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Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage insbesondere für Fahrzeuge, wobei ein Kühlwasserkreislauf zum Kühlen einer Wärmequelle, wie z. B. einer Batterie eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs vorgesehen ist.
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Bei einem Hybrid-Fahrzeug ist es bekannt, die Batterie für den Antrieb des Elektromotors durch einen Wasserkreislauf zu kühlen, wobei das erwärmte Kühlwasser durch Wärmeübertragung mit dem Kältemittel der Klimaanlage gekühlt wird.
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2 zeigt schematisch den Aufbau einer bekannten Vorrichtung. Mit 1 ist der Kältemittelkreislauf der Klimaanlage und mit 2 ein Wasserkreislauf zum Kühlen einer Batterie B bezeichnet. Der Kältemittelkreislauf umfasst einen Kompressor 1.1, einen Kondensator 1.2 und ein Expansionsventil 1.3, an das ein Verdampfer 1.4 angeschlossen ist, von dem aus das Kältemittel in einen Akkumulator 1.5 strömt, bevor es wieder vom Kompressor 1.1 angesaugt wird.
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Der Wasserkreislauf 2 zum Kühlen der Batterie B führt durch einen Wärmeübertrager 3, der über eine Abzweigleitung 1.6 des Kältemittelkreislaufs von Kältemittel durchströmt wird, um das erwärmte Kühlwasser des Wasserkreislaufs 2 zu kühlen. In der Abzweigleitung 1.6 ist ein Absperrventil 1.7 und ein gesondertes Expansionsventil 1.8 vorgesehen, das parallel zu dem Expansionsventil 1.3 und dem Verdampfer 1.4 des Kältemittelkreises angeordnet ist. Mit 2.1 ist eine Umwälzpumpe im Wasserkreislauf bezeichnet.
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Dieser bekannte Aufbau nach 2 ist aufwendig hinsichtlich Leitungsführung und zusätzlichem Expansionsventil 1.8 sowie Absperrventil 1.7. Hinzu kommt, dass eine ungleiche Lastverteilung am Verdampfer 1.4 durch den Wärmeübertrager 3 bei diesem Aufbau zu einer unerwünschten Überhitzung des Kältemittels führen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung dieser Art zu vereinfachen. Zusätzlich soll die Effizienz der Vorrichtung verbessert werden.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Wärmeübertragung zwischen Kältemittel und Kühlmittel (Wasser) an oder in dem im Kältemittelkreis vorhandenen Akkumulator vorgenommen wird.
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Hierdurch wird eine wesentliche Verringerung des apparativen Aufwands erreicht, weil keine gesonderte Leitungsführung mit gesonderten Ventilen erforderlich ist.
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Hinzu kommt, dass durch die Wärmeübertragung im oder am Akkumulator eine bessere Anpassung des Kältekreises an die verschiedenen Lastzustände möglich ist.
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Im Einzelnen wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Kühlen eines Kühlmittels eines Kühlmittelkreislaufs einer Abwärme erzeugenden Einrichtung mittels des durch einen Kältemittelkreislauf strömenden Kältemittels vorgesehen, das einen Verdampfer und einen Akkumulator zum Sammeln und Trennen von flüssigem und dampfförmigem Kältemittel durchströmt, wobei die Wärmeübertragung zwischen Kühlmittel des Kühlmittelkreises und Kältemittel des Kältemittelkreises am oder im Akkumulator des Kältemittelkreises vorgenommen wird. Hierbei kann das Kühlmittel von außen in wärmeleitendem Kontakt mit dem Akkumulator die Wärme auf das Kältemittel im Akkumulator oder auf das in den Akkumulator einströmende Kältemittel übertragen. Eine kompaktere Bauform ergibt sich durch eine Wärmeübertragung innerhalb des Akkumulators, wobei das Kühlmittel durch das Kältemittel im Akkumulator geleitet wird.
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Das Verfahren kann zum Kühlen der Batterie für den Antrieb eines Elektromotors eines Elektro- oder Hybrid-Fahrzeugs und/oder weiterer elektrischer Bauteile in vorteilhafter Weise verwendet werden. Es ist aber auch möglich, den Kühlmittelkreislauf als Wärmequelle für eine Wärmepumpe zu verwenden, wobei eine Wärmepumpenanlage auch mit dem Kühlmittelkreislauf zum Kühlen einer Batterie und/oder anderer elektrischer Bauteile kombiniert werden kann.
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Dem dampfförmigen Kältemittel wird flüssiges Kältemittel zum Einstellen des Verhältnisses von flüssigem zu dampfförmigem Kältemittel zugeführt, wobei vorteilhafter Weise die Erwärmung des Kältemittels durch das warme Kühlmittel vor der Mischung von flüssigem und dampfförmigen Kältemittel vorgenommen wird, um eine höhere Effizienz des Kältemittelkreislaufs zu erreichen.
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Bei einer Vorrichtung umfassend einen Kältemittelkreislauf mit einem Akkumulator und einen Kühlmittelkreislauf mit einer Wärmequelle, bei der das Kühlmittel durch das Kältemittel gekühlt wird, wird erfindungsgemäß ein Wärmeübertrager zum Kühlen des durch den Kühlmittelkreislauf strömenden Kühlmittels vorgesehen, der in dem Akkumulator oder an dem Akkumulator in wärmeleitendem Kontakt mit diesem angeordnet werden kann.
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Die Erfindung wird beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
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1 schematisch den Aufbau der Vorrichtung nach der Erfindung,
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2 einen bekannten Aufbau der Vorrichtung,
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3 eine schematische Darstellung des Akkumulators bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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4 eine schematische Darstellung einer möglichen Bauform des Akkumulators, und
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5 eine schematische Darstellung einer Wärmepumpenanlage,
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6 eine weitere Ausführungsform.
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1 zeigt in der schematischen Darstellung der 2 den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die sich von dem Aufbau nach 2 dadurch unterscheidet, dass bei dem Ausführungsbeispiel in 1 in dem Akkumulator 5 des Kältemittelkreises 1 ein Wärmeübertrager 20 zum Kühlen des Kühlmittels des Wasser- bzw. Kühlmittelkreislaufs 2 ausgebildet ist.
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3 zeigt schematisch einen Aufbau des Akkumulators 5, in dem im Bereich des flüssigen Kältemittels 10 der Wärmeübertrager 20 angeordnet ist, der vom Kühlmittel bzw. Wasser des Kühlmittelkreislaufs 2 durchströmt wird, sodass das warm zuströmende Kühlmittel den Akkumulator 5 in kaltem Zustand zum Kühlen der Batterie B verlässt.
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Im Einzelnen ist bei 5.1 der Kältemitteleinlass und mit 5.2 eine U-förmig durch das flüssige Kältemittel 10 geführte Leitung bezeichnet, deren Mündungsöffnung 5.3 im Dampfbereich über dem flüssigen Kältemittel liegt, sodass nun dampfförmiges Kältemittel in die Leitung 5.2 einströmen kann. Das dampfförmige Kältemittel wird vom Kompressor 1.1 angesaugt und tritt bei 5.4 aus dem Akkumulator 5 aus.
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Am Kältemitteleintritt 5.1 strömt vom Verdampfer 1.4 dampförmiges und flüssiges Kältemittel in den Akkumulator 5, wobei das Verhältnis zwischen Dampf und Flüssigkeit variabel ist und vom Dampfanteil abhängt, der durch Sieden des Kältemittels im Akkumulator 5 erzeugt wird, wie durch Dampfblasen 10.1 angedeutet ist.
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Am Austritt 5.4 des Akkumulators 5 wird ein festes Verhältnis von Dampf und Flüssigkeit verlangt. Beispielsweise soll das Verhältnis 95% Dampf zu 5% Flüssigkeit betragen. Um dieses festgelegte Verhältnis einzustellen, ist im Bereich des flüssigen Kältemittels 10 an der Leitung 5.2 eine Zuführeinrichtung 5.21 vorgesehen, mittels der in vorgegebener Weise flüssiges Kältemittel dem durch die Leitung 5.2 strömenden Kältemitteldampf zugeführt wird.
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Bei E ist in 3 die mögliche Kühlung weiterer beispielsweise elektrischer Bauelemente durch den Wasser- bzw. Kühlmittelkreislauf 2 angedeutet. Insbesondere wenn die Abwärme der Batterie B als Wärmequelle für eine Wärmepumpe verwendet wird, wird vorzugsweise auch die Abwärme anderer elektrischer Bauteile E als Wärmequelle verwendet.
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Der in 3 nur angedeutete Wärmeübertrager 20 kann den in 4 wiedergegebenen Aufbau haben. Eine spiralförmig angeordnete Leitungsführung 20.1 verläuft zwischen einem Wassereintritt 2.2 und einem Wasserauslass 2.3. Die Leitung 5.2 für das Kältemittel ist in Form von konzentrisch zueinander angeordneten Rohrabschnitten wiedergegeben. 5a zeigt schematisch einen Querschnitt bei A-A in 5. Der Akkumulator 5 in 4 kann beispielsweise einen Durchmesser von 80 bis 100 mm haben. Bei dieser Ausgestaltung kann der Wärmeübertrager 20 auch eine andere Leitungsführung innerhalb des Akkumulators 5 haben, ohne dass die Leitung 5.2 vom Wärmeübertrager 20 umgeben ist.
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Mit x1 und x2 ist in 4 die Dampfqualität am Eintritt und am Austritt des Akkumulators 5 bezeichnet.
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Bei der Ausgestaltung nach 3 und 4 wird die Wärmezufuhr in das Kältemittel 10 durch das warme Kühlmittel vor der Mischung von Flüssigkeit und Gas an der Zuführeinrichtung 5.21 vorgenommen. Dadurch wird sichergestellt, dass der Austrittszustand des Kältemittels am Akkumulator 5 weitgehend konstant bleibt und der vorgegebenen Einstellung von z. B. 5% Flüssigkeit und 95% Gas bzw. Dampf entspricht, während der Eintrittsdampfgehalt variabel ist. Es ist möglich, die Wärmezufuhr in das Kältemittel im Akkumulator nach der Vermischung von flüssigem und gasförmigem Kältemittel vorzunehmen. In diesem Falle ist der Eintrittszustand x1 des Kältemittels in den Akkumulator konstant und der Austrittszustand x2 variabel. Der Vorteil einer gleichmäßigen Verteilung der Leistung zwischen Verdampfer 1.4 und Wärmeübertrager 20 ist dann aber nur bedingt gegeben.
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Bei der bekannten Vorrichtung nach 2 muß der Kältemittelmassenstrom durch ein Regelorgan 1.8 aktiv an die zur Verfügung stehende Leistung angepasst werden, wodurch Aufwand und Kosten entstehen, oder es muss bei Verwendung einer einfachen Drossel 1.8 eine ungleichmäßige Kältemittelverteilung in Kauf genommen werden. Durch die erfindungsgemäße Wärmeübertragung an oder im Akkumulator 5 wird eine selbsttätige Einstellung der Dampfqualität x1 zwischen den beiden Wärmeübertragern 1.4 und 20 erreicht. Die Kältemittelenthalpiedifferenzen in den beiden Wärmeübertragern werden so proportional zu den Wärmeübertragerleistungen aufgeteilt.
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Anstelle der schematisch wiedergegebenen Erwärmung des flüssigen Kältemittels innerhalb des Akkumulators 5 kann auch eine Wärmeübertragung zwischen warmen Kühlmittel und Akkumulator 5 beispielsweise derart vorgesehen sein, dass das warme Kühlmittel den Akkumulator 5 umströmt. In diesem Falle ist der Wärmeübertrager 20 am Akkumulator bzw. an der Außenseite des Akkumulators 5 in wärmeleitendem Kontakt mit diesem vorgesehen sein, sodass das Kältemittel im Akkumulator 5 von außen vom Kühlmittel erwärmt wird.
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Die Wärme des warmen Kühlmittels kann dem Kältemittel auch im Bereich des in den Akkumulator 5 eintretenden Kältemittels zugeführt werden, sodass die im eintretenden Kältemittel enthaltenen Flüssigkeitströpfchen verdampfen. Bei einer solchen Ausgestaltung erfolgt die Wärmezufuhr nicht in der Flüssigkeitsphase 10 des Akkumulators 5 sondern im Bereich des in den Akkumulator eintretenden Kältemittels. Bei einer solchen Ausgestaltung wird der Wärmeübertrager 20 auch am Akkumulator 5 im Eintrittsbereich des Kältemittels vorgesehen.
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6 zeigt schematisch eine Ausführungsform in der Darstellung der 3, bei der der Wärmeübertrager 20 am Eintritt des Kältemittels in den Akkumulator 5 angeordnet ist, sodass die Wärmezufuhr in das mit Flüssigkeitströpfchen 10.2 durchsetzte gasförmige Kältemittel durch das warme Kühlmittel vor der Mischung von Flüssigkeit und Gas an der Zuführeinrichtung 5.21 erfolgt, um den zuvor geschilderten Vorteil zu erhalten, dass der Austrittszustand x2 des Kältemittels am Akkumulator 5 weitgehend konstant bleibt.
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Der Wärmeübertrager 20 befindet sich in 6 am Akkumulator 5 an dessen Einlassbereich 5.1 außerhalb des Akkumulators 5. Es ist aber auch möglich, dass sich der Wärmeübertrager 20 im Einlassbereich des Kältemittels in den Akkumulator 5 hineinerstreckt oder auch innerhalb des Akkumulators 5 am Eintritt des mit Flüssigkeitströpfchen 10.2 durchsetzten gasförmigen Kältemittels angeordnet ist.
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Durch Erwärmen des Kältemittels im oder am Akkumulator 5 durch Kühlen des Kühlmittels des Kühlmittelkreises 2, wird die Dampfqualität am Einlass 5.1 bei x1 variabel und sie stellt sich aufgrund der Last in dem Wärmeübertrager 20 selbsttätig ein.
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Die beschriebene Integration eines Wärmeübertrager 20 in den Akkumulator 5 eines Kältemittelkreises 1 oder eine Kombination von Wärmeübertrager 20 und Akkumulator 5, bei der der Wärmeübertrager 20 außerhalb des Akkumulators 5 angeordnet ist, ist nicht nur zum Kühlen einer Batterie geeignet, sondern auch zum Kühlen eines Kühlmittels das in einer Wärmepumpe als Wärmequelle dient. Mit anderen Worten kann anstelle der Batterie B auch eine andere Wärmequelle vorhanden sein. Auch kann eine Wärmepumpe mit dem Kühlmittelkreislauf 2 zum Kühlen einer Batterie B und/oder elektrischer Elemente E vorgesehen werden.
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5 zeigt schematisch eine Klimaanlage mit einem Wärmepumpenkreislauf, wobei mit E eine Wärmequelle in dem Wasser- bzw. Kühlmittelkreislauf 2 angedeutet ist.
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Mit 6 ist ein Umschaltventil zwischen einem Teilkreis 1a, in dem der Kompressor 1.1 und der Akkumulator 5 angeordnet ist, und einem Teilkreis 1b bezeichnet, in dem der Kondensator 1.2, das Expansionsventil 1.3 und der Verdampfer 1.4 angeordnet sind. In der dargestellten Stellung des Umschaltventils 6 sind die beiden Teilkreise 1a und 1b wie in der Darstellung der 1 miteinander verbunden, während in der durch gepunktete Linien wiedergegebenen Umschaltstellung des Umschaltventils 6 der Verdampfer 1.4 als Kondensator und der Kondensator 1.2 als Verdampfer wirkt, sodass die Funktion des Kältemittelkreislaufs 1 in 1 umgekehrt wird.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung in Verbindung mit einer Wärmepumpe kann auch bei einem konventionellen Fahrzeug vorgesehen werden, wobei die in 5 bei E wiedergegebene Wärmequelle ein sich erwärmendes Element des Fahrzeugs sein kann.
