DE102015215955A1

DE102015215955A1 - Klimatisierungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug und Verfahren zu deren Betrieb

Info

Publication number: DE102015215955A1
Application number: DE102015215955.8A
Authority: DE
Inventors: Jan-Christoph Albrecht; Carsten Wachsmuth
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-08-20
Filing date: 2015-08-20
Publication date: 2017-03-09

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Klimatisierungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Kältemittelkreis, umfassend – einen Kompressor (16), mittels dessen gasförmiges Kältemittel komprimierbar ist, – einen dem Kompressor (16) kältemittelseitig nachgeschalteten, als Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildeten Kondensator oder Gaskühler (18), der in thermischem Kontakt zur Luft in einer Fahrgastzelle (12) des Kraftfahrzeugs steht, – ein dem Kondensator oder Gaskühler (18) kältemittelseitig nachgeschaltetes, erstes Expansionsorgan (20), mittels dessen das im Kondensator oder Gaskühler (18) verflüssigte oder gekühlte Kältemittel entspannbar ist, und – einen dem ersten Expansionsorgan (20) kältemittelseitig nachgeschalteten, als Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildeten und im Vorderwagen (14) des Kraftfahrzeugs in thermischem Kontakt zur Außenluft (28) angeordneten ersten Verdampfer (22). Die Erfindung zeichnet sich aus durch einen als Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildeten und sowohl luftseitig als auch kältemittelseitig dem ersten Verdampfer (22) nachgeschalteten und im Vorderwagen (14) des Kraftfahrzeugs angeordneten zweiten Verdampfer (26), wobei kältemittelseitig zwischen dem ersten Verdampfer (22) und dem zweiten Verdampfer (26) ein zweites Expansionsorgan (24) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Klimatisierungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Kältemittelkreis, umfassend

– einen Kompressor, mittels dessen gasförmiges Kältemittel komprimierbar ist,
– einen dem Kompressor kältemittelseitig nachgeschalteten, als Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildeten Kondensator oder Gaskühler, der in thermischem Kontakt zur Luft in einer Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs steht,
– ein dem Kondensator oder Gaskühler kältemittelseitig nachgeschaltetes, erstes Expansionsorgan, mittels dessen das im Kondensator oder Gaskühler verflüssigte oder gekühlte Kältemittel entspannbar ist, und
– einen dem ersten Expansionsorgan kältemittelseitig nachgeschalteten, als Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildeten und im Vorderwagen des Kraftfahrzeugs in thermischem Kontakt zur Außenluft angeordneten ersten Verdampfer.

Die Erfindung betrifft weiter verschiedene Verfahren zum Betrieb einer derartigen Klimatisierungsvorrichtung.
„_Dialoge – das Audi-Technologiemagazin" Ausgabe 1/2013, Seite 56 beschreibt, zur Heizung eines abwärmearmen Elektrofahrzeugs einen Kältemittelkreis im Wärmepumpen-Modus zu betreiben. Der Kältemittelkreis umfasst in üblicher Weise einen Kompressor, einen Kondensator bzw. Gaskühler, ein Expansionsorgan und einen Verdampfer, die in der genannten Reihenfolge einander kältemittelseitig nachgeschaltet sind. Der Kondensator ist dabei in der Fahrgastzelle bzw. in thermischem Kontakt mit dieser angeordnet, wohingegen der Verdampfer im Vorderwagen und insbesondere im thermischen Kontakt mit der Außenluft angeordnet ist. Im Kompressor verdichtetes und dabei erhitztes Kältemittel durchströmt den Kondensator/Gaskühler, der luftseitig von in die Fahrgastzelle geleiteter Umluft oder Frischluft durchströmt wird. Das Kältemittel wird dabei verflüssigt und/oder abgekühlt. Das verflüssigte/abgekühlte Kältemittel wird im nachgeschalteten Entspannungsorgan entspannt und kann anschließend im Verdampfer wenigstens teilweise verdampft werden. Da der Verdampfer luftseitig von Außenluft durchströmt wird, nimmt das Kältemittel während des Verdampfungsprozesses Wärme aus der Umgebung auf, die dann zusätzlich zur mechanischen Arbeit des Kompressors der Fahrgastzelle zugeführt werden kann. Dabei ist es einerseits erforderlich, dass der Verdampfer möglichst bei einer Arbeitstemperatur, d.h. mit einer räumlich über die Verdampferausgangsfläche gemittelten, luftseitigen Verdampfer-Ausgangstemperatur, betrieben wird, die unterhalb der Außentemperatur liegt. Andererseits ist jedoch der Bedarf nach einer Heizung der Fahrgastzelle insbesondere bei niedrigen Außentemperaturen gegeben. Daher wird es als günstig angesehen, wenn der Verdampfer bei sehr niedrigen Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen unter 0°C betrieben wird. Hieraus resultiert jedoch der Nachteil, dass die in der Außenluft enthaltene Feuchtigkeit und/oder Gischt der Straße und/oder Regen am Verdampfer ausfriert. Geschieht dies, muss der Verdampfer abgetaut werden. Der Abtauprozess ist mit unerwünschtem Energieeinsatz verbunden. Zudem hat der Benutzer des Fahrzeugs während des Abtauvorgangs klimatische Komforteinschränkungen hinzunehmen. Es ist daher wünschenswert, die sogenannten Vereisungsintervalle, d.h. die Zeiträume zwischen zwei Abtauvorgängen, möglichst zu strecken.
Für in thermischem Kontakt mit der Fahrgastzelle stehende Verdampfer ist es zur extremen Kühlung der Fahrgastzelle aus der DE 10 2014 207 278 A1 bekannt, zwei Verdampfer luftseitig hintereinander anzuordnen und den vorgeschalteten Verdampfer als Entfeuchtungsverdampfer bei Temperaturen über 0°C und den luftseitig nachgeschalteten Verdampfer als eigentlichen Kühlverdampfer bei Temperaturen unter 0°C zu betreiben.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Klimatisierungsvorrichtung derart weiterzubilden, dass die Vereisungsintervalle verlängert werden können.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 gelöst durch einen als Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildeten und sowohl luftseitig als auch kältemittelseitig dem ersten Verdampfer nachgeschalteten und im Vorderwagen des Kraftfahrzeugs angeordneten zweiten Verdampfer, wobei kältemittelseitig zwischen dem ersten Verdampfer und dem zweiten Verdampfer ein zweites Expansionsorgan angeordnet ist.
Weiter werden günstige Betriebsverfahren zum Betrieb einer derartigen Klimatisierungsvorrichtung angegeben.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Die Erfindung folgt zunächst der im Grunde bekannten Idee einer zweistufigen Verdampferanordnung, wobei jedoch die Verdampfereinheiten nicht nur luftseitig, sondern auch kältemittelseitig einander nachgeschaltet sind und wobei mittels eines zwischen den Verdampfereinheiten angeordneten, zusätzlichen Expansionsorgans die Arbeitstemperaturen der einzelnen Verdampfereinheiten sehr genau eingestellt und auf die jeweiligen Erfordernisse des Einzelfalls angepasst werden können. Als besonders vorteilhaft haben sich steuerbare Expansionsventile als Expansionsorgane bewährt. Hierunter seinen im Kontext der vorliegenden Beschreibung sowohl beliebig ansteuerbare, als auch sogenannte thermische Expansionsventile, die eine bauartbedingte, temperaturabhängige Steuerbarkeit enthalten, verstanden.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung liegt darin, dass der erste Verdampfer bei Temperaturen über 0°C betrieben werden kann und die Außenluft bereits entfeuchtet, ohne dass an ihm die Gefahr eines Einfrierens besteht, während der vorentfeuchteten Luft im zweiten, bei unter 0°C betriebenen Verdampfer weitere Wärme entzogen werden kann, die dann nachfolgend zur Aufheizung der Fahrgastzelle genutzt werden kann. Durch die Vorentfeuchtung der Luft friert der zweite Verdampfer deutlich langsamer zu, als dies ein einstufiger, bei Temperaturen unter 0°C betriebener Verdampfer tun würde, sodass die Vereisungsintervalle insgesamt gestreckt und die Anzahl der erforderlichen Abtauprozesse reduziert werden können. Mit anderen Worten wird eine erfindungsgemäße Klimatisierungsvorrichtung bevorzugt betrieben mittels eines Verfahrens bei dem

– gasförmiges Kältemittel im Kompressor komprimiert wird,
– das komprimierte Kältemittel im Kondensator oder Gaskühler verflüssigt oder gekühlt wird,
– das verflüssigte oder gekühlte Kältemittel im ersten Expansionsventil entspannt wird,
– das entspannte Kältemittel im ersten Verdampfer teilweise verdampft wird,
– das teilweise verdampfte Kältemittel im zweiten Expansionsventil weiter entspannt wird und
– das weiter entspannte Kältemittel im zweiten Verdampfer weiter verdampft wird,

Es ist jedoch nicht zwingend erforderlich, den ersten Verdampfer bei Temperaturen über 0°C zu betreiben. So hat sich herausgestellt, dass sich in Fällen, in denen die Arbeitstemperatur des Verdampfers die Außentemperatur nur geringfügig unterschreitet ein Einfrieren des Verdampfers erst mit deutlicher Verzögerung erfolgt. So werden zur Streckung der Vereisungsintervalle bekannte, einstufige Verdampferanordnungen oft bei Arbeitstemperaturen betrieben, die nur ca. 2–5°C unter der Außentemperatur liegen. Dies reduziert zwar die Leistung des Wärmepumpenprozesses, verhindert jedoch ein verfrühtes Vereisen des Verdampfers. Bei einer Verfahrensvariante ist daher vorgesehen, die erfindungsgemäße Klimatisierungsvorrichtung mittels eines Verfahrens zu betreiben, bei dem

– gasförmiges Kältemittel im Kompressor komprimiert wird,
– das komprimierte Kältemittel im Kondensator oder Gaskühler verflüssigt oder gekühlt wird,
– das verflüssigte oder gekühlte Kältemittel im ersten Expansionsventil entspannt wird,
– das entspannte Kältemittel im ersten Verdampfer teilweise verdampft wird,
– das teilweise verdampfte Kältemittel im zweiten Expansionsventil weiter entspannt wird und
– das weiter entspannte Kältemittel im zweiten Verdampfer weiter verdampft wird, wobei bei einer Außentemperatur unterhalb von 8 bis 10°C das erste Expansionsventil so eingestellt wird, dass die Arbeitstemperatur des ersten Verdampfers 2 bis 5 K unterhalb der Außentemperatur liegt, und das zweite Expansionsventil so eingestellt wird, dass die Arbeitstemperatur des zweiten Verdampfers 2 bis 5 K unterhalb der luftseitigen Ausgangstemperatur des ersten Verdampfers liegt.

Dieses Verfahren folgt dem zuvor angedeuteten Ansatz des Betriebs jedes Verdampfers bei einer Arbeitstemperatur, die nur geringfügig unterhalb der Temperatur der ihn durchströmenden Luft liegt, wobei jedoch durch die Zweistufigkeit insgesamt eine größere Temperaturdifferenz zur Außentemperatur hergestellt und daher die Effizienz des Wärmepumpenprozess gegenüber einer einstufigen Verdampferanordnung gesteigert werden kann.
Allerdings ist auch bei der erfindungsgemäßen Klimatisierungsvorrichtung eine Vereisung wenigstens einer der Verdampfer auf Dauer nicht vermeidbar. Um den Abtauprozess möglichst effizient zu gestalten, wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem

– gasförmiges Kältemittel im Kompressor komprimiert wird,
– das komprimierte Kältemittel im Kondensator oder Gaskühler verflüssigt oder gekühlt wird,
– das verflüssigte oder gekühlte Kältemittel im zweiten Expansionsventil entspannt wird,
– das entspannte Kältemittel im zweiten Verdampfer wenigstens teilweise verdampft wird,

Durch die im Wesentlichen vollständige Öffnung des ersten Expansionsventils erfolgt hier praktisch kein oder nur ein sehr geringer Druckverlust. Der erste Verdampfer wird somit von dem heißen Kältemittel aus dem Kondensator/Gaskühler durchströmt. Der erste Verdampfer wirkt bei diesem Betriebsmodus sozusagen als eine Verlängerung des Kondensators/Gaskühlers, d.h. er wirkt selbst als Kondensator/Gaskühler, der Wärme an die ihr durchströmende Luft abgibt. Durch seine Durchströmung mit heißem Kältemittel wird seine eigene Abtauung bewirkt. Durch Aufheizung der ihn durchströmenden Luft (auf über 0°C) wird der von der erwärmten Luft durchströmte, zweite Verdampfer abgetaut. Dabei ist es günstig, im zweiten Verdampfer durch geeignete Einstellung des zweiten Expansionsventils die Verdampfung des Kältemittels aufrecht zu erhalten, sodass Wärme aus der den zweiten Verdampfer durchströmenden Luft zurückgewonnen werden kann.
Der Fachmann wird verstehen, dass der genaue Zeitpunkt, zu dem eine solche Verfahrensvariante eingeleitet wird, von unterschiedlichen Kriterien abhängig gemacht werden kann. Insbesondere empfiehlt es sich, den Abtauprozess vorwiegend bei nur geringer Durchströmung der Verdampfer mit kalter Außenluft, d.h. insbesondere bei niedrigen Fahrtgeschwindigkeiten, z.B. unterhalb einer vorgegebenen Grenzgeschwindigkeit, einzuleiten. Eine starke Durchströmung mit kalter Außenluft würde die zur Abtauung erforderliche Zeitspanne unerwünschterweise verlängern.
In der obigen Beschreibung wird lediglich der Heizfall, auf den die vorliegende Erfindung in der Tat fokussiert ist, erläutert. Es ist jedoch selbstverständlich möglich, die erfindungsgemäße Klimatisierungsvorrichtung um Elemente zu erweitern, die auch eine Kühlung der Fahrgastzelle ermöglichen. Hierzu sind dem Fachmann etliche Möglichkeiten an die Hand gegeben. So ist es bei einer Weiterbildung der Erfindung möglich, einen dritten Verdampfer vorzusehen, der mit der Luft in der Fahrgastzelle in thermischem Kontakt steht, insbesondere in der Fahrgastzelle angeordnet ist. Dieser kann kältemittelseitig dem zweiten Verdampfer nachgeschaltet sein. Insbesondere in Fällen, in denen zwischen dem zweiten Verdampfer und dem dritten Verdampfer kein separates Entspannungsorgan angeordnet ist, wird der dritte Verdampfer im Wesentlichen bei derselben Arbeitstemperatur wie der zweite Verdampfer betreibbar sein. Er kann dabei als Entfeuchter für die Innenraumluft dienen, die nach Durchströmen des dritten Verdampfers den Kondensator als Gegenheizer durchströmen kann. Durch geeignete Anordnung und Betätigung von Luftleit- und Mischklappen kann auf diese Weise sehr präzise ein gewünschtes Fahrgastzellenklima eingestellt werden.
Denkbar ist selbstverständlich auch, eine zweistufige Verdampferanordnung in thermischem Kontakt mit der Luft in der Fahrgastzelle, insbesondere in der Fahrgastzelle, anzuordnen. Dies würde im Wesentlichen eine Erweiterung der erfindungsgemäßen Klimatisierungsvorrichtung um eine aus der DE 10 2014 207 278 A1 bekannte Klimatisierungsvorrichtung bedeuten. Es hat sich als günstig erwiesen, diese, hier als Innenverdampfer-Anordnung bezeichnete Anordnung aus einem dritten und einem vierten Verdampfer parallel zu der hier als Außenverdampfer-Anordnung bezeichneten Anordnung aus erstem und zweiten Verdampfer zu schalten. Hierzu verzweigt die Kältemittelleitung hinter dem Kondensator einerseits zum ersten Verdampfer und andererseits zum dritten Verdampfer. Dem dritten Verdampfer kältemittelseitig und luftseitig nachgeschaltet ist der vierte Verdampfer, wobei zwischen drittem und vierten Verdampfer ein zusätzliches Expansionsorgan, insbesondere ein steuerbares Expansionsventil, angeordnet ist. Der kältemittelseitige Ausgang des vierten Verdampfers ist dann, ebenso wie der Ausgang des zweiten Verdampfers, mit dem saugseitigen Eingang des Kompressors verbunden.
Bezüglich der Kältemittelstrom-Regulierung lassen sich bei dieser Weiterbildung der Erfindung zwei Varianten unterscheiden. Bei einer ersten Variante ist das erste Expansionsorgan vor der erläuterten Verzweigung der Kältemittelleitung einerseits zum ersten Verdampfer und andererseits zum dritten Verdampfer angeordnet. Mit anderen Worten ist vorgesehen, dass das erste Expansionsventil in einem sowohl dem ersten als auch dem dritten Verdampfer kältemittelseitig unmittelbar vorgeschalteten, gemeinsamen Kältemittelleitungsabschnitt angeordnet ist. Bei einer zweiten Variante ist vorgesehen, dass das erste Expansionsventil in einem nur dem ersten Verdampfer kältemittelseitig unmittelbar vorgeschalteten Kältemittelleitungsabschnitt angeordnet ist und ein viertes Expansionsventil in einem nur dem dritten Verdampfer kältemittelseitig unmittelbar vorgeschalteten Kältemittelleitungsabschnitt angeordnet ist. Dies ist zwar apparativ und steuerungstechnisch aufwendiger, erlaubt aber eine unabhängige Steuerung von Außen- und Innenverdampfer-Anordnung.
Der Fachmann wird verstehen, dass die oben für den Heizfall anhand des ersten und zweiten Verdampfers erläuterten Betriebsverfahren mutatis mutandum auch im Kühlfall für den dritten und vierten Verdampfer anwendbar sind. Der Fachmann wird weiter verstehen, dass, wenn hier jeweils von einzelnen „Verdampfern“ die Rede ist, es sich nicht zwingend um voneinander getrennte Geräte handeln muss. Vielmehr können unterschiedlich mit Kältemittel beschickbare, komplexe Bauelemente realisiert sein, die die oben erläuterten Funktionen erfüllen. Insofern ist der Begriff des Verdampfers hier in erster Linie funktional zu verstehen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Klimatisierungsvorrichtung,
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Klimatisierungsvorrichtung mit Innenraumkühlung in einer ersten Ausführungsform,
3 gemäß einer zweiten Ausführungsform,
4 gemäß einer dritten Ausführungsform.
Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche oder analoge Elemente hin.
1 zeigt in stark schematisierter Darstellung die wesentlichen Elemente einer erfindungsgemäßen Klimatisierungsvorrichtung, die, wie der Fachmann verstehen wird, ohne weiteres um zusätzliche Elemente ergänzbar ist. Verschiedene, um zusätzliche Elemente ergänzte Ausführungsformen sind in den 2 bis 4 dargestellt.
Die Klimatisierungsvorrichtung 10 umfasst bestimmte Elemente, die in oder in thermischem Kontakt mit der Fahrgastzelle 12 eines nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeugs angeordnet sind, sowie Elemente, die im Vorderwagen 14 des Kraftfahrzeugs untergebracht sind. Elemente, die in den 1 bis 4 außerhalb der gestrichelt dargestellten Bereiche 12, 14 gezeigt sind, können beliebig angeordnet sein, wobei der Fachmann bauraumbedingte, akustische, thermische und andere Kriterien zur bevorzugten Standortwahl dieser Elemente heranziehen wird.
1 zeigt einen Kältemittelkreis mit einem Kompressor 16, dessen druckseitiges Ende mit einem Kondensator bzw. Gaskühler 18, der in oder im thermischen Kontakt mit der Fahrgastzelle 12 angeordnet ist. Der Kondensator/Gaskühler 18 ist als Luft/Kältemittel-Wärmetauscher ausgebildet. Kältemittelausgangsseitig ist er über ein erstes Expansionsventil 20 mit dem kältemittelseitigen Eingang eines ersten Verdampfers 22 verbunden. Kältemittelausgangsseitig ist der erste Verdampfer 22 über ein zweites Expansionsventil 24 mit dem kältemittelseitigen Eingang eines zweiten Verdampfers 26 Kompressors 16 verbunden ist. Die Verdampfer 22, 26 sind als Luft/Kältemittel-Wärmetauscher ausgebildet und werden – zumindest bei Fahrt des Kraftfahrzeugs – von Außenluft 28 durchströmt. Typischerweise wird die Außenluftdurchströmung durch geeignete Gebläsemittel verstärkt bzw. auch im Stand des Kraftfahrzeugs aufrechterhalten. Geeigneterweise sind dazu die Verdampfer 22, 26 im Vorderwagen angeordnet, wobei dies bevorzugt in Fahrzeugrichtung vor der Vorderachse des Kraftfahrzeugs erfolgt, insbesondere im sogenannten Frontend des Fahrzeugs. Der Kondensator/Gaskühler 18 ist vorliegend in Fahrtrichtung nach den Verdampfern 22, 26 und auch nach der Vorderachse angeordnet. Für die vorliegende Erfindung von besonderer Relevanz ist der Heizfall (gewünscht ist eine Aufheizung der Luft in der Fahrgastzelle 12) bei kalter Außentemperatur. Hierzu durchströmt das im Kompressor 16 durch die dortige Verdichtung aufgeheizte Kältemittel den Kondensator/Gaskühler 18, der im Umluft- oder Frischluftbetrieb von Luft durchströmt wird, die im Anschluss in die Fahrgastzelle 12 gelangt. Bei der Durchströmung des Kondensators/Gaskühlers 18 nimmt die Luft Wärme von dem heißen Kältemittel auf. Entsprechend ergibt sich der gewünschte Heizeffekt in der Fahrgastzelle 12.
Gleichzeitig kann der erste Verdampfer 22 bei einer dicht über dem Gefrierpunkt liegenden Temperatur, z.B. bei ca. 2 bis 5°C, insbesondere bei ca. 3°C betrieben werden. Dies lässt sich durch geeignete Einstellung des ersten Expansionsventils 20 bewirken. Das zweite Expansionsventil 24 wird dabei so eingestellt, dass der zweite Verdampfer 26 bei einer Temperatur deutlich unter dem Gefrierpunkt, insbesondere bei ca. –5°C bis –15°C, insbesondere bei ca. –10°C betrieben wird. Der Außenluft, die währenddessen nacheinander erst den ersten Verdampfer 22 und dann den zweiten Verdampfer 26 durchströmt, wird dabei die zur Verdampfung des Kältemittels erforderliche Wärme entzogen. Insbesondere die Durchströmung des zweiten Verdampfers 26, der bei einer sehr niedrigen Arbeitstemperatur betrieben wird, führt zu einem deutlichen Wärmeeintrag in das Kältemittel. Dabei ist die Gefahr eines Einfrierens der Lamellen des zweiten Verdampfers 26 jedoch gegenüber einer einstufigen Verdampfung reduziert, weil die den zweiten Verdampfer 26 durchströmende Außenluft 28 bereits im ersten Verdampfer 22 eine deutliche Entfeuchtung erfahren hat. Selbstverständlich folgt auch im ersten Verdampfer 22 eine gewisse Wärmeentnahme aus der Außenluft 28. Die Hauptaufgabe des ersten Verdampfers 22 ist jedoch die zuvor genannte Luftentfeuchtung. In jedem Fall führt die aus der Außenluft aufgenommene Wärme dazu, dass im Kompressor 16 zur Erreichung eines für die gewünschte Aufheizung erforderlichen Temperaturniveaus geringere mechanische Energie aufgewandt werden muss.
Insbesondere bei sehr kalten Außentemperaturen und/oder hoher Luftfeuchtigkeit und/oder Spritzwasser, welches in den Vorderwagen 14 gelangt, kann auf Dauer eine Vereisung des zweiten Verdampfers 26 nicht vollständig vermieden werden, wenngleich der Vereisungszeitpunkt durch die vorliegende Erfindung gegenüber einstufigen Verdampferanordnungen deutlich verzögert wird. Ab einem gewissen Maß der Vereisung des zweiten Verdampfers 26 wird eine Abtauung notwendig. Diese erfolgt vorzugsweise derart, dass das Expansionsventil 26 vollständig geöffnet wird. Das heiße Kältemittel aus dem Kondensator/Gaskühler 18 strömt dann ohne Druckverlust durch den ersten Verdampfer 22, der dadurch als „Verlängerung“ des Kondensators/Gaskühlers 18 wirkt. Insbesondere erfolgt in ihm keine Verdampfung von Kältemittel, die zu einem Entzug von Wärme aus der Außenluft 28 führen würde. Im Gegenteil entnimmt die den ersten Verdampfer 22 durchströmende Außenluft dem Kältemittel Wärme und durchströmt dann den zweiten Verdampfer 26 mit einer über dem Gefrierpunkt liegenden Temperatur. Dies führt zu einer zügigen Abtauung des zweiten Verdampfers, der derweil weiter im Verdampferbetrieb, vorzugsweise jedoch bei einer über dem Gefrierpunkt liegenden Arbeitstemperatur, insbesondere bei ca. 2°C bis 5°C, insbesondere bei ca. 3°C betrieben wird. Dies führt dazu, dass selbst während des Abtauprozesses der Außenluft 28 im zweiten Verdampfer 26 Wärme entzogen und dem Kältemittel zugeführt werden kann, was die Effizienz der erfindungsgemäßen Wärmepumpe nochmals steigert.
Typischerweise sind Klimatisierungsvorrichtungen für Kraftfahrzeuge nicht nur für den Heizfall ausgelegt. Die 2–4 zeigen verschiedene Beispiele von Erweiterungsmöglichkeiten, die neben dem oben erläuterten Heizbetrieb auch einen Kühlbetrieb erlauben, bei dem die Luft in der Fahrgastzelle 12 abgekühlt wird. Bei den Ausführungsformen der 2 und 3 ist in der Fahrgastzelle 12 bzw. wenigstens in thermischem Kontakt mit dieser eine einstufige Verdampferanordnung, nämlich ein dritter Verdampfer 30 vorgesehen. Der dritte Verdampfer 30 ist kältemittelseitig zwischen dem Ausgang des zweiten Verdampfers 26 und dem saugseitigen Eingang des Kompressors 16 geschaltet. Da bei der gezeigten Ausführungsform zwischen dem zweiten Verdampfer 26 und dem dritten Verdampfer 30 kein zusätzliches Expansionsorgan vorgesehen ist, wird der dritte Verdampfer 39 im Wesentlichen bei der gleichen Arbeitstemperatur betrieben wie der zweite Verdampfer 26. Durch geeignete Luftführung in der Fahrgastzelle 12 kann die Luft im Umluft- oder Frischluftbetrieb über den dritten Verdampfer 30 anstatt über den Kondensator 18 geleitet werden, sodass eine Abkühlung der Fahrgastzelle 12 erfolgt. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Luft teilweise über je eines der genannten Elemente zu lenken, oder die Luft wenigstens teilweise zur Entfeuchtung durch den dritten Verdampfer 30 und im Anschluss zur Gegenheizung durch den Kondensator/Gaskühler 18 zu leiten. Dem Fachmann sind hier vielfältige Verschaltungs- und Steuermöglichkeiten bekannt.
Bei den Ausführungsformen der 3 und 4 ist die Verdampferanordnung in bzw. in thermischem Kontakt mit der Fahrgastzelle 12 zweistufig ausgelegt. D.h. sie umfasst einen dritten Verdampfer 30 und einen vierten Verdampfer 32, der dem dritten Verdampfer 30 kältemittelseitig über ein drittes Expansionsventil 34 nachgeschaltet ist. Bei den gezeigten Ausführungsformen ist die fahrgastzellenseitige Innenverdampfer-Anordnung 30/32 der vorderwagenseitigen Außenverdampfer-Anordnung 22/26 parallel geschaltet. Dies bedeutet, dass, ausgehend von der Schaltung der 1, der dritte Verdampfer 30 kältemitteleingangsseitig mit der Verbindung zwischen Kondensator/Gaskühler 18 und erstem Verdampfer 22 verbunden und der vierte Verdampfer 32 ausgangsseitig ebenso wie der zweite Verdampfer 26 mit dem saugseitigen Ende des Kompressors 16 verbunden ist. Während bei der Ausführungsform von 3 das erste Expansionsventil 20 sowohl den Druck im ersten Verdampfer 22 als auch im dritten Verdampfer 30 steuert, ist bei der in 4 gezeigten Ausführungsform ein zusätzliches, viertes Expansionsventil 36 vorgesehen, welches für die Drucksteuerung im dritten Verdampfer 30 zuständig ist, während das erste Expansionsventil 20 allein den Druck im ersten Verdampfer 22 steuert.
Die zweistufige Ausgestaltung der Innenraum-Verdampferanordnung 30/32 ermöglich im Grunde die gleichen Ansteuerungsoptionen, wie oben im Kontext der vorderwagenseitigen Außenverdampfer-Anordnung 22/26 beschrieben, wobei hier jedoch die Wärmeentnahme aus der die Innenverdampfer 30/32 durchströmenden Luft zur Kühlung der Fahrgastzelle genutzt werden kann. Auch das Abtauen des nach gegebener Zeit vereisten vierten Verdampfers 32 kann in zu dem oben beschriebenen analoger Weise erfolgen.
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Beispielsweise kann die Form der Lamellen der Außenverdampfer – ebenso wie die Lamellenform der Innenverdampfer – Gegenstand konstruktiver Optimierung durch den Fachmann sein. Bevorzugt ist die Lamellenform des ersten Verdampfers im Hinblick auf maximale Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der den ersten Verdampfer durchströmenden Luft optimiert, während die Lamellenform des zweiten Verdampfers alternativ oder zusätzlich im Hinblick auf minimale Vereisung hin optimiert ist. Letzteres kann z.B. durch Optimierung der Abfuhr (noch) flüssigen Wassers von den Lamellen erreicht werden.
Bezugszeichenliste

10: Klimatisierungsvorrichtung
12: Fahrgastzelle
14: Vorderwagen
16: Kompressor
18: Kondensator/Gaskühler
20: erstes Expansionsventil
22: erster Verdampfer
24: zweites Expansionsventil
26: zweiter Verdampfer
28: Außenluft
30: dritter Verdampfer
32: vierter Verdampfer
34: drittes Expansionsventil
36: viertes Expansionsventil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014207278 A1 [0004, 0017]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„_Dialoge – das Audi-Technologiemagazin“ Ausgabe 1/2013, Seite 56 [0003]

Claims

Klimatisierungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug mit einem Kältemittelkreis, umfassend – einen Kompressor (16), mittels dessen gasförmiges Kältemittel komprimierbar ist, – einen dem Kompressor (16) kältemittelseitig nachgeschalteten, als Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildeten Kondensator oder Gaskühler (18), der in thermischem Kontakt zur Luft in einer Fahrgastzelle (12) des Kraftfahrzeugs steht, – ein dem Kondensator oder Gaskühler (18) kältemittelseitig nachgeschaltetes, erstes Expansionsorgan (20), mittels dessen das im Kondensator oder Gaskühler (18) verflüssigte oder gekühlte Kältemittel entspannbar ist, und – einen dem ersten Expansionsorgan (20) kältemittelseitig nachgeschalteten, als Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildeten und im Vorderwagen (14) des Kraftfahrzeugs in thermischem Kontakt zur Außenluft (28) angeordneten ersten Verdampfer (22), gekennzeichnet durch einen als Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildeten und sowohl luftseitig als auch kältemittelseitig dem ersten Verdampfer (22) nachgeschalteten und im Vorderwagen (14) des Kraftfahrzeugs angeordneten zweiten Verdampfer (26), wobei kältemittelseitig zwischen dem ersten Verdampfer (22) und dem zweiten Verdampfer (26) ein zweites Expansionsorgan (24) angeordnet ist.
Klimatisierungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Expansionsorgan als ein steuerbares, erstes Expansionsventil (20) und/oder das zweite Expansionsorgan als ein steuerbares, zweites Expansionsventil (24) ausgebildet ist.
Klimatisierungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen als Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildeten, dritten Verdampfer (30), der in thermischem Kontakt zur Luft in der Fahrgastzelle (12) des Kraftfahrzeugs steht und dem zweiten Verdampfer (26) kältemittelseitig nachgeschaltet ist.
Klimatisierungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Verdampfer (30) dem Kondensator oder Gaskühler (18) luftseitig vorgeschaltet ist.
Klimatisierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, gekennzeichnet durch einen als Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildeten, dritten Verdampfer (30) und einen dem dritten Verdampfer (30) sowohl luftseitig als auch kältemittelseitig nachgeschalteten, von diesem durch ein drittes Expansionsventil (34) getrennten, als Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildeten, vierten Verdampfer (32), der in thermischem Kontakt zur Luft in der Fahrgastzelle (12) des Kraftfahrzeugs steht, wobei der dritte Verdampfer (30) und der vierte Verdampfer (32) dem ersten Verdampfer (22) und dem zweiten Verdampfer (15) kältemittelseitig parallel geschaltet sind, indem der dritte Verdampfer (30) dem Kondensator oder Gaskühler (18) kältemittelseitig nachgeschaltet und der vierte Verdampfer (32) dem Kompressor (16) kältemittelseitig vorgeschaltet ist.
Klimatisierungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Expansionsventil (20) in einem sowohl dem ersten als auch dem dritten Verdampfer (22) kältemittelseitig unmittelbar vorgeschalteten, gemeinsamen Kältemittelleitungsabschnitt angeordnet ist.
Klimatisierungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Expansionsventil (20) in einem nur dem ersten Verdampfer (22) kältemittelseitig unmittelbar vorgeschalteten Kältemittelleitungsabschnitt angeordnet ist und ein viertes Expansionsventil (36) in einem nur dem dritten Verdampfer (30) kältemittelseitig unmittelbar vorgeschalteten Kältemittelleitungsabschnitt angeordnet ist.
Verfahren zum Betrieb einer Klimatisierungsvorrichtung nach Anspruch 2, bei dem – gasförmiges Kältemittel im Kompressor (16) komprimiert wird, – das komprimierte Kältemittel im Kondensator oder Gaskühler (18) verflüssigt oder gekühlt wird, – das verflüssigte oder gekühlte Kältemittel im ersten Expansionsventil (20) entspannt wird, – das entspannte Kältemittel im ersten Verdampfer (22) teilweise verdampft wird, – das teilweise verdampfte Kältemittel im zweiten Expansionsventil (24) weiter entspannt wird und – das weiter entspannte Kältemittel im zweiten Verdampfer (26) weiter verdampft wird, wobei das erste Expansionsventil (20) so eingestellt wird, dass die Arbeitstemperatur des ersten Verdampfers (22) oberhalb 0°C liegt, und das zweite Expansionsventil (24) so eingestellt wird, dass die Arbeitstemperatur des zweiten Verdampfers (26) unterhalb 0°C liegt.
Verfahren zum Betrieb einer Klimatisierungsvorrichtung nach Anspruch 2, bei dem – gasförmiges Kältemittel im Kompressor (16) komprimiert wird, – das komprimierte Kältemittel im Kondensator oder Gaskühler (18) verflüssigt oder gekühlt wird, – das verflüssigte oder gekühlte Kältemittel im ersten Expansionsventil (20) entspannt wird, – das entspannte Kältemittel im ersten Verdampfer (22) teilweise verdampft wird, – das teilweise verdampfte Kältemittel im zweiten Expansionsventil (24) weiter entspannt wird und – das weiter entspannte Kältemittel im zweiten Verdampfer (26) weiter verdampft wird, wobei bei einer Außentemperatur unterhalb von 8 bis 10°C das erste Expansionsventil (20) so eingestellt wird, dass die Arbeitstemperatur des ersten Verdampfers (22) 2 bis 5 K unterhalb der Außentemperatur liegt, und das zweite Expansionsventil (24) so eingestellt wird, dass die Arbeitstemperatur des zweiten Verdampfers (26) 2 bis 5 K unterhalb der luftseitigen Ausgangstemperatur des ersten Verdampfers (22) liegt.
Verfahren zum Betrieb einer Klimatisierungsvorrichtung nach Anspruch 2, bei dem – gasförmiges Kältemittel im Kompressor (16) komprimiert wird, – das komprimierte Kältemittel im Kondensator oder Gaskühler (18) verflüssigt oder gekühlt wird, – das verflüssigte oder gekühlte Kältemittel im zweiten Expansionsventil (24) entspannt wird, – das entspannte Kältemittel im zweiten Verdampfer (26) wenigstens teilweise verdampft wird, wobei das erste Expansionsventil (20) geöffnet ist, sodass das im Kondensator oder Gaskühler (18) verflüssigte oder gekühlte Kältemittel im ersten Expansionsventil (20) keine Entspannung erfährt.