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Die Erfindung betrifft eine Klimatisierungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Eine solche Klimatisierungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug ist in der
DE 10 2016 006 134 A1 offenbart. Die bekannte Klimatisierungseinrichtung umfasst einen von einem Kältemittel durchströmbaren Kältemittelkreislauf und wenigstens einen in dem Kältemittelkreislauf angeordneten Verdichter zum Verdichten des Kältemittels. Ferner umfasst die Klimatisierungseinrichtung wenigstens einen in dem Kältemittelkreislauf angeordneten Verdampfer zum Verdampfen des Kältemittels sowie zwei Expansionselemente zum Expandieren des Kältemittels. Außerdem umfasst die Klimatisierungseinrichtung wenigstens zwei Kühleinrichtungen zum Kühlen des Kältemittels. Die Kühleinrichtungen sind als Kühleinrichtungen betreibbare Wärmetauscher ausgebildet, mittels welchen das Kältemittel gekühlt werden kann. Eine der Kühleinrichtungen ist als luftgekühlte Kühleinrichtung ausgebildet, so dass das die luftgekühlte Kühleinrichtung durchströmende Kältemittel mittels der Kühleinrichtung infolge eines Wärmeübergangs gekühlt wird. Dabei geht in dessen Rahmen Wärme von dem Kältemittel über die Kühleinrichtung an die Kühleinrichtung umströmende Luft über. Der luftgekühlten Kühleinrichtung ist eine Absperreinrichtung, z.B. eine Kühlerjalousie, zugeordnet, mittels welcher die Versorgung der Kühleinrichtung mit Luft einstellbar ist. Dies erfordert die Anordnung der Kühleinrichtung im vorderen Bereich des Kraftfahrzeugs, z.B. im Motorraum hinter einem Kühlergrill.
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Neben einem ungünstigen Luftwiderstandsbeiwert (cw-Wert) aufgrund des Erfordernisses einen Kühllufteinlass im Bereich des Vorderwagens vorzusehen, ergibt sich eine hohe Komplexität durch lange Verbindungselemente in Form von Rohren oder Schläuchen zur Führung von Kältemittel und Kühlmittel.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Klimatisierungseinrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein effizienter Betrieb bei reduzierter Bauteilkomplexität realisierbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Klimatisierungseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Zur Lösung der oben angegebenen Aufgabe wird eine Klimatisierungseinrichtung vorgeschlagen, die einen von einem Kältemittel durchströmbaren Kältemittelkreislauf umfasst, in dem in Strömungsrichtung des Kältemittels nacheinander ein Verdichter zum Verdichten des Kältemittels, eine Kühleinrichtung zum Kühlen des Kältemittels, ein Expansionselement zum Expandieren des Kältemittels, und ein Verdampfer zum Verdampfen des Kältemittels angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist die in dem Kältemittelkreislauf angeordnete Kühleinrichtung eine luftgekühlte Kühleinrichtung. Ferner ist zumindest eine weitere Kühleinrichtung in dem Kältemittelkreislauf angeordnet, wobei die weitere Kühleinrichtung in einem von einer Flüssigkeit durchströmbaren Flüssigkeitskreislauf angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, Wärme der Flüssigkeit des Flüssigkeitskreislaufs an das Kältemittel des Kältemittelkreislaufs, oder umgekehrt, zu übertragen.
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Die luftgekühlte Kühleinrichtung und die weitere Kühleinrichtung sind vorzugsweise Wärmetauscher, welche als Kühleinrichtungen zum Kühlen des Kältemittels betrieben werden können. Die luftgekühlte Kühleinrichtung ist beispielsweise ein Kondensator, insbesondere dann, wenn als das Kältemittel ein herkömmliches Kältemittel zum Einsatz kommt. Handelt es sich bei dem Kältemittel beispielsweise um Kohlendioxid (CO2), so fungiert die Kühleinrichtung als sogenannter Gaskühler. Die luftgekühlte Kühleinrichtung kann als Lamellenwärmetauscher ausgebildet sein. Die weitere Kühleinrichtung kann z.B. als Plattenkondensator ausgebildet sein und wird auch als Chiller bezeichnet.
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Durch die Serienschaltung der luftgekühlten Kühleinrichtung des Kältemittelkreislaufs und der weiteren Kühleinrichtung, die Wärme zwischen einer Flüssigkeit eines Flüssigkeitskreislaufs und dem Kältemittelkreislauf austauscht, lässt sich die Komplexität von Kühl- und Heizkreises reduzieren, so dass insbesondere ein Einsatz in einem elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeug mit Vorteil möglich ist. Unter einem elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeug wird in der vorliegenden Beschreibung insbesondere ein Batterie-betriebenes Fahrzeug (Battery Electric Vehicle - BEV) verstanden. Hierunter fallen jedoch auch Hybrid-elektrische Kraftfahrzeuge (Hybrid Battery Electric Vehicle - HBEV), also Fahrzeuge, die sowohl über einen Verbrennungsmotor als auch über einen Elektromotor als Antriebsquellen verfügen. Unter einem Kraftfahrzeug sind nicht nur Personenkraftwagen, sondern auch Nutzfahrzeuge zu verstehen.
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Die vorgeschlagene Klimatisierungseinrichtung ermöglicht es beispielsweise, Abwärme von elektrischen Komponenten über den Kühlmittelkreislauf abzuführen, über die weitere Kühleinrichtung an das Kältemittel zu übertragen und von dort über die (eigentliche) Kühleinrichtung des Kältemittelkreislaufs an die Luft abzugeben. Ebenso ist ein Wärmepumpenbetrieb zum Beheizen des Fahrzeuginneren möglich. Im Ergebnis können alle Funktionalitäten des Heizens und Kühlens mit einer Klimatisierungseinrichtung mit geringer Komplexität sichergestellt werden.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist eine erste weitere Kühleinrichtung in Reihe zu dem Verdampfer angeordnet. Insbesondere ist die erste weitere Kühleinrichtung stromaufwärts des Verdampfers und stromabwärts des Expansionselements angeordnet. Diese Ausgestaltung ermöglicht die Abführung von Abwärme aus dem Flüssigkeitskreislauf, z.B. zur Kühlung einer zu temperierenden Komponente.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist eine zweite weitere Kühleinrichtung in Reihe zu der Kühleinrichtung angeordnet. Insbesondere ist die zweite weitere Kühleinrichtung stromabwärts der Kühleinrichtung und stromaufwärts des Expansionselements angeordnet. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, Wärme an den Flüssigkeitskreislauf zu übertragen, um z.B. die zu temperierenden Komponente zu wärmen/heizen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Klimatisierungseinrichtung sowohl die erste weitere Kühleinrichtung als auch die zweite weitere Kühleinrichtung. Es kann jedoch auch eine Klimatisierungseinrichtung bereitgestellt werden, die entweder nur die erste weitere Kühleinrichtung oder nur die zweite weitere Kühleinrichtung umfasst.
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In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, in dem Flüssigkeitskreislauf eine zu temperierende Einrichtung anzuordnen. Die zu temperierende Einrichtung ist insbesondere eine elektrische Komponente. Die elektrische Komponente ist z.B. eine Antriebseinrichtung, ein Inverter (DC/DC-Wandler) oder eine Batterie (Energiespeicher) des Kraftfahrzeugs.
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Die zu temperierende Einrichtung wird zweckmäßigerweise über ein Umschaltventil mit der ersten weiteren Kühleinrichtung oder der zweiten weiteren Kühleinrichtung verschaltet. Das Umschaltventil ermöglicht es, die zu temperierende Einrichtung wahlweise mit der ersten weiteren Kühleinrichtung zu verbinden, wodurch Wärme von der zu temperierende Einrichtung abgeführt werden kann, indem die Wärme von der Flüssigkeit an das Kältemittel und von dem Kältemittel an Luft abgegeben werden kann. Wahlweise kann die zu temperierende Einrichtung mit der zweiten weiteren Kühleinrichtung verbunden werden, wodurch Wärme an die zu temperierende Einrichtung übertragen werden kann, indem die Wärme von dem Kältemittel an die Flüssigkeit und von der Flüssigkeit an die zu temperierende Einrichtung übertragen wird.
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Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn die Komponenten des Kältemittelkreislaufs in einem Klimakasten des Kraftfahrzeugs angeordnet sind. Die Komponenten des Kältemittelkreislaufs, die in dem Klimakasten des Kraftfahrzeugs angeordnet sind, umfassen damit den Verdichter, die luftgekühlte Kühleinrichtung, das Expansionselement, den Verdampfer sowie die erste weitere Kühleinrichtung und/oder die zweite weitere Kühleinrichtung. Hierdurch lässt sich die Komplexität des Kühl- und Heizkreises eines Fahrzeugs reduzieren, da insbesondere die Anzahl an Rohrleitungen und/oder Schläuchen reduziert werden kann. Eine weitere Komplexitätsreduzierung ist dadurch möglich, dass auch das Umschaltventil in dem Klimakasten des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
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Mittels der erfindungsgemäßen Klimatisierungseinrichtung lässt sich ein Wärmepumpenbetrieb mit Reheatfunktion unter Wärmerückgewinnung darstellen, wobei die Klimatisierungseinrichtung in dem Wärmepumpenbetrieb als Wärmepumpe betrieben wird. Dadurch kann beispielsweise der Innenraum des Fahrzeugs, insbesondere dem Innenraum zuzuführende Luft, vorteilhaft erwärmt beziehungsweise beheizt werden. Ferner kann die Antriebsleistung zum Betreiben der erfindungsgemäßen Klimatisierungseinrichtung besonders gering gehalten werden bei gleichzeitiger Realisierung einer zumindest im Wesentlichen optimalen Heizleistung zum Beheizen des Innenraums. Zusätzlich kann abhängig vom Betriebspunkt die zumindest eine weitere Kühleinrichtung als Wärmequelle oder Wärmesenke geschaltet werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Klimatisierungseinrichtung.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Klimatisierungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug, z.B. einen Personenkraftwagen oder ein Nutzfahrzeug. Die Klimatisierungseinrichtung 10 umfasst dabei einen von einem Kältemittel durchströmbaren Kältemittelkreislauf 12, einen in dem Kältemittelkreislauf 12 angeordneten Verdichter 14 zum Verdichten des Kältemittels, eine in dem Kältemittelkreislauf 12 angeordnete Kühleinrichtung 16, ein vorliegend als Expansionsventil ausgebildetes und in dem Kältemittelkreislauf 12 angeordnetes Expansionselement 18 und einen in dem Kältemittelkreislauf 12 angeordneten Verdampfer 20 zum Verdampfen des Kältemittels. Mittels des Expansionselements 18 kann das Kältemittel expandiert, das heißt entspannt, werden.
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Die Kühleinrichtung 16 ist ein luftgekühlter Wärmetauscher in Gestalt eines Lamellenwärmetauschers, welcher in zumindest einer Betriebsart der Klimatisierungseinrichtung 10 als Kühleinrichtung zum Kühlen des Kältemittels betreibbar ist beziehungsweise betrieben wird. Bei dieser Betriebsart handelt es sich beispielsweise um einen Wärmepumpenbetrieb, in welchem die Klimatisierungseinrichtung 10 als Wärmepumpe betrieben wird. In dem Wärmepumpenbetrieb kann der Innenraum des Fahrzeugs mittels der Klimatisierungseinrichtung 10, das heißt mittels der Wärmepumpe, beheizt werden, indem beispielsweise dem Innenraum zuzuführende Luft erwärmt wird. Die Komponenten sind in Strömungsrichtung in der nachfolgend genannten Reihenfolge angeordnet: Verdichter 14 - Kühleinrichtung 16 - Expansionselement 18 - Verdampfer 20.
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Ferner ist ein von einer Flüssigkeit durchströmbarer Flüssigkeitskreislauf 40 vorgesehen, welcher zumindest zum Teil Bestandteil der Klimatisierungseinrichtung 10 ist beziehungsweise zur Klimatisierungseinrichtung 10 gehört. Der Flüssigkeitskreislauf 40 umfasst eine als Plattenwärmetauscher ausgebildete erste weitere Kühleinrichtung 26 sowie eine als Plattenwärmetauscher ausgebildete zweite weitere Kühleinrichtung 36, welche von Kühlflüssigkeit einerseits und Kältemittel andererseits, durchströmbar sind. Als Kühlflüssigkeit wird z.B. Wasser verwendet. Als Kältemittel kann z.B. R1234f zum Einsatz kommen. In dem Flüssigkeitskreislauf 40 sind ferner eine zu temperierende Einrichtung 28 sowie eine Pumpe 30 angeordnet. Die zu temperierende Einrichtung ist insbesondere eine elektrische Komponente eines elektrisch betreibbaren Kraftfahrzeugs. Die elektrische Komponente ist z.B. eine Antriebseinrichtung, ein Inverter (DC/DC-Wandler), eine Batterie (Energiespeicher) des Kraftfahrzeugs, usw.
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Über ein Umschaltventil 32 kann entweder die erste weitere Kühleinrichtung 26 oder die zweite weitere Kühleinrichtung 34 mit der zu temperierenden Einrichtung 28 verschaltet werden. Das Umschaltventil 28 weist zu diesem Zweck sechs Anschlüsse 58, 60, 62, 64, 66, 68 auf, wobei die Reihenschaltung aus zu temperierender Einrichtung 28 und Pumpe 30 an die Anschlüsse 58, 60, die erste weitere Kühleinrichtung 26 an die Anschlüsse 62, 64 und die zweite weitere Kühleinrichtung 34 an die Anschlüsse 66, 68 des Umschaltventils angeschlossen sind.
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Die erste weitere Kühleinrichtung 26 ist stromaufwärts des Verdampfers 20 und stromabwärts des Expansionsventils 18 in dem Kältemittelkreislauf 12 angeordnet. Die serielle Verschaltung der ersten weiteren Kühleinrichtung 26 und des Verdampfers 20 ist somit zwischen dem Expansionsventil 18 und dem Verdichter 14 angeordnet. Ist die zu temperierende Einrichtung 28 über das Umschaltventil 28 mit der ersten weiteren Kühleinrichtung 26 verbunden, so kann mittels der ersten weiteren Kühleinrichtung 26 Abwärme der zu temperierenden Einrichtung 28 über die Kühlflüssigkeit an das Kältemittel und mittels des Verdampfers 20 an die Luft abgegeben werden.
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Die zweite weitere Kühleinrichtung 34 ist stromabwärts der luftgekühlten Kühleinrichtung 16 und stromaufwärts des Expansionsventils 18 in dem Kältemittelkreislauf 12 angeordnet. Die serielle Verschaltung der Kühleinrichtung 16 und der zweiten weiteren Kühleinrichtung 34 ist somit zwischen dem Verdichter 14 und dem Expansionsventil 18 angeordnet. Ist die zu temperierende Einrichtung 28 über das Umschaltventil 28 mit der zweiten weiteren Kühleinrichtung 34 verbunden, so kann mittels der zweiten weiteren Kühleinrichtung 34 Wärme an die zu temperierende Einrichtung 28 übertragen werden, wobei von dem Kältemittel Wärme an die Kühlflüssigkeit und an die zu temperierende Einrichtung 28 transportiert wird.
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Die als Lamellenwärmetaucher ausgebildeten Verdampfer 20 und Kühleinrichtung 16, die als Plattenwärmetauscher ausgebildeten weiteren Kühleinrichtungen 26, 34, der Verdichter 14, das Expansionsventil und optional (entgegen der zeichnerischen Darstellung) auch das Umschaltventil 32 können in einem Klimakasten 50 des Kraftfahrzeugs integriert sein. Hierdurch kann die Komplexität der Klimatisierungseinrichtung im Hinblick auf notwendige Schlauch- und/oder Rohrverbindungen reduziert werden.
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In dem Klimakasten 50 sind ferner, in einer dem Fachmann bekannten Weise, zusätzlich ein Gebläse 24 und eine Klappenanordnung 22 zur Luftführung von Luft zum bzw. vom Verdampfer 20 und Kühleinrichtung 16 angeordnet. Die Bezugszeichen 52 und 54 bezeichnen Auslässe zur Umgebung bzw. zum Innenraum des Kraftfahrzeugs (sog. Fahrzeugkabine). Soll die Fahrzeugkabine erwärmt werden, so wird über den Anschluss 56 Luft von der Umgebung oder der Fahrzeugkabine angesaugt und es erfolgt mittels der Klappenanordnung 22 die Steuerung des Luftflusses derart, dass diese über die Kühleinrichtung 16 geführt wird. Soll die Fahrzeugkabine gekühlt werden, so wird über den Anschluss 56 Luft von der Umgebung oder der Fahrzeugkabine angesaugt und es erfolgt mittels der Klappenanordnung 22 die Steuerung des Luftflusses derart, dass diese über den Verdampfer 20 geführt wird.
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Soll die zu temperierende Komponente 30 gewärmt werden, so wird über den Anschluss 56 Luft von der Umgebung oder der Fahrzeugkabine angesaugt und es erfolgt mittels der Klappenanordnung 22 die Steuerung des Luftflusses derart, dass diese über den Verdampfer 20 geführt wird. Die Erwärmung der Kühlflüssigkeit erfolgt in der zweiten weiteren Kühleinrichtung 34.
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Soll die zu temperierende Komponente 30 gekühlt werden, so wird über den Anschluss 56 Luft von der Umgebung oder der Fahrzeugkabine angesaugt und es erfolgt mittels der Klappenanordnung 22 die Steuerung des Luftflusses derart, dass diese über die Kühleinrichtung 16 geführt wird. Die von der Komponente 30 an das Kühlwasser abgegebene Wärme wird über die erste weitere Kühleinrichtung 34 abgeführt.
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Zudem ist eine Nutzung der Abwärme der zu temperierenden Komponente 30 möglich. Dabei wird die in die Kühlflüssigkeit eingebrachte Wärme zur Erwärmung des Kältemittels in der ersten weiteren Kühleinrichtung 34 genutzt.
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Mittels der beschriebenen Klimatisierungseinrichtung 10 lässt sich zudem ein Wärmepumpenbetrieb mit Reheatfunktion unter Wärmerückgewinnung auch unter 0 Grad Celsius darstellen, wobei die Klimatisierungseinrichtung 10 in dem Wärmepumpenbetrieb als Wärmepumpe betrieben wird. Dadurch kann beispielsweise der Innenraum des Fahrzeugs, insbesondere dem Innenraum zuzuführende Luft, vorteilhaft erwärmt beziehungsweise beheizt werden.
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Gegenüber bisher gebräuchlichen Wärmetauschern sind folgende Modifikationen erforderlich:
- - eine größere Dimensionierung der Lamellenwärmetauscher (Kühleinrichtung 16 und Verdampfer 20),
- - die Integration von Verdichter 14, Akkumulator, Expansionsventil 18, Verschlauchung/Verrohrung und ggf. internem Wärmetauscher,
- - eine Luftverteilereinheit, welche die Funktionalitäten, Kabinenklimatisierung, Abgabe von Wärme an die Umgebung sowie Reheatbetrieb ermöglicht.
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Zusätzlich ist eine Modifikation der Motorhaube oder der Kotflügel zweckmäßig, um ausreichenden Zugang zur Umgebungsluft zu bekommen. Die ausströmende Abluft kann z.B. über die Außenseite der Windschutzscheibe bzw. den Kotflügel in die Umgebung abgeleitet werden. Ausgehend von den Plattenwärmetauschern (d.h. den weiteren Kühleinrichtungen24, 26) wird die Anbindung an den Kühlmittekreis über ein 6/2-Wege-Umschaltventil realisiert.
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Hieraus ergeben sich folgende Vorteile:
- - Geringere Systemkosten durch Wegfall der Wärmetauscher im Bereich des Vorderwagens,
- - Einsparung von Kältemittel- und Kühlmittelleitungen und ggf. Reduktion der Anzahl der Wärmetauscher,
- - Erhöhung der Reichweite eines Batteriebetriebenen Fahrzeugs durch besseren Luftwiderstandsbeiwert,
- - Geringere Komplexität des Kälte-/Wärmekreises,
- - Kürzere Fertigungsdauer durch die Möglichkeit der Vorfertigung des Klimakastens.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016006134 A1 [0002]
