbessert werden kann, was sich wiederum positiv auf den Wirkungsgrad auswirkt. Darüber hinaus wird durch den erfindungsgemäßen Kältekreislauf gewährleistet, dass die Kühlleistung des Kältemittels homogen über den gesamten Verdampfer verteilt ist, da das Kältemittel im gesamten Verdampferbereich in der Nassdampfphase vorliegt.
- In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das geregelte Expansionsventil als thermostatisches Expansionsventil ausgeführt, das über eine Steuerleitung, die Teil der Saugleitung ist, mit dem Ausgang des inneren Wärmetauschers verbunden ist.
- In einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform ist das geregelte Expansionsventil als thermostatisches Expansionsventil ausgeführt, das eine Fühleranordnung aufweist, dessen Fühler im Erfassungsbereich angeordnet ist.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, hierin zeigen:
-
1 einen schematischen erfindungsgemäßen Kältemittelkreislauf, und -
2 ein vereinfachtes Druck-Enthalpie-Diagramm eines Kältekreislaufes gemäß1 . -
1 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Kältekreislauf und wird nun näher unter Bezugnahme auf das Druck-Enthalpie-Diagramm in2 näher erläutert. Der Kältekreislauf weist eine Druckleitung4 und eine Saugleitung6 auf. Die Druckleitung4 beginnt am Ausgang eines Verdichters8 . Der Verdichter8 verdichtet das Kältemittel auf einen Verflüssigungsdruck PV, was durch eine Zustandsänderung A in2 dargestellt ist. Das Kältemittel wird mit dem Verflüssigungsdruck PV zu einem Kondensator10 geführt, in dem das Kältemittel Wärme abgibt, so dass das Kältemittel am Ausgang des Kondensators10 verflüssigt ist und eine Verflüssigungstemperatur tV aufweist. Diese Zustandsänderung ist in2 mit B gekennzeichnet. - Vom Kondensator
10 wird das Kältemittel zu einem inneren Wärmetauscher12 geführt, in dem das Kältemittel in der Druckleitung4 Wärme an das Kältemittel in der Saugleitung6 abgibt, was durch die Zustandsänderung C im Druck-Enthalpie-Diagramm gekennzeichnet ist. Vom inneren Wärmetauscher12 wird das Kältemittel mit dem Druck PV zum geregelten Expansionsventil14 geführt. Die Regelung des Expansionsventils14 wird weiter unten nach Beschreibung des vollständigen Kältekreislaufes näher verdeutlicht. - Im Expansionsventil
14 ändert sich der Zustand des Kältemittels dahingehend, dass der Druck auf P0 herabgesenkt wird, wobei die Temperatur sich auf eine Temperatur t0 verringert. Das Kältemittel fängt nun an zu sieden und befindet sich nun im so genannten Nassdampfgebiet, was durch die Zustandsänderung D in2 dargestellt ist. - Am Ausgang des Expansionsventils
14 beginnt nun die Saugleitung6 , in der Kältemittel zum Verdampfer16 geführt wird, in dem das Kältemittel weiter verdampft und Wärme aufnimmt. Dies geschieht im Gegensatz zum Stand der Technik bei einer konstanten Temperatur t0 und einem konstanten Druck P0. Am Ausgang17 des Verdampfers16 befindet sich das Kältemittel immer noch im Nassdampfgebiet und nicht, wie beim Stand der Technik üblich, im überhitzten Zustand, in dem die Temperatur bereits erhöht wäre. Der Zustand der Wärmeaufnahme im Verdampfer ist durch E in2 dargestellt. Das Kältemittel durchläuft nun den inneren Wärmetauscher12 , wobei es Wärme des Kältemittels in der Druckleitung4 aufnimmt und damit überhitzt wird, was durch die Zustandsänderung F in2 dargestellt ist. Das Kältemittel wird nun über die Saugleitung6 durch das Expansionsventil14 zum Eingang des Verdichters8 geführt, womit der Kältekreislauf2 abgeschlossen ist. - Der Teil der Saugleitung
6 , der vom Ausgang des inneren Wärmetauschers12 zum Expansionsventil14 führt, kann im vorliegenden Fall auch als Steuerleitung18 für das geregelte Expansionsventil14 bezeichnet werden. Das an sich bekannte Expansionsventil14 ist dabei so aufgebaut, dass es bei einer Temperatur tE = t0 + tX geöffnet ist, wobei die Öffnung und damit der Massendurchsatz des Kältemittels mit größer werdendem tX ebenfalls steigt. - Natürlich ist es auch möglich, die Saugleitung
6 direkt vom inneren Wärmetauscher12 zum Verdichter8 zu führen, wobei eine geeignete Fühleranordnung am Ausgang des inneren Wärmetauschers12 vorgesehen ist, die insbesondere die Temperatur tE am Ausgang des Wärmetauschers auf geeignete Weise zum geregelten Expansionsventil14 überträgt.
Claims (3)
- Kältekreislauf zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug mit einem Kältemittelverdichter (
8 ), der ausgangsseitig mit einer Druckleitung (4 ) und eingangsseitig mit einer Saugleitung (6 ) verbunden ist, mit mindestens einem Kondensator (10 ), mit mindestens einem geregelten Expansionsventil (14 ), mit mindestens einem Verdampfer (16 ) und mit mindestens einem inneren Wärmetauscher (12 ), wobei das geregelte Expansionsventil (14 ) als Regelgröße eine Temperatur tE in einem Erfassungsbereich (20 ) des Saugleitung (6 ) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Erfassungsbereich (20 ) für das geregelte Expansionsventil (14 ) am Ausgang des inneren Wärmeaustausches (12 ) angeordnet ist. - Kältekreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das geregelte Expansionsventil (
12 ) als thermostatisches Expansionsventil ausgeführt ist, das über eine Steuerleitung (18 ), die Teil der Saugleitung (6 ) ist, mit dem Ausgang des inneren Wärmetauschers (12 ) verbunden ist. - Kältekreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das geregelte Expansionsventil (
12 ) als thermostatisches Expansionsventil ausgeführt ist, das eine Fühleranordnung aufweist, dessen Fühler im Erfassungsbereich (20 ) angeordnet ist.
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