DE4140321A1 - Kraftfahrzeug mit einem waermetraegerkreislauf - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Wärme­ trägerkreislauf, der der Temperierung einer insbesondere elektrischen Antriebseinheit und bedarfsweise eines in den Fahrzeug-Innenraum gelangenden Zuluftstromes dient, wobei der Zuluftstrom aus einem Abluftstrom aus dem Fahr­ zeug-Innenraum gespeist werden kann und zumindest der Ab­ luftstrom über einen Verdampfer eines weiterhin einen Kondensator enthaltenden Kältemittelkreislaufes, insbe­ sondere eines Kompressions-Kältemittelkreislaufes, ge­ führt wird.

Ein derartiges Kraftfahrzeug mit einem Wärmeträgerkreis­ lauf nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bildet zumin­ dest internen Stand der Technik. Dabei wird am Verdampfer nicht nur ein Teil der im Abluftstrom enthaltenen Wärme­ menge, sondern auch die Kondensationswärme der im Abluft­ strom enthaltenen Luftfeuchte frei. Diese frei gewordene Wärmemenge kann über den Kältemittelkreislauf einer neuerlichen Nutzung zugeführt werden.

Eine besonders vorteilhafte Nutzung aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegen­ den Erfindung.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß der Konden­ sator des Kältemittelkreislaufes als Fluid-Fluid-Wärme­ tauscher in den Wärmeträgerkreislauf eingebunden ist. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Inhalt der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird die am Verdampfer frei werdende Wär­ memenge dem u. a. der Temperierung der Antriebseinheit dienenden Wärmeträgerkreislauf zugeführt. Im Falle eines Elektrofahrzeuges soll unter den Begriff der elektrischen Antriebseinheit neben einem Elektromotor dabei auch eine Hochleistungs-Antriebsbatterie fallen. Da es in gewissen Fällen notwendig sein kann, eine derartige Hochleistungs- Antriebsbatterie zu beheizen, kann die am Verdampfer an­ fallende Abwärme somit zur Beheizung dieser Batterie ein­ gesetzt werden. Besonders vorteilhaft ist die erfindungs­ gemäße Anordnung jedoch zur Beheizung des Fahrzeug-Innen­ raumes anschließend an einen Start des Kraftfahrzeuges. In diesem Falle sei sowohl der Fahrzeug-Innenraum als auch der Wärmeträgerkreislauf vollständig abgekühlt. Wird dann ein relativ hoher Abluftstrom aus dem Fahrzeug-In­ nenraum im sog. Umluftbetrieb wieder in den Fahrzeug-In­ nenraum als Zuluftstrom eingeleitet, so ist es erfor­ derlich, diesen Abluftstrom zu trocknen, da u. a. durch die Insassen im Fahrzeug-Innenraum eine Befeuchtung der dort vorhandenen Luftmassen erfolgte. Diese Trocknung kann am Verdampfer des Kältemittelkreislaufes erfolgen, der dazu jedoch in Betrieb sein muß und somit dem Abluft­ strom Wärme entzieht. Diese entzogene Wärmemenge soll je­ doch dem Fahrzeug-Innenraum wieder zugeführt werden. Hierzu wird diese Wärmemenge erfindungsgemäß durch den in den Kältemittelkreislauf eingebundenen Kondensator auf den Wärmeträgerkreislauf übertragen und im Falle eines Kompressions-Kältemittelkreislaufes durch den Kompressor zusätzlich hochgepumpt. Der Wärmeträgerkreislauf dient zugleich der Beheizung des Fahrzeug-Innenraumes und durchströmt hierzu insbesondere einen Heizungs-Wärmetau­ scher, der vom in den Fahrzeug-Innenraum gelangenden Zu­ luftstrom durchströmt wird und selbstverständlich stromab des Verdampfers angeordnet ist.

Unter widrigen Umständen kann durch den extrem kalten Ab­ luftstrom aus dem Fahrzeug-Innenraum am Verdampfer eine unerwünschte Vereisung auftreten. Um dies sicher zu ver­ hindern, ist nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß der Wärmeträgerkreislauf stromab einer Wärmequelle mit dem Kältemittelkreislauf in wärmeübertragende Verbindung gebracht werden kann. Bei dieser Wärmequelle kann es sich neben der bereits ange­ sprochenen Hochleistungs-Antriebsbatterie eines Elektro­ fahrzeuges, die stets auf einem gewissen hohen Tempera­ turniveau gehalten werden muß, auch um einen Wärmespei­ cher, so beispielsweise einen Latentwärmespeicher, han­ deln, der in den Wärmeträgerkreislauf eingebunden sein kann. Steht nun der Kältemittelkreislauf mit dem durch die Wärmequelle zumindest geringfügig erwärmten Wärmeträ­ gerkreislauf in wärmeübertragender Verbindung, so wird bei noch kaltem durch den Verdampfer geführten Abluft­ strom der Kältemittelkreislauf zumindest geringfügig er­ wärmt. Eine Vereisung am Verdampfer wird hiermit sicher ausgeschlossen. Selbstverständlich empfiehlt es sich, diese wärmeübertragende Verbindung zwischen dem Wärmeträ­ gerkreislauf und dem Kältemittelkreislauf nur solange als unbedingt erforderlich herzustellen, d. h. beispielsweise solange die Temperatur des aus dem Fahrzeug-Innenraum ab­ geführten Abluftstromes unterhalb 0°C liegt. Überschrei­ tet die Ablufttemperatur hingegen diesen für eine Verei­ sung kritischen Wert, so kann die vorgesehene schaltbare Abzweigung zum Herstellen dieser wärmeübertragenden Ver­ bindung wieder geschlossen werden. Danach wird der Wärme­ trägerkreislauf wie üblich geführt, ohne den Kältemittel­ kreislauf zu beheizen.

Eine Möglichkeit, dem Kältemittelkreislauf Wärme durch den Wärmeträgerkreislauf zuzuführen, besteht darin, im Kältemittelkreislauf einen ebenfalls vom Wärmeträger­ kreislauf durchströmten Fluid-Fluid-Wärmetauscher vorzu­ sehen. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform fungiert der ohnehin vorhandene Verdampfer zugleich als ein derartiger Fluid-Fluid-Wärmetauscher. Hierzu ist eine den Wärmeträgerkreislauf führende Rohrschlange vor den Verdampferrohren in den Verdampfer integriert, d. h. der Wärmeträgerkreislauf ist nahe des Kältemittelkreislaufes über die ansonsten der Luftführung durch den Verdampfer dienenden Verdampfer-Lamellen geführt.

Wie eingangs erläutert, wird zumindest der in den Fahr­ zeug-Innenraum rückgeführte Abluftstrom über den Verdamp­ fer geleitet, um die Luftmassen zu entfeuchten. Vorteil­ hafterweise ist hiermit auch eine Wärmerückgewinnung der mit dem Abluftstrom abgeführten Wärmemenge möglich. Rück­ gewonnen werden kann diese Wärmemenge vollständig, wenn der Abluftstrom vollständig durch den Verdampfer geführt ist und stromab dieses Verdampfers eine Luftstrom- Steuereinheit vorgesehen ist, die den Zuluftstrom in den Fahrzeug-Innenraum aus einem Abluft-Teilstrom sowie einem Frischluftstrom zusammensetzt. Dabei kann diese Luft­ strom-Steuereinheit so ausgebildet sein, daß ein beliebi­ ger Anteil von Abluft zwischen 0% und 100% eingestellt werden kann; komplementär hierzu wird ein entsprechender Frischluftstrom beigegeben. Der nicht in den Fahrzeug-In­ nenraum gelangende Abluft-Reststrom wird durch diese Luftstrom-Steuereinheit in die Umgebung abgeführt. Alter­ nativ ist es selbstverständlich möglich, diese oder eine weitere Luftstrom-Steuereinheit vor dem Verdampfer anzu­ ordnen. Hierdurch kann vorteilhafterweise der beigemengte Frischluftstrom im Verdampfer abgekühlt werden, was einer Klimatisierung insbesondere bei hohen Umgebungstemperatu­ ren förderlich ist. Da bei derartigen Umgebungsbedingun­ gen der in den Fahrzeug-Innenraum gelangende Zuluftstrom selbstverständlich nicht beheizt werden soll, empfiehlt es sich, den Wärmeträgerkreislauf schaltbar durch einen Bypass zum Heizungswärmetauscher strömen zu lassen. Hin­ gegen kann bei niedrigen Umgebungstemperaturen eine wei­ tere Abkühlung des Wärmeträgerkreislaufes an einem Kühler unerwünscht sein, so daß auch zu einem derartigen Kühler, der andererseits wiederum bei hohen Umgebungstemperaturen benötigt wird, ein schaltbarer Bypass vorgesehen sein kann.

Zwei beigefügte und im folgenden beschriebene Prin­ zipskizzen dienen als bevorzugte Ausführungsbeispiele der näheren Erläuterung der Erfindung.

Jeweils mit der Bezugsziffer 1 ist ein zu klimatisieren­ der Innenraum eines Kraftfahrzeuges bezeichnet. Mittels eines Gebläses 2 wird hierzu ein Zuluftstrom 3 in den In­ nenraum 1 gefördert, während ein Abluftstrom 4 aus dem Innenraum 1 abgeführt wird. Der Zuluftstrom 3 passiert einen Heizungswärmetauscher 5, der in einen in seiner Ge­ samtheit mit 6 bezeichneten Wärmeträgerkreislauf einge­ bunden ist, sowie eine elektrische Zusatzheizung 7. Fer­ ner ist ein luftdurchströmter Verdampfer 8 vorgesehen, der in einen in seiner Gesamtheit mit 9 bezeichneten Käl­ temittelkreislauf eingebunden ist.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist in Strömungs­ richtung des Zuluftstromes 3 betrachtet stromauf des Ver­ dampfers 8 eine Luftstrom-Steuereinheit 10 vorgesehen, die den Zuluftstrom 3 aus einem Abluft-Teilstrom 4a und einem Frischluftstrom 3′ zusammensetzt. Der komplementäre Abluft-Reststrom 4b wird in die Umgebung abgeführt. Mit dieser Anordnung ist es somit möglich, den in den Fahr­ zeug-Innenraum 1 gelangenden Zuluftstrom 3 vollständig am Verdampfer 8 des Kältemittelkreislaufes 9 abzukühlen. Wie bekannt, erfolgt dabei auch eine Entfeuchtung insbeson­ dere des Abluft-Teilstromes 4a, der aufgrund der Verhält­ nisse im Innenraum 1 zumeist einen relativ hohen Feuch­ tigkeitsanteil aufweist. Mit der Entfeuchtung wird dem Abluftstrom 4 am Verdampfer 8 Wärme entzogen, die - wie später noch beschrieben - bedarfsweise wieder genutzt werden soll.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist die Luftstrom- Steuereinheit stromab des Verdampfers 8 angeordnet. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß der Abluftstrom 4 voll­ ständig durch den Verdampfer gelangt, so daß die am Ver­ dampfer frei werdende Abwärme des Abluftstromes 4 voll­ ständig zurückgewonnen werden kann. Jedoch gelangt bei diesem Ausführungsbeispiel der Frischluftstrom 3′ nicht über den Verdampfer, so daß bei reinem Frischluftbetrieb keine Abkühlung des Zuluftstromes möglich ist. Zur Förde­ rung des Abluftstromes ist bei diesem Ausführungsbeispiel ferner ein weiteres Gebläse 2′ vorgesehen. Beiden Ausfüh­ rungsbeispielen ist jedoch gemein, daß mit der Luftstrom- Steuereinheit 10 eine beliebige Zusammensetzung des Zu­ luftstromes 3 aus einem Anteil eines Frischluftstromes 3′ sowie aus einem beliebigen Anteil eines Abluftstromes 4 erfolgt.

Der bereits kurz erwähnte Wärmeträgerkreislauf 6 dient nicht nur der bedarfsweisen Beheizung des in den Innen­ raum 1 gelangenden Zuluftstromes 3, sondern darüber hin­ aus der Temperierung der elektrischen Antriebseinheit des Fahrzeuges. Diese elektrische Antriebseinheit besteht im einzelnen aus einem Elektromotor 11, einer Hochleistungs- Antriebsbatterie 12, sowie einer in ihrer Gesamtheit mit 13 bezeichneten Leistungselektronik. Diese Komponenten bedürfen der Kühlung bzw. Temperierung. So muß beispiels­ weise die Hochleistungs-Antriebsbatterie 12 auf einem ge­ wissen Temperaturniveau gehalten werden, wozu ein batte­ rieeigener, nicht gezeigter Ölkreislauf vorgesehen ist, der mit dem Wärmeträgerkreislauf 6 wiederum in wärmeüber­ tragender Verbindung steht. Zur Vereinfachung ist dieser Sachverhalt so dargestellt, als ob der Wärmeträgerkreis­ lauf 6 selbst durch die Antriebsbatterie 12 strömt.

In den Wärmeträgerkreislauf 6 eingebunden ist neben den bereits erwähnten Komponenten der elektrischen An­ triebseinheit ein Latentwärmespeicher 14, der bereits er­ wähnte Heizungswärmetauscher 5, eine Umwälzpumpe 15 für das Wärmeträgermittel, ein Kühler 16, sowie der Kondensa­ tor 17 des Kältemittelkreislaufes 9. Vorgesehen ist des­ weiteren ein schaltbarer Bypass 5′ zum Heizungswärmetau­ scher 5, ein schaltbarer Bypass 16′ zum Kühler 16, ein schaltbarer Bypass 11′ zum Elektromotor 11, sowie eine schaltbare Abzweigung 18, mit der der Wärmeträgerkreis­ lauf 6 mit dem Kältemittelkreislauf 9 in wärmeübertra­ gende Verbindung gebracht werden kann.

Beim Kältemittelkreislauf 9 handelt es sich um einen Kom­ pressions-Kältemittelkreislauf, so daß neben dem Verdamp­ fer 8 sowie dem Kondensator 17 ein Kompressor 19 sowie ein Expansionsventil 20 vorgesehen sind. Ferner ist in diesem Kältemittelkreislauf 9 ein Fluid-Fluid-Wärmetau­ scher 21 eingebunden, der die wärmeübertragende Verbin­ dung zwischen der Abzweigung 18 des Wärmeträgerkreis­ laufes 6 sowie dem Kältemittelkreislauf 9 herstellt.

Wie bereits erläutert, wird dem durch den Verdampfer 8 hindurchströmenden Luftstrom eine Wärmemenge entzogen, die durch den Kompressor 19 zum Kondensator 17 hochge­ pumpt wird. Indem dieser Kondensator 17 in den Wärmeträgerkreislauf 6 eingebunden ist, ist es möglich, mittels der entzogenen Abwärme anschließend an einen Start des vollständig ausgekühlten Fahrzeuges den Wärme­ trägerkreislauf 6 schneller zu erwärmen. Diese Wärme kann im Winterbetrieb dazu genutzt werden, über den Heizungs­ wärmetauscher wiederum den Zuluftstrom 3 zu erwärmen und somit den Fahrzeug-Innenraum 1 aufzuheizen. Kurzfristig erwärmt wird der Wärmeträgerkreislauf 6 ferner durch den Latentwärmespeicher 14 sowie durch die ohnehin funktions­ bedingt ein hohes Temperaturniveau aufweisende Antriebs­ batterie 12. Nicht erwünscht ist nach einem solchen Kalt­ start jedoch eine künstliche Erwärmung des Elektromotors 11, da darüber hinaus dessen Erwärmung durch den Wärmeträgerkreislauf 6 eine Beheizung des Innenraumes 1 unnötig verzögern würde. Daher ist in diesem Falle der Bypass 11′ geöffnet, so daß der Elektromotor 11 vom Wärmeträgerkreislauf 6 zunächst nicht durchströmt wird.

Ebenfalls beim geschilderten Winterbetrieb könnte bei einer Lufttemperatur im Fahrzeug-Innenraum unterhalb von 0°C jedoch eine Vereisung am Verdampfer 8 die Folge sein. Um eine derartige Vereisung zu verhindern, wird dann der Kältemittelkreislauf 9 mit dem Wärmeträgerkreis­ lauf 6 in wärmeübertragende Verbindung gebracht. Hierzu wird die Abzweigung 18 zugeschaltet, so daß der Wärmeträ­ gerkreislauf 6 durch den Fluid-Fluid-Wärmetauscher 21 strömt.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist dieser Fluid- Fluid-Wärmetauscher 21 als separater Wärmetauscher ausge­ bildet, der in den Kältemittelkreislauf 9 kompressor­ saugseitig eingebunden ist. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 hingegen fungiert der Verdampfer 8 selbst als die­ ser Fluid-Fluid-Wärmetauscher 21. Hierzu ist der Wärme­ trägerkreislauf 6 in einer separaten Rohrschlange im Ver­ dampfer 8 geführt.

Selbstverständlich erfolgt die Beheizung des Kältemittel­ kreislaufes 9 durch den Wärmeträgerkreislauf 6 über die schaltbare Abzweigung 18, die zur Effizienzsteigerung stromab einer Wärmequelle, so beispielsweise stromab der Antriebsbatterie 12 oder auch stromab des Latentwärme­ speichers 14 vorgesehen ist, nur solange, als tatsächlich eine Vereisungsgefahr am Verdampfer 8 besteht. Ist hinge­ gen die Temperatur des durch den Verdampfer 8 gelangenden Luftstromes über 0°C angestiegen, so kann die Abzweigung 18 abgeschaltet werden und der Wärmeträgerkreislauf strömt in den gezeigten Ausführungsbeispielen wieder di­ rekt von der Antriebsbatterie 12 zum Latentwärmespeicher 14. Weiterhin wird jedoch am Verdampfer 8 Abwärme aus dem Abluftstrom 4 gewonnen, die über den Kältemittelkreislauf 9 sowie über den Kondensator 17 dem Wärmeträgerkreislauf 6 wieder zugeführt wird. Eine derartige Nutzung der Ab­ wärme bzw. Zufuhr zum Wärmeträgerkreislauf 6 ist jedoch nur im Heizbetrieb von Nutzen. In diesem Heizbetrieb strömt der Wärmeträgerkreislauf 6 vollständig durch den Heizungswärmetauscher 5, wohingegen der Bypass 5′ ge­ schlossen ist. Geöffnet ist hingegen der Bypass 16′ zum Kühler 16, da im Sinne einer intensiven Beheizung des Fahrzeug-Innenraumes 1 eine weitere Wärmeabgabe des Wär­ meträgerkreislaufes 6 am Kühler 16 unerwünscht ist.

Ist zu einem späteren Zeitpunkt der Innenraum 1 vollstän­ dig erwärmt, so kann hingegen zur Aufrechterhaltung eines gewünschten Temperaturniveaus im Wärmeträgerkreislauf 6 der Kühler 16 durchströmt werden. Dann wird auch ein Küh­ lergebläse 22 zur Förderung eines Kühlluftstromes durch den Kühler zugeschaltet. Nach einer gewissen Betriebszeit des Elektrofahrzeuges kann es darüber hinaus erforderlich werden, den Elektromotor 11 zu kühlen, so daß dann der Bypass 11′ geschlossen wird und der Wärmeträgerkreislauf 6 somit über den Elektromotor geführt wird. Nicht expli­ zit dargestellt ist ferner der Wärmeträgerkreislauf 6, wie er bei hohen Umgebungstemperaturen verläuft. In die­ sem Falle ist eine Beheizung des in den Innenraum 1 ge­ langenden Zuluftstromes 3 unerwünscht, so daß der Bypass 5′ zum Heizungswärmetauscher geöffnet und ein Durchströ­ men des Heizungswärmetauschers 5 selbst verhindert wird. In diesem Falle ist es erforderlich, die u. a. in der Fahrzeug-Antriebseinheit anfallende Wärmemenge vollstän­ dig über den Kühler 16 abzuführen. Ferner kann es er­ wünscht sein, den Zuluftstrom 3 am Verdampfer 8 abzuküh­ len. Daher muß auch die am Kondensator 17 anfallende Ab­ wärme des Kältemittelkreislaufes 9 über den Wärmeträger­ kreislauf 6 sowie den Kühler 16 an die Umgebung abgeführt werden. Im übrigen ist auch bei der Abkühlung des Zuluft­ stromes 3 am Verdampfer 8 ein hoher Anteil des Abluft­ stromes 4 am Zuluftstrom 3 erwünscht und vorteilhaft, da dann bei hohen Umgebungstemperaturen lediglich eine ge­ ringe Kälteleistung erforderlich ist. Stets ist es somit möglich, mit dem aufgezeigten Wärmeträgerkreislauf die jeweils anfallende Abwärme bzw. die aus anderen Wärme­ quellen kommende Wärme optimal zu nutzen. Gewährleistet ist eine höchste Funktionssicherheit, wobei auch Abwand­ lungen von den gezeigten Ausführungsbeispielen möglich sind, die weiterhin unter den Umfang der Patentansprüche fallen.

Claims (6)

1. Kraftfahrzeug mit einem Wärmeträgerkreislauf (6), der der Temperierung einer insbesondere elektrischen Antriebseinheit (11, 12, 13) und bedarfsweise eines in den Fahrzeug-Innenraum (1) gelangenden Zuluft­ stromes (3) dient, wobei der Zuluftstrom (3) aus einem Abluftstrom (4) aus dem Fahrzeug-Innenraum (1) gespeist werden kann und zumindest der Abluftstrom (4) über einen Verdampfer (8) eines weiterhin einen Kondensator (17) enthaltenden Kältemittelkreislaufes (9), insbesondere eines Kompressions-Kältemittel­ kreislaufes, geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (17) als Fluid-Fluid-Wärmetauscher in den Wärmeträgerkreis­ lauf (6) eingebunden ist.

2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträgerkreislauf (6) stromab einer Wärmequelle (12, 14) mit dem Käl­ temittelkreislauf (9) in wärmeübertragende Verbin­ dung gebracht werden kann.

3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Wärmeträgerkreislauf (6) stromab einer Fahrzeug-Antriebsbatterie (12) oder eines Wärmespeichers (14) eine schaltbare Ab­ zweigung (18) zu einem im Kältemittelkreislauf (9) eingebundenen Fluid-Fluid-Wärmetauscher (21) vorge­ sehen ist.

4. Kraftfahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (8) zu­ sätzlich als Fluid-Fluid-Wärmetauscher (21) zwischen dem Wärmeträgerkreislauf (6) sowie dem Kältemittel­ kreislauf (9) fungiert, wozu der Wärmeträgerkreis­ lauf (6) nahe des Kältemittelkreislaufes (9) über die ansonsten der Luftführung durch den Verdampfer (8) dienenden Verdampfer-Lamellen geführt ist.

5. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Luftstrom- Steuereinheit (10) zur Zusammensetzung des Zuluft­ stromes (3) aus einem Abluft-Teilstrom (4a) und/oder einem Frischluftstrom (3′) ggf. unter Abfuhr des komplementären Abluft-Reststromes (4b) stromauf und/oder stromab des Verdampfers (8) angeordnet ist.

6. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträgerkreislauf (6) jeweils schaltbar einen vom Zuluftstrom (3) be­ aufschlagten Heizungswärmetauscher (5) oder einen Bypass (5′) hierzu und/oder einen von einem separa­ ten Kühlluftstrom beaufschlagten Kühler (16) oder einen Bypass (16′) hierzu durchströmt.