Kälteanlage, insbesondere Kraftfahrzeug-Klimaanlage

Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage, insbesondere eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage, mit einem von CO2 als Kältemittel durchströmten Kältemittelkreislauf, der einen Verdichter, einen Kondensator bzw. Gaskühler, ein Expansionsventil mit einem regelbaren Drosselquerschnitt sowie einen Verdampfer umfasst.

Stand der Technik

Kälteanlagen und insbesondere Kraftfahrzeug-Klimaanlagen mit einem von CO2 durchströmten Kältemittelkreislauf werden in Zukunft immer größere Bedeutung erlangen, da sich CO2 anders als herkömmliche Kältemittel, wie Fluor-Kohlenwasserstoffe, problemlos entsorgen lässt. Beim Betrieb einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage mit CO2 ist jedoch im Unterschied zu einem Betrieb mit herkömmlichen Kältemitteln zumindest unter gewissen Umgebungsbedingungen eine überkritische Betriebsweise erforderlich. Dabei wird das CO2 in dem als Wärmeübertrager dienenden Kondensator nicht kondensiert, sondern in einem überkritischen Zustand lediglich abgekühlt, weshalb der Kondensator auch als Gaskühler bezeichnet wird.

In Kälteanlagen, die mit einem Kältemittel betrieben werden, das wie CO ₂ aufgrund seiner thermodynamischen Eigenschaften Wärme im überkritischen Bereich abgeben kann, kann der Druck des Kältemittels bei der Wärmeabgabe anders als bei Kältemitteln mit Wärmeabgabe im Nassdampfbereich unabhängig von der Umgebungstemperatur eingestellt werden. Um eine Ausnutzung dieses zusätzlichen Freiheitsgrades zur Erzielung optimaler Wirkungsgrade oder Kälte-

leistungen zu ermöglichen, können die Kälteanlagen mit einem regelbaren Expansionsventil ausgestattet werden. Dieses Expansionsventil dient zur Regelung des im Kältemittelkreislauf herrschenden Hochdrucks, um diesen unter den jeweiligen Betriebsbedingungen, wie Umgebungstemperatur und Temperatur im Verdampfer, auf einen Wert einzustellen, bei dem der Wirkungsgrad bzw. die Kälteleistung der Kälteanlage optimal ist, wodurch bei einer Kraftfahrzeug- Klimaanlage der Kraftstoffverbrauch für den Betrieb der Klimaanlage erheblich reduziert werden kann.

Um eine gewünschte Einstellung des Hochdrucks zu ermöglichen, muss sich der Drosselquerschnitt des Expansionsventils in Abhängigkeit von den jeweiligen Betriebsbedingungen und in Abhängigkeit von der gewählten Betriebsstrategie, das heißt entweder Optimie- rung der Kälteleistung oder Optimierung des Wirkungsgrades bzw. der Leistungszahl (COP), verstellen lassen. Wenn die gewählte Betriebsstrategie feststeht, ergibt sich eine Abhängigkeit zwischen dem im Kältemittelkreislauf herrschenden Hochdruck und einem für einen optimalen Betrieb der Anlage erforderlichen Drosselquerschnitt. Die- ser erforderliche Drosselquerschnitt ist in Fig. 2 der Zeichnung für verschiedene repräsentative Betriebspunkte für eine maximale Kälteleistung durch schwarze Quadrate und für einen maximalen Wirkungsgrad durch schwarze Rauten dargestellt, wobei im zuerst genannten Fall mindestens ein Verstell- oder Regelbereich von 0,6 bis 2 mm ² und im zuletzt genannten Fall mindestens ein Verstell- oder Regelbereich von 0,1 bis 1 ,7 mm ² erforderlich ist, wenn unter allen auftretenden Betriebsbedingungen eine optimale Kälteleistung bzw. ein optimaler Wirkungsgrad erzielt werden soll. Die Regelaufgabe besteht dann darin, den Drosselquerschnitt des Expansionsventils druckabhängig zu verstellen und dabei so einzuregeln, dass er auf

den Punkten mit optimaler Kälteleistung bzw. optimalem Wirkungsgrad liegt, entsprechend den in Fig. 2 dargestellten schwarze Quadraten bzw. schwarzen Rauten, wofür die in Fig. 2 dargestellten Kurve A eine erste Näherung darstellt. Expansionsventile, deren Drossel- querschnitt über einen Bereich von 0 bis 2 mm ² verstellbar und für eine mit CO ₂ betriebene Kälteanlage geeignet sind, haben jedoch den Nachteil, dass sie konstruktiv relativ aufwändig sind und eine der Regelung entsprechende Ansteuerung erforderlich machen, wodurch sie verhältnismäßig teuer sind.

Um diese Kosten zu verringern und die Kälteanlage zu vereinfachen, wurde bereits überlegt, an Stelle eines regelbaren Expansionsventils eine feste Drossel (Orifice) zu verwenden, die einen konstanten, d.h. von dem im Kältemittelkreislauf herrschenden Hochdruck unabhän- gigen Drosselquerschnitt aufweist, wie in Fig. 2 durch die horizontale Gerade B dargestellt. Jedoch ermöglicht es der Einsatz einer festen Drossel nicht, die Kälteanlage mit einer optimalen Kälteleistung oder einem optimalen Wirkungsgrad zu betreiben. Außerdem muss der Verdichter in Kälteanlagen mit einer festen Drossel abgeregelt wer- den, um einen Anstieg des Hochdrucks über den zulässigen Betriebsdruck der Anlage zu verhindern.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Kälteanlage mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, dass durch die Begrenzung des Verstell- oder Regelbereichs einfach aufgebaute, in hohen Stückzahlen für Bremsanlagen von Kraftfahrzeugen hergestellte Ventile eingesetzt werden können, die im Vergleich zu her- kömmlichen regelbaren Expansionsventilen für mit CO ₂ betriebene

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Kälteanlagen erheblich preiswerter sind. Diese Expansionsventile haben zwar nur einen maximalen Drosselquerschnitt von etwa 1 mm ² bzw. einen Verstell- oder Regelbereich zwischen 0 und etwa 1 mm ² , jedoch ist dieser bei moderaten Umgebungsbedingungen aus- reichend, um für einen optimalen Wirkungsgrad bzw. eine optimale Kälteleistung der Kälteanlage zu sorgen. Da während des größten Teils der jährlichen Betriebsstunden einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage moderate Umgebungsbedingungen vorherrschen, wird eine substantielle Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs der Klimaanlage ermög- licht und insgesamt eine kostengünstige Betriebsweise gewährleistet. Demgegenüber sind höhere Umgebungstemperaturen, die für einen optimalen Betrieb der Klimaanlage größere Drosselquerschnitte erforderlich machen würden, hinsichtlich ihrer Zeitdauer und damit hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs nur von untergeordneter Bedeu- tung und können daher vernachlässigt werden. Neben den zuvor genannten Vorteilen besitzen die für Bremsanlagen von Kraftfahrzeugen hergestellten Ventile, wie zum Beispiel ein unter der Bezeichnung MV1.80 von der Robert Bosch GmbH erhältliches Ventil, zudem eine geringere Ansteuerleistung, ein geringeres Gewicht und einen kleineren Bauraum als herkömmliche regelbare Expansionsventile für Kälteanlagen und gestatten darüber hinaus infolge ihres geringen Drosselquerschnitts einen Taktbetrieb ohne die Erzeugung hörbarer Geräusche.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann eine feste Drossel mit einem konstanten Drosselquerschnitt parallel zum regelbaren Expansionsventil geschaltet sein, wobei der Gesamt- Drosselquerschnitt der festen Drossel und des regelbaren Expansionsventils maximal etwa 1 mm ² beträgt und wobei der Drosselquer-

schnitt der festen Drossel (Orifice) zweckmäßig kleiner als der Drosselquerschnitt des Expansionsventils ist.

Die feste Drossel kann ein getrenntes Bauteil sein, ist jedoch zweckmäßig in Form einer Bypassbohrung in einem Ventilblock des regelbaren Expansionsventils ausgebildet.

An Stelle einer festen Drossel kann auch ein parallel zum Expansionsventil geschaltetes überströmventil vorgesehen sein, das zugleich als Druckbegrenzung dient und bei überschreiten eines ersten vorbestimmten Hochdrucks im Kältemittelkreislauf öffnet, zum Beispiel bei 120 bar, und bei einem zweiten vorbestimmten Hochdruck, zum Beispiel bei 130 bar, mit einem den Drosselquerschnitt des Expansionsventils übersteigenden öffnungsquerschnitt voll ge- öffnet ist. Der öffnungsdruck des überströmventils entspricht zweckmäßig dem Hochdruck, bei dem bei einem maximalen Drosselquerschnitt des Expansionsventils ein optimaler Wirkungsgrad oder eine optimale Kälteleistung erzielt wird.

Selbstverständlich ist es auch möglich, sowohl ein überströmventil und eine feste Drossel parallel zum Expansionsventil zu schalten, wodurch sich die Vorteile des überströmventils mit denen der festen Drossel kombinieren lassen.

Das Expansionsventil kann eine beliebige geeignete Bauart aufweisen, zum Beispiel als Kegel- oder Kugelventil mit einem Kegel- bzw. Kugelsitz für ein entsprechendes Ventilglied, als Nadelventil oder als Schiebehülsenventil ausgebildet sein und nach Bedarf als Proportionalventil oder als getaktetes Ventil betrieben werden, wobei es in jeder dieser beiden Betriebsarten elektrisch angesteuert wird.

Zur Leistungssteigerung kann die Kälteanlage zweckmäßig einen inneren Wärmeübertrager umfassen, in dem das aus dem Kondensator bzw. Gaskühler zum Expansionsventil strömende verdichtete Kältemittel durch Wärmetausch mit dem vom Verdampfer zum Verdichter strömenden Kältemittel abgekühlt wird.

Bei Kälteanlagen und insbesondere Kraftfahrzeug-Klimaanlagen der eingangs genannten Art, die neben dem Verdampfer noch einen zweiten Verdampfer umfassen, kann das regelbare Expansionsventil mit einem maximalen Drosselquerschnitt von weniger als 1 mm ² auch mit Vorteil zur Regelung eines Kältemassenstroms des zweiten Verdampfers eingesetzt werden.

Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend in einigen Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines von CO2 durchströmten Kältemittelkreislaufs einer Kraftfahrzeug- Klimaanlage mit einem Expansionsorgan und einem inneren Wärmeübertrager;

Figur 2 eine Darstellung der Drosselquerschnitte eines Expansionsorgans einer Kälteanlage für maximalen Wirkungsgrad (schwarze Quadrate) bzw. für maximale Kälteleitung (schwarze Rauten) in Abhängigkeit vom Hochdruck, sowie mit Näherungskurven für die Ansteu- erung eines bekannten regelbaren Expansionsventils

mit einem Verstellbereich des Drosselquerschnitts von 0 bis 2 mm ² , einer bekannten festen Drossel (Orifice) mit einem Drosselquerschnitt von 0,32 mm ² und eines erfindungsgemäßen Expansionsventils mit einem Re- gelbereich von 0 bis 1 mm ² ;

Figur 3 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des Expansionsorgans aus Fig. 1 ;

Figur 4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des Expansionsorgans aus Fig. 1 ;

Figur 5 eine teilweise geschnittene Darstellung eines Ventilblocks der Ausführungsform aus Figur 4;

Figur 6 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des Expansionsorgans aus Fig. 1 ;

Figur 7 eine schematische Darstellung einer vierten Ausfüh- rungsform des Expansionsorgans aus Fig. 1.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der in Figur 1 dargestellte Kältemittelkreislauf 2 einer mit CO2 als Kältemittel betriebenen Kraftfahrzeug-Klimaanlage 4 besteht in bekannter Weise im Wesentlichen aus einem Kompressor 6, einem ölabscheider 8, einem Gaskühler 10 und einem ersten Teil 12 eines inneren Wärmetauschers 14, die in einem Hochdruckabschnitt 16 des Kältemittelkreislaufs 2 hinter dem Kompressor 6 angeordnet sind und vom verdichteten Kältemittel durchströmt werden, einem Expan-

sionsorgan 18 zum Entspannen und Abkühlen des verdichteten Kältemittels, sowie einem als Wärmetauscher ausgebildeten Verdampfer 20 und einem Sammler 22, die zusammen mit einem zweiten Teil 24 des inneren Wärmetauschers 12 in einem Niederdruckabschnitt 26 des Kältemittelkreislaufs 2 zwischen dem Expansionsorgan 18 und der Saugseite des Kompressors 6 angeordnet sind.

In dem vom Verbrennungsmotor oder einem Elektromotor (nicht dargestellt) des Kraftfahrzeugs angetriebenen Kompressor 6 wird das gasförmige Kältemittel verdichtet, um seine innere Energie zu erhöhen. Anschließend wird das Kältemittel durch den ölabscheider 8 hindurchgeführt, um im Kältemittel enthaltene ölrückstände abzuscheiden und sie zur Schmierung des Kompressors 6 durch eine Rückführleitung 28 zu diesem zurückzuführen. Danach wird das ver- dichtete Kältemittel in dem als Wärmetauscher dienenden Gaskühler 10 mit zugeführter Umgebungsluft 30 abgekühlt, wobei das Kältemittel einen Teil seiner inneren Wärmeenergie abgibt und einen überkritischen gasförmigen Zustand annimmt. Vom Gaskühler 10 aus strömt das verdichtete Kältemittel im Gegenstrom zu dem durch den Niederdruckabschnitt 26 strömenden Kältemittel durch den inneren Wärmetauscher 12, wobei seine Temperatur weiter abgesenkt wird. Im Expansionsorgan 18 wird das Kältemittel anschließend entspannt und dabei noch ein weiteres Mal abgekühlt, bevor es anschließend durch den als Wärmetauscher ausgebildeten Verdampfer 20 strömt und in diesem mindestens teilweise verdampft. Durch den Verdampfer 20 wird ein zu kühlendes Medium geblasen, zum Beispiel zu Kühlzwecken in die Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs zugeführte Luft 32.

Das Expansionsorgan 18 umfasst ein elektrisch regelbares Expansionsventil 34, wie in Figur 1 und 3 dargestellt, dessen Drosselquerschnitt in Abhängigkeit von dem jeweils im Hochdruckabschnitt 16 herrschenden, von einem Sensor (nicht dargestellt) gemessenen Hochdruck verändert wird. Das Expansionsventil 34 weist einen Regelbereich von 0 bis 1 mm ² auf und wird beispielsweise von einem in hohen Stückzahlen für Bremsanlagen von Kraftfahrzeugen mit Anti- blockiersystem (ABS) oder elektronischem Stabilitätsprogramm (ESP) hergestellten Ventil gebildet, das von der Firma Robert Bosch GmbH unter der Bezeichnung MV1.80 erhältlich ist. Dieses Ventil weist bei moderaten Umgebungsbedingungen eine gute Regelcharakteristik auf und ermöglicht es, die Klimaanlage unterhalb einer Umgebungstemperatur von etwa 25 ⁰ C in Abhängigkeit vom Hochdruck mit einer optimalen Kälteleistung bzw. einem optimalen Wir- kungsgrad zu betreiben, wie durch die Näherungskurve C für die Ansteuerung des Expansionsventils 34 in Fig. 2 dargestellt. Im Unterschied zur Näherungskurve A für die Ansteuerung von bekannten regelbaren Expansionsventilen verläuft die Kurve C bei Eintrittsdrücken von mehr als 118 bar am Eingang des Expansionsorgans 18 horizontal, d.h. parallel zur Geraden B, so dass ein überschreiten des zulässigen Betriebsdrucks der Klimaanlage 4 verhindert werden muss.

Die Figuren 4 bis 7 zeigen weitere mögliche Ausführungsformen des Expansionsorgans 18, wobei das in Figur 4 und 5 dargestellte Expansionsorgan 18 neben dem regelbaren Expansionsventil 34 eine parallel zu diesem geschaltete feste Drossel (Orifice) 36 umfasst. Wie in Figur 5 dargestellt, ist die feste Drossel 36 als schräge By- passbohrung 38 zwischen einer radialen Ventileinlassbohrung 40 und einer axialen Ventilauslassbohrung 42 in einem Ventilblock 44

des Expansionsorgans 18 ausgebildet, wobei der Querschnitt der Bypassbohrung 38 zum Beispiel 0,2 mm ² beträgt, während der Drosselquerschnitt des regelbaren Expansionsventils 34 in Abhängigkeit vom Hochdruck zwischen 0 und 0,5 mm ² oder zwischen 0 und 0,8 mm ² regelbar ist und wegen der kleinen Querschnitte besonders gut für einen Taktbetrieb geeignet ist. Das regelbare Expansionsventil 34 ist ein elektrisch angesteuertes Ventil, das in Abhängigkeit von der gewählten Betriebsart, d.h. Taktbetrieb oder Proportionalbetrieb, und den vorhandenen Einbauverhältnissen als Kugel-, Kegel-, Nadel- oder Schiebehülsenventil ausgebildet sein kann.

Das in Figur 6 dargestellte Expansionsorgan 18 enthält neben dem regelbaren Expansionsventil 34 ein überströmventil 46, das sich zum Beispiel bei einem Druck von 120 bar öffnet und bei 130 bar voll ge- öffnet ist, so dass auf diese Weise ein überschreiten des zulässigen Betriebsdrucks der Klimaanlage 4 im horizontalen Teil der Kurve C verhindert werden kann. Bei Verwendung des in Figur 3 und 4 dargestellten Expansionsventils 34 könnte dies durch Abregein des Kompressors 6 erreicht werden. Das in Figur 7 dargestellte Expansi- onsorgan 18 enthält neben dem Expansionsventil 34 eine feste Drossel 36 und ein überströmventil 46, die beide parallel zum Expansionsventil 34 geschaltet sind.

Wieder Bezug nehmend auf Figur 1 , dient der dem Verdampfer 20 nachgeschaltete Sammler 22 dazu, das nach dem Hindurchtritt durch den Verdampfer 20 noch flüssige, das heißt nicht verdampfte Kältemittel zu sammeln und zu speichern, um es bei Bedarf, zum Beispiel bei einer Reduzierung der Drehzahl des Kompressors 6, wieder aus dem Sammler 22 in den Verdampfer 20 zurückzuführen. Das im Ver- dampfer 20 verdampfte gasförmige Kältemittel wird vom Kompressor

6 angesaugt, wobei es durch den Niederdruckabschnitt 26 und den zweiten Teil 24 des inneren Wärmetauschers 14 strömt und sich unter gleichzeitiger Abkühlung des Kältemittels im Hochdruckabschnitt 16 erwärmt.