DE10258524A1

DE10258524A1 - Kältemittelkreislauf für eine Kfz-Klimaanlage

Info

Publication number: DE10258524A1
Application number: DE2002158524
Authority: DE
Inventors: Baroto Dr. Adiprasito; Peter Hellmann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2002-12-14
Filing date: 2002-12-14
Publication date: 2004-07-15
Also published as: WO2004055454A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kältemittelkreislauf für eine Kfz-Klimaanlage, bei dem das Kältemittel nacheinander einen Kompressor, einen Kältemittelverflüssiger, ein den Kältemittelfluß regelndes Expansionsorgan und einen Verdampfer, die jeweils durch eine Kältemittelleitung miteinander verbunden sind, durchströmt. Sie löst die Aufgabe, den Kältemittelkreislauf und die Kreislaufführung so zu gestalten, daß dessen Wirkungsgrad auf einfache Weise erhöht wird. Dazu ist zwischen dem Expansionsorgan (4) und dem Verdampfer (7) ein Flüssigkeitsabscheider (6) mit einem Ausgang für flüssiges Kältemittel angeordnet, der dem Eingang des Verdampfers (7) vorgeschaltet ist, und das Stellglied des Expansionsorgans (4) ist über einen Thermomechanismus betätigbar, der über einen Temperaturfühler (5) mit der Kältemittelleitung am Ausgang des Verdampfers (7) verbunden ist, die ausschließlich verdampftes Kältemittel führt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kältemittelkreislauf für eine Kfz-Klimaanlage, insbesondere auch für CO₂ als Kältemittel (Kältemittel R744).
In Kfz-Klimaanlagen wird die Luft, die der Fahrgastzelle zugeführt wird, an einem Wärmetauscher (Verdampfer) gekühlt, wobei das in diesen geleitete Kältemittel verdampft und die dafür erforderliche Wärmemenge der Luft entzieht. In einem Kreisprozeß wird das Kältemittel durch Zustandsänderungen aufbereitet, so daß für das Kühlen der Luft eine begrenzte Kältemittelmenge ausreicht. In einem zweiten Wärmetauscher, dem Gaskühler oder Kondensator (Kältemittelverflüssiger), wird dem Kältemittel die im Verdampfer zugeführte Wärmemenge durch Außenluft wieder entzogen, wozu zwischen dem Kältemittel und der Außenluft eine Temperaturdifferenz herrschen muß. Daher wird das gasförmige Kältemittel in einem Kompressor verdichtet und in seiner Temperatur erhöht, bevor es in den Gaskühler geleitet und dort verflüssigt wird. Zwischen dem Verdampfer und dem Gaskühler ist des weiteren ein Expansionsorgan angeordnet, um das im Kompressor verdichtete und somit mit einem höheren Druck und mit einer höheren Temperatur versehene Kältemittel wieder zu entspannen und um den Kältemittelfluß zu regeln. Kompressor und Expansionsventil trennen den Kältemittelkreislauf in einen Hochdruck- und einen Niederdruckbereich. Üblicherweise befindet sich im Hochdruckbereich, also im Bereich des verdichteten Kältemittels zwischen dem Kompressor und dem Expansionsorgan auch ein Kältemittelsammler, in dem das stark hygroskopische Kältemittel getrocknet wird, um Korrossionsschäden im Verdichter zu vermeiden.
Wegen der schnellen Änderung der Betriebsbedingungen infolge der Fahrzeugbewegung mit wechselnden Fahrgeschwindigkeiten und unterschiedlichem Wärmeeinfall unterliegt der Kältebedarf großen Schwankungen, an den sich die Kälteleistung des Verdichters anpassen muß. Eine Kapazitätssteuerung im Kältemittelkreislauf erfolgt hauptsächlich durch eine Regulierung des Massendurchsatzes des den Verdampfer passierenden Kältemittels. Dazu dienen beispielsweise eine Steuerung des Kompressorfördervolumens, eine Drosselung oder ein Ableiten, wobei diese Verfahren jedoch den Kältemittelkreislauf verkomplizieren und zusätzliche Komponenten erfordern. Eine bekannte Flüssigkeitsreguliervorrichtung ist ein thermostatisches Expansionsventil, durch das die Überhitzung des verdampften Kältemittels am Ausgang des Verdampfers gesteuert werden kann. Zum Betreiben des Expansionsventils unter wechselnden Betriebsbedingungen wird ein Teil des Verdampfers zum Überhitzen des Kältemittels verwendet.

In der DE 689 08 181 T1 (WO 90/07683) wird ein Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufs in einer Klimaanlage angegeben, bei dem mit überkritischem Druck auf der Hochdruckseite gearbeitet wird. Dieses Verfahren sieht vor, daß der Druck auf der Hochdruckseite, also vor dem Entspannen, durch eine Veränderung der jeweiligen Kältemittelfüllung auf der Hochdruckseite reguliert wird. Dazu dient ein im Kältemittelkreislauf angeordneter Kältemittel-Pufferbehälter. Durch eine Verringerung des Inhaltes desselben wird der Druck erhöht und umgekehrt, wodurch wiederum die spezifische Kapazität des Kältemittelkreislaufs beeinflußt wird.

Des weiteren ist in der WO 00/03883 eine mit CO₂ betreibbare Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug beschrieben, bei der im Kältemittelkreislauf als Expansionsorgan eine Festdrossel vorgesehen ist, deren Drosselöffnung in ihrer Länge und in ihrem Durchmesser derart auf die Anlage abgestimmt ist, daß in allen Betriebszuständen der Druck im Hochdruckabschnitt auf Werte von weniger als 14 Mpa begrenzt ist. Damit wird erreicht, daß die Klimaanlage in jedem Betriebszustand mit dem Hochdruck betrieben wird, in welchem das Optimum der Kälteleistung und das Optimum der Leistungszahl liegt. Diese Klimaanlage ist durch die Verwendung einer Festdrossel kostenreduziert herstellbar, wodurch der Einsatz des umweltfreundlichen CO₂-Kältemittels in einer Kfz-Klimaanlage, der gegenüber dem Einsatz von anderen Kältemitteln normalerweise mit einer Verteuerung einer solchen Anlage verbunden ist, gefördert wird.

Es ist Aufgabe der Endung, einen Kältemittelkreislauf nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und die Kältekreislaufführung so zu gestalten, daß dessen Wirkungsgrad auf einfache Weise erhöht wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Kältemittelkreislauf nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.

Der vorgeschlagene Kältemittelkreislauf besteht aus einem Kompressor, an dessen Ausgang ein Hochdruckabschnitt mit einem Gaskühler und an dessen Saugseite (Kompressoreingang) ein Niederdruckabschnitt mit einem Verdampfer angeschlossen sind, und einem den Hochdruckabschnitt mit dem Niederdruckabschnitt verbindenden regelbaren Expansionsorgan, wobei im Niederdruckabschnitt in Kreislaufrichtung nach dem Expansionsorgan ein Flüssigkeitsabscheider mit einem Ausgang für abgeschiedenes flüssiges Kältemittel angeordnet ist, der mit dem Eingang des Verdampfers verbunden ist. Das Stellglied des Expansionsorgans ist zur Regelung des Kältemittelflusses durch einen integrierten Thermomechanismus betätigbar, der über einen Temperaturfühler mit der Kältemittelleitung am Verdampferausgang verbunden ist. Anstelle des Thermofühlers kann auch aus dem Verdampfer austretender Kältemitteldampf durch den Thermomechanismus geleitet werden. Der Flüssigkeitsabscheider stellt sicher, daß nur flüssiges Kältemittel in den Verdampfer eintritt. Der Kältekreislauf ist so eingestellt, daß das Kältemittel im Verdampfer vollständig verdampft.

Dieses wird durch eine entsprechende Kreislaufführung und durch eine Überhitzung des im Verdampfer entstehenden Kältemitteldampfes erreicht, wobei die Temperatur des Kältemittels am Verdampferaustritt von Bedeutung ist. Ist diese zu hoch und damit die Überhitzung zu groß, wird der Kältemittel-Massendurchsatz durch das Expansionsorgan erhöht. Ist die Temperatur zu niedrig, und damit die Überhitzung zu gering, wird der Kältemittel-Massendurchsatz reduziert. Eine Erhöhung des Wikungsgrades bei gleichbleibender Kompressorleistung und gleichbleibendem durch den Kompressor verursachten Kraftstoffverbrauch wird somit auf einfache Weise auf der Niederdruckseite durch einen erhöhten Kältemittel-Massendurchsatz durch das Expansionsventil und den Flüssigkeitsabscheider erreicht. Der Kraftstoffverbrauch wird dabei nicht erhöht. In diesem Kältemittelkreislauf wird kein Akkumulator benötigt, um den schwankenden Kältemittelbedarf im Kältemittelkreislauf auszugleichen. Diese Aufgabe übernimmt der Flüssigkeitsabscheider. Da am Verdampferausgang nur überhitzter Kältemitteldampf in die Saugleitung des Kompressors gelangt, erübrigt sich ein Akkumulator, der noch flüssiges Kältemittel zurückzuhalten soll, um den Kompressor vor Flüssigkeitsschlägen zu schützen. Dieser Kältemittelkreislauf ist grundsätzlich mit den üblichen Kältemitteln betreibbar.

Der Flüssigkeitsabscheider kann zusätzlich mit einem Ausgang für das gasförmige Kältemittel versehen sein, der über ein Drosselorgan mit der verdampferausgangsseitigen Kältemittelleitung, die zugleich die Saugleitung des Kompressors ist, verbunden ist. Über diesen Ausgang wird bei hoher Kälteleistung, die zu einer größeren Überhitzung und einem erhöhten Kältemittel-Massendurchsatz führt, ein dadurch entstehender Gasüberschuß im Flüssigkeitsabscheider abgeführt, um den erforderlichen Kältemittel-Massendurchsatz an flüssigem Kältemittel zum Verdampfer sicherzustellen.

Auch kann ein innerer Wärmetauscher hochdruckseitig in der Ausgangsleitung des Kältemittelverflüssigers angeordnet sein, durch den das unter Hochdruck stehende gekühlte Kältemittel zum Expansionsorgan und das überhitzte entspannte Kältemittel zum Kompressor geleitet werden, so daß das zu entspannende und zu verdampfende Kältemittel abgekühlt wird 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 damit die Kälteleistung und auch den Wirkungsgrad des Kältekreislaufs. Aber auch wegen der schnellen Änderung der Betriebsbedingungen ist ein innerer Wärmetauscher vorteilhaft. Diese Ausführung mit einem inneren Wärmetauscher eignet sich insbesondere für CO₂-Kältemittel.

Als Expansionsorgan wird vorteilhafterweise ein themostatisches Expansionsventil eingesetzt. Im Anfahrzustand der Klimaanlage ist die Überhitzung am Verdampferausgang erhöht, so daß das Expansionsventil weit öffnet und der Kältemittelmassenstrom erhöht wird, wodurch in kürzester Zeit die maximale Kälteleistung erreicht wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen schematisch:
1: einen Kältemittelkreislauf für CO₂-Kältemittel mit einem inneren Wärmetauscher und
2: einen Kältemittelkreislauf für CO₂-Kältemittel mit einem inneren Wärmetauscher, mit einem Gas-Bypass und einem in diesem angeordneten Drosselorgan.
Der in 1 gezeigte Kältemittelkreislauf weist in Kreislaufrichtung nacheinander einen Kompressor 1, einen Gaskühler (Kältemittelverflüssiger) 2, einen inneren Wärmetauscher 3 mit einer ersten Kältemittel-Leitungsschlange 3.1, ein thermostatisches Expansionsventil 4 bekannter Bauart mit einem thermostatischen Sensor 5, einen Flüssigkeitsabscheider 6 mit einem Ausgang in dessen unteren Teil für in diesem abgeschiedenes flüssiges Kältemittel, einen Verdampfer 7, an dessen Ausgang der Sensor 5 angeordnet ist, und den Wärmetauscher 3 mit einer zweiten Kältemittel-Leitungsschlange 3.2 vor dem Kompressor 1 auf.
Das CO₂-Kältemittel, das auf der Saugseite des Kompressors 1 einen Druck von etwa 35 bis 45 bar und eine Temperatur von ca. 20°C aufweist, wird im Kompressor 1 auf einen Druck von im wesentlichen 110 bar verdichtet, wobei die Temperatur des Kältemittels auf ca. 100°C steigt. Im Gaskühler 2 wird das Kältemittel durch vorbeiströmende Außenluft auf ca. 55° bis 60°C abgekühlt und dabei verflüssigt. Die dem CO₂-Kältemittel entnommene Wärme wird mit der Außenluft abgeführt. Im inneren Wärmetauscher 3 gibt das durch die Leitungsschlange 3.1 strömende CO₂-Kältemittel Wärme an das durch die Leitungsschlange 3.2 strömende Kältemittel ab, die in die Saugleitung des Kompressors integriert ist, wobei es auf eine Temperatur von im wesentlichen 25°C abgekühlt wird. Im Expansionsventil 4 wird das flüssige CO₂-Kältemittel, das auf der Hochdruckseite einen Druck von etwa 110 bar und eine Temperatur von im wesentlichen 25°C aufweist, in den Naßdampfzustand überführt, wobei es auf einen Druck von 35 bis 45 bar entspannt und eine Temperatur von 0° bis 10°C abgekühlt wird. Mit diesem Zustand gelangt das CO₂-Kältemittel in den Flüssigkeitsabscheider 6, in dessen unteren Teil sich die flüssige Phase absetzt. Über den Ausgang am Flüssigkeitsabscheider 6 gelangt ausschließlich flüssiges CO₂-Kältemittel in den Verdampfer 7, in dem es durch Wärmeaufnahme von der zu kühlenden Außen- oder Umluft für den Fahrgastraum bei einem gleichbleibendem Druck von 35 bis 45 bar, der dem Saugdruck am Kompressor 1 entspricht, verdampft. Das Expansionsventil 4 als verstellbares Massenstromventil wird dabei so eingestellt, daß der zum Kühlen der Luft das Expansionsventil 4 passierende Kältemittel-Massenstrom so eingestellt ist, daß das Kältemittel im Verdampfer 7 vollständig in den gasförmigen Zustand überführt wird und am Verdampferausgang um etwa 2° bis 4°C überhitzt ist. Bei einer erhöhten geforderten Kälteleistung, also wenn das CO₂-Kältemittel mehr Wärme von der Außen- oder Umluft aufnehmen muß, steigt der Anteil der gasförmigen Phase im Verdampfer 7 und damit auch die Überhitzung, und es wird über den Sensor 5 die Ventilöffnung im Expansionsventil 4 geweitet, so daß der Kältemittel-Massenstrom verstärkt und die Überhitzung reduziert werden.
Bei dem in 2 gezeigten Kältemittel-Kreislauf, der bis auf den Flüssigkeitsabscheider die gleichen Komponenten wie der vorbeschriebene und diese in gleicher Reihenfolge aufweist und der ebenfalls bevorzugt mit CO₂-Kältemittel betrieben wird, ist anstelle des dort beschriebenen Flüssigkeitsabscheiders ein Flüssigkeitsabscheider 8 angeordnet. Dieser weist zusätzlich einen Ausgang für gasförmiges Kältemittel auf, der über einen Gas-Bypass 9, in dem eine Festdrossel 10 angeordnet ist, mit der Saugleitung 11 des Kompressors 1 verbunden ist.
Bei höherer Kälteleistung, die zu einem erhöhten CO₂-Kältemittel-Massendurchsatz am Expansionsventil 4 führt, ist auch der Gasanteil des durch das Expansionsventil 4 entspannten und dabei in einen Naßdampfzustand überführten CO₂-Kältemittels größer. Damit das Flüsigkeitsvolumen im Flüssigkeitsabscheider 8 konstant bleibt und infolge des erhöhten Massenstromes nicht schwindet, wird überschüssiges Gas über den Gas-Bypass 9 und die in diesem angeordnete Festdrossel 10 abgeleitet und dem überhitzten Dampf in der Ausgangsleitung des Verdampfers 7, die der Saugleitung 11 des Kompressors 1 entspricht, im Bereich zwischen dem Sensor 5 und dem inneren Wärmetauscher 3 zugeführt. Bevorzugt wird ein Verhältnis von 1 : 4 von gasförmigem zu flüssigem CO₂-Kältemittel eingestellt. Ein über die 20% hinausgehender Gasanteil infolge eines erhöhten Massendurchsatzes wird somit über die Festdrossel 10 abgeführt. Die Regelung des Expansionsventils 4 durch am Verdampfer 7 austretenden überhitzten CO₂-Kältemitteldampf wird bei der beschriebenen Anordnung durch den Gas-Bypass 9 nicht beeinträchtigt. Mit der Maßnahme wird sichergestellt, daß auch bei einer hohen geforderten Kälteleistung am Eingang des Verdampfers 7 nur flüssiges CO₂-Kältemittel vorhanden ist.

1: Kompressor
2: Gaskühler
3: Wärmetauscher
3.1: Kältemittel-Leitungsschlange
3.2: Kältemittel-Leitungsschlange
4: Expansionsventil
5: Sensor
6: Flüssigkeitsabscheider
7: Verdampfer
8: Flüssigkeitsabscheider
9: Gas-Bypass
10: Festdrossel
11: Saugleitung

Claims

Kältemittelkreislauf für eine Kfz-Klimaanlage, bei dem das Kältemittel nacheinander einen Kompressor, einen Kältemittelkühler als Kältemittelverflüssiger, ein den Kältemittelfluß regelndes Expansionsorgan und einen Verdampfer, die jeweils durch eine Kältemittelleitung miteinander verbunden sind, durchströmt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Expansionsorgan (4) und dem Verdampfer (7) ein Flüssigkeitsabscheider (6) mit einem Ausgang für flüssiges Kältemittel angeordnet ist, der mit dem Eingang des Verdampfers (7) verbunden ist, und daß das Stellglied des Expansionsorgans (4) über einen Thermomechanismus betätigbar ist, der über einen Temperaturfühler (5) mit der Kältemittelleitung am Ausgang des Verdampfers (7) verbunden ist, die ausschließlich verdampftes Kältemittel führt.
Kältemittelkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsabscheider (6) einen Ausgang für gasförmiges Kältemittel aufweist, der mit der Saugleitung (11) des Kompressors (1) über ein Drosselorgan (10) verbunden ist.
Kältemittelkreislauf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ausgangsleitung des Kältemittelverflüssigers (2) ein innerer Wärmetauscher (3) mit der Saugleitung (11) des Kompressors (1) gebildet ist.
Kältemittelkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Expansionsorgan ein thermostatisches Expansionsventil (4) ist.
Verfahren zum Betreiben einer Kfz-Klimaanlage mit einem Kältemittelkreislauf, bei dem gasförmiges Kältemittel in einem Kompressor verdichtet und erwärmt wird, durch einen Wärmetauscher gefördert, in diesem abgekühlt und verflüssigt wird, danach in einem Expansionsorgan entspannt und in einem als Wärmetauscher genutzten Verdampfer wieder in den gasförmigen Zustand versetzt und vom Kompressor angesaugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das im Expansionsorgan (4) entspannte Kältemittel über einen Flüssigkeitsabscheider (6) geleitet wird, aus dem nur flüssiges Kältemittel zum Verdampfer (7) strömt, und daß der Kältemittel-Massenstrom, der die Niederdruckseite des Expansionsorgans (4) und den Flüssigkeitsabscheider (6) durchströmt, durch eine am Ausgang des Verdampfers (7) eingestellte Überhitzung geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein im Flüssigkeitsabscheider (6) entstehender Gasüberschuß in die Saugleitung (11) des Kompressors (1) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem vom Kompressor (1) angesaugten gasförmigen Kältemittel und dem durch das im Kältemittelverflüssiger (2) gekühlten Kältemittel ein Wärmeaustausch stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel R134a ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel R744 (CO₂-Kältemittel) ist.