Anordnung und Verfahren zum Kühlen Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Kühlen mit ei- nem ein Kältemittel führenden Kreislauf, einem ersten Wärmeübertrager zur Abgabe. von Wärme an ein Wärmereser- voir, einem zweiten Wärmeübertrager zur Entnahme von Wär- me aus einem zu kühlenden Raum, einem Kompressor und ei- nem Expansionsorgan. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Kühlen mittels einer Anordnung mit einem ein Kältemittel führenden Kreislauf, einem ersten Wärmeü- bertrager zur Abgabe von Wärme an ein Wärmereservoir, ei- nem zweiten Wärmeübertrager zur Entnahme von Wärme aus einem zu kühlenden Raum, einem Kompressor und einem Ex- pansionsorgan, mit den Schritten : Betreiben des Kompres- sors und Leiten des Kältemittel durch den das Kältemittel führenden Kreislauf.

Stand der Technik Gattungsgemäße Anordnungen und Verfahren werden insbeson- dere zur Klimatisierung von Fahrzeuginnenräumen verwen- det.

In Figur 3 ist schematisch eine Klimaanlagenschaltung ge- zeigt. In einen ersten Wärmeübertrager 110 tritt ein ers-

tes Medium ein, welches einen Kreislauf 160 durchströmt.

Das Medium gibt an die Umgebungsluft 162 Wärme ab und kühlt somit selbst ab. Aus dem Wärmeübertrager 110 tritt ein abgekühltes Medium aus. Dieses abgekühlte Medium wird nun durch einen inneren Wärmeübertrager 128 geleitet, dessen Funktion weiter unten erläutert wird. Nach dem Austritt des Mediums aus dem inneren Wärmeübertrager 128 tritt das Medium in ein Expansionsorgan 120 ein. Das Me- dium kühlt durch Expansion stark ab und wird nachfolgend einem zweiten Wärmeübertrager 114 zugeführt. In diesem Wärmeübertrager 114 kann das kalte Medium warme Umge- bungsluft beziehungsweise Umluft abkühlen und in Form von kalter Luft 164 einem zu kühlenden Raum, beispielsweise dem Kraftfahrzeuginnenraum, zur Verfügung stellen. Bei diesem Vorgang kommt es zur Bildung von Kondensat 166.

Das nun aufgrund des Wärmeaustauschs in dem Wärmeübertra- ger 114 verdampfte und eventuell erwärmte Medium tritt aus dem Wärmeübertrager 114 aus und durchströmt nachfol- gend wiederum den inneren Wärmeübertrager 128. Nach Aus- tritt aus dem inneren Wärmeübertrager 128 gelangt das Me- dium in einen Kompressor 118, wo es durch Kompression er- wärmt wird. Somit steht wieder ein erwärmtes Medium zur Verfügung, welches in den ersten Wärmeübertrager 110 zum Wärmeaustausch eintreten kann. Der Kreislauf ist ge- schlossen.

Der innere Wärmeübertrager 128 dient der Leistungssteige- rung im Kreislauf. So wird das Medium vor dem Eintritt in das Expansionsorgan 120 durch das rückströmende Medium, welches aus dem zweiten Wärmeübertrager 114 ausgetreten ist, gekühlt, während das rückströmende Medium im Gegen- zug erwärmt wird. Es können somit höhere Temperaturdiffe-

renzen und somit eine Steigerung des Wirkungsgrads in dem Kreislauf erreicht werden.

Als Medium im Kühlkreislauf gewinnt zunehmend COs an Be- deutung. Ausgehend von den Vorschriften und den Regelun- gen für den Ausstieg aus der Anwendung von FCKW, nimmt das Interesse an diesem natürlichen Kältemittel zu.

Im Vergleich zu konventionellen Kältemitteln hat COs eine geringe kritische Temperatur von 31,1'C. oberhalb dieser Temperatur ist'eine Verflüssigung'durch Druckerhöhung nicht mehr möglich. Bei mittleren und hohen Umgebungstem- peraturen erfolgt die Wärmeabgabe daher bei einem soge- nannten überkritischen Druck, das heißt bei einem Druck, welcher für COs'oberhalb von 73, 8 bar liegt. Bei überkri- tischem Druck erfolgt die Wärmeabgabe nicht, wie bei den konventionellen Kältemitteln, durch Kondensation, welche nahezu bei konstanter Temperatur stattfindet ; vielmehr sind Druck und Temperatur voneinander unabhängig. Es liegt eine Gaskühlung vor. Die Zustände im Verdampfer sind jedoch weiterhin unterkritisch. Bemerkenswert an dem Verhalten von COs ist ferner, dass bereits im. Leerlauf Temperaturen von etwa 140 bis 150 °C erreicht werden.

Vorteile der Erfindung Die Erfindung baut auf der gattungsgemäßen Anordnung da- durch auf, dass ein erster weiterer Wärmeübertrager vor- gesehen ist, der einen Wärmeübergang zwischen dem das Kältemittel führenden Kreislauf und einen Kühlwasser- kreislauf ermöglicht. Das Kältemittel, welchem rasch eine

hohe Temperatur vermittelt werden kann, ist somit in der Lage, das Kühlwasser des Fahrzeugs zu erwärmen. Dies hat zahlreiche Vorteile. Es ist bereits bekannt, dass zur Er- höhung des Komforts das Fahrzeug vor Fahrtleginn einige Minuten klimatisiert wird. Bei aufgeheizter Fahrzeugkabi- ne wird der Klimakompressor betrieben, so dass das Kälte- mittel verdichtet wird. Indem nun nach der Verdichtung das Kältemittel vor der Einleitung in den ersten Wärmeü- bertrager in den ersten weiteren Wärmeübertrager geleitet wird, kann das Kühlwasser vorgewärmt werden. Auf diese Weise befindet sich die Temperatur des Kühlwassers be- reits vor dem Start des Verbrennungsmotors auf Betriebs- temperatur. Durch den ersten weiteren Wärmeübertrager ist es ebenfalls möglich, dass das sich im Kühler befindende Wasser nach Bedarf zur Kühlung des Kältemittels im Hoch- druck eingesetzt wird.

Vorzugsweise ist der erste weitere Wärmeübertrager in dem das Kältemittel führenden Kreislauf hinter dem Kompressor angeordnet. Auf diese Weise wird das Kältemittel mit ho- her Temperatur in den Wärmeübertrager eingeleitet, so dass eine rasche Erwärmung des Kühlwassers im Kühlwasser- kreislauf erfolgen kann.

Es ist bevorzugt, dass der Kompressor von einem Star- ter/Generator betreibbar ist. Dieser Starter/Generator, welcher über eine Kupplung von der Antriebswelle des Verbrennungsmotors getrennt wird, kann somit sowohl die Energie für eine Vorklimatisierung als auch die Energie für die Erwärmung des Kühlwassers vor dem Start des Verbrennungsmotors liefern.

Ebenfalls ist es vorteilhaft, dass eine Wasserpumpe des Kühlwasserkreislaufs von einem Starter/Generator betreib- bar ist. Somit wird das Kühlwasser aufgrund der Arbeit des Starter/Generators durch den Wärmeübertrager geför- dert.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn der erste Wärmeü- bertrager einen Gaskühler umfasst. Auf diese Weise wird ein Wärmeaustausch in dem ersten Wärmeübertrager nicht, wie bei den konventionellen Kältemitteln, durch Kondensa- tion herbeigeführt. Vielmehr findet ein Wärmeaustausch im Gas statt.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn als Kältemittel COs vorgesehen ist. Mit C02 lassen sich die Vorteile der Er- findung besonders gut umsetzen, da das C02 von dem Kom- pressor auf Drücke von 100 bis 150 bar unter Einsatz des Starter/Generators verdichtet werden kann, so dass Tempe- raturen zwischen 140 und 180 °C erreicht werden können.

Somit erfolgt eine rasche Erwärmung des Kühlwassers im Kühlwasserkreislauf.

Ebenfalls ist es von Vorteil, wenn ein zweiter weiterer Wärmeübertrager zwischen dem Kühlwasserkreislauf und dem Motoröl vorgesehen ist. Auf diese Weise kann auch das Mo- toröl vor dem Start des Verbrennungsmotors auf eine er- höhte Temperatur gebracht werden.

In diesem Zusammenhang kann es besonders vorteilhaft sein, dass in dem Motorölkreislauf eine Motorölpumpe vor- gesehen ist, die von einem Starter/Generator betreibbar ist. Durch diesen Umstand können sowohl der Kompressor,

die Wasserpumpe als auch die Motorölpumpe von dem Star- ter/Generator betrieben werden. Ebenfalls ist es denkbar, dass im Ölsumpf, das heißt im Bereich der Ölwanne, ein Wärmeübertrager eingesetzt wird, welcher vom Kühlwasser durchströmt wird, so dass die Wärme aus dem Kältemittel über das Kühlwasser des Motors an das Motoröl abgegeben wird. Als Wärmeübertrager kann auch der bei Dieselfahr- zeugen vorhandene Wärmeübertrager zwischen Kühlwasser und Öl verwendet werden.

Es hat besondere Vorzüge, wenn ein dritter weiterer Wär- meübertrager zwischen dem Kühlwasserkreislauf und dem Ge- triebeöl vorgesehen ist. Somit kann auch das Getriebeöl vor Inbetriebnahme des Fahrzeugs auf betriebsnahe Tempe- raturen gebracht werden.

Es ist besonders nützlich, wenn ein umschaltbares Ventil vorgesehen ist, welches den Kühlwasserkreislauf zur Ver- meidung zusätzlicher Wärmeströme umleiten kann. Diese Funktion ist nützlich, wenn keine zusätzlichen Wärmeströ- me im Kühlwasser während des Betriebs des Verbrennungsmo- tors erwünscht sind. Der Wärmeübertrager kann grundsätz- lich jedoch auch ohne Ventile betrieben werden, da die Kühlwassertemperaturen unterhalb von 120 °C liegen. Die zusätzliche Wärmemenge, die durch den das Kältemittel führenden Kreislauf an das Kühlwasser des Motors abgege- ben wird, kann dann über den Kühlwasser-Wärmeübertrager an die Umgebungsluft abgegeben werden. Die Fläche des Kühlwasser-Wärmeübertragers muss hierfür nicht vergrößert werden, da die Wärme auf einem höheren Temperaturniveau anfällt. Die Fläche des Gaskühlers zum Kühlen des Kälte- mittels kann jedoch verringert werden, da bereits vor

Eintritt in den Gaskühler ein Teil der Wärme an das Kühl- wasser, abgegeben wird.

Es ist von besonderem Vorteil, dass zwischen dem ersten Wärmeübertrager und dem zweiten Wärmeübertrager ein inne- rer Wärmeübertrager vorgesehen ist. Ein solcher innerer Wärmeübertrager dient der Leistungssteigerung der Klima- anlage. Das Kältemittel wird vor der Expansion im Expan- sionsorgan durch rückströmendes Kältemittel vorgekühlt.

Ebenso wird das rückströmende Kältemittel vor der Kom- pression in dem Kompressor durch das hinströmende Kälte- mittel vorgewärmt.

Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Verfahren da- durch auf, dass das Kältemittel durch einen ersten weite- ren Wärmeübertrager geleitet wird, in dem Wärme zwischen dem das Kältemittel führenden Kreislauf und einem Kühl- wasserkreislauf übertragen wird. Auf'diese Weise. werden die Vorzüge der erfindungsgemäßen Vorrichtung verfahrens- mäßig umgesetzt.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn der Kompressor von einem Starter/Generator betrieben wird. Dieser Star- ter/Generator, welcher über eine Kupplung von der An- triebswelle des Verbrennungsmotors getrennt wird, kann somit sowohl die Energie für eine Vorklimatisierung als auch die Energie für die Erwärmung des Kühlwassers vor dem Start des Verbrennungsmotors liefern.

Vorzugsweise wird eine Wasserpumpe des Kühlwasserkreis- laufs von einem Starter/Generator'betrieben. Somit wird

das Kühlwasser aufgrund der Arbeit des Starter/Generators durch den Wärmeübertrager gefördert.

Es ist nützlich, wenn als Kältemittel C02 verwendet wird.

Mit COs lassen sich die Vorteile der Erfindung besonders gut umsetzen, da das CO2 von dem Kompressor auf Drücke von 100 bis 150 bar unter Einsatz des Starter/Generators verdichtet werden kann, so dass Temperaturen zwischen 140 und 180 °C erreicht werden können. Somit erfolgt eine ra- sche Erwärmung des Kühlwassers im Kühlwasserkreislauf.

Von besonderem Vorteil ist es, dass das Kühlwasser in dem Kühlwasserkreislauf durch einen zweiten weiteren Wärmeü- bertrager geleitet wird, in welchem ein Wärmeaustausch mit dem Motoröl erfolgt. Auf diese Weise kann auch das Motoröl vor dem Start des Verbrennungsmotors auf eine er- höhte Temperatur gebracht werden.

Ebenso ist es nützlich, dass Motoröl durch den zweiten weiteren Wärmeübertrager mit einer Motorölpumpe gepumpt wird und dass die Motorölpumpe von einem Star- ter/Generator betrieben wird. Durch diesen Umstand können sowohl der Kompressor, die Wasserpumpe als auch die Mo- torölpumpe von dem Starter/Generator betrieben werden.

Ebenfalls ist es denkbar, dass im Ölsumpf, das heißt im Bereich der Ölwanne, ein Wärmeübertrager eingesetzt wird, welcher vom Kühlwasser durchströmt wird, so dass die Wär- me aus dem Kältemittel über das Kühlwasser des Motors an das Motoröl abgegeben wird. Als. Wärmeübertrager kann auch der bei Dieselfahrzeugen vorhandene Wärmeübertrager zwi- schen Kühlwasser und Öl verwendet werden.

Es ist bevorzugt, wenn das Kühlwasser in dem Kühlwasser- kreislauf durch einen dritten weiteren Wärmeübertrager geleitet wird, in welchem ein Wärmeaustausch mit dem Ge- triebeöl erfolgt. Somit kann auch das Getriebeöl vor In- betriebnahme des Fahrzeugs auf betriebsnahe Temperaturen gebracht werden.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn ein umschaltbares Ventil verwendet wird, welches den Kühlwasserkreislauf zur Vermeidung zusätzlicher Wärmeströme umleitet. Diese Funktion ist nützlich, wenn keine zusätzlichen Wärmeströ- me im Kühlwasser während des Betriebs des Verbrennungsmo- tors erwünscht sind. Der Wärmeübertrager kann grundsätz- lich jedoch auch ohne Ventile betrieben werden, da die Kühlwassertemperaturen unterhalb von 120 °C liegen. Die zusätzliche Wärmemenge, die durch den das Kältemittel führenden Kreislauf an das Kühlwasser des Motors abgege- ben wird, kann dann über den Kühlwasser-Wärmeübertrager an die Umgebungsluft abgegeben werden. Die Fläche des Kühlwasser-Wärmeübertragers muss hierfür nicht vergrößert werden, da die Wärme auf einem höheren Temperaturniveau anfällt. Die Fläche des Gaskühlers zum Kühlen des Kälte- mittels kann jedoch verringert werden, da bereits vor.

Eintritt in den Gaskühler ein Teil der Wärme an das Kühl- wasser abgegeben wird.

Das Verfahren ist weiterhin dadurch vorteilhaft weiterge- bildet, dass zwischen dem ersten Wärmeübertrager und dem zweiten Wärmeübertrager ein innerer Wärmeübertrager ver- wendet wird. Ein solcher innerer Wärmeübertrager dient der Leistungssteigerung der Klimaanlage. Das Kältemittel wird vor der Expansion im Expansionsorgan durch rückströ-

mendes Kältemittel vorgekühlt. Ebenso wird das rückströ- mende Kältemittel vor der Kompression in dem Kompressor durch das hinströmende Kältemittel vorgewärmt.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass insbe- sondere bei Klimaanlagen, welche C02 als Kältemittel ver- wenden, eine vorteilhafte Vorwärmung des Kühlwassers er- folgen kann. Hierzu wird ein zusätzlicher Wärmeübertrager vorgesehen, wobei die Vorwärmung des Kühlwassers insbe- sondere mit der Vorklimatisierung des Innenraums des Fahrzeugs einhergehen kann.

Zeichnungen Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen bei- spielhaft erläutert.

Dabei zeigt : Figur 1 eine schematische Teilansicht einer erfindungs- gemäßen Anordnung ; Figur 2 ein Zustandsdiagramm zur Erläuterung von Vor- gängen bei einer erfindungsgemäßen Anordnung ; und Figur 3 eine schematische Darstellung einer Anordnung des Standes der Technik.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele Figur l zeigt einen Teil einer erfindungsgemäßen Anord- nung. Der nicht dargestellte Teil rechts der Strich- Punkt-Linie, das heißt rechts von dem inneren Wärmeü- bertrager 28 entspricht der Anordnung, welche in Figur 3 rechts des inneren Wärmeübertragers 128 dargestellt ist und bereits im Zusammenhang mit dem Stand der Technik be- schieben wurde.

In Figur 1 sind zwei Kreisläufe dargestellt. Zum Einen ist der Kreislauf 60 eines Kältemittels zum Betrieb der Klimaanlage gezeigt. Zum Anderen ist ein Kühlwasserkreis- lauf 80 zur Kühlung eines Verbrennungsmotors 90 darge- stellt. Das Kältemittel wird von einem Kompressor 18 komprimiert. Dieser Kompressor. 18 wird vor dem Start des Verbrennungsmotors 90 von einem Starter/Generator 72 be- trieben. Bevor das komprimierte Kältemittel in den ersten Wärmeübertrager 10 zum Zwecke der Abgabe von Wärme ein- tritt, tritt das Kältemittel in den ersten weiteren Wär- meübertrager 70 ein. In diesen Wärmeübertrager 70 tritt ebenfalls Kühlwasser ein, welches von dem Kühlwasser- kreislauf 80 transportiert wird. Die Wasserpumpe 74 kann zum Zwecke des Transports des Kühlwassers ebenfalls von dem Starter/Generator 72 oder auf andere Weise elektrisch betrieben werden. Auf diese Weise wird Wärme an das Kühl- wasser abgegeben, so dass seine Temperatur in betriebsna- he Bereiche gelangen kann. Mit dem Ventil 76 kann im nor- malen Betrieb des Verbrennungsmotors 90 verhindert wer- den, dass zusätzliche Wärmeströme im Kühlwasser entste- hen. Es ist allerdings auch möglich, die Anlage ohne das

Ventil 76 zu betreiben, da das Kühlwasser unterhalb von Temperaturen im Bereich von 120 °C bleibt. Die zusätzli- che Wärmemenge, die durch den Kreislauf 60 und den ersten weiteren Wärmeübertrager 70 in den Kühlwasserkreislauf gelangt, kann über den Kühlwasser-Wärmeübertrager 78 an die Umgebungsluft abgegeben werden. Die Fläche des Kühl- wasser-Wärmeübertragers 78 muss hierfür nicht vergrößert werden, da die Wärme auf einem höheren Temperaturniveau . anfällt. Die Fläche des als Gaskühler ausgelegten ersten Wärmeübertragers 10 kann jedoch verringert werden, da be- reits vor Eintritt in den Gaskühler ein Teil der Wärme an das Kühlwasser abgegeben wird.

Figur 2 zeigt ein thermodynamisches Zustandsdiagramm für CO2, in welchem der Druck p gegen die spezifische Enthal- pie h aufgetragen ist. Zusätzlich sind Isothermen in das Diagramm eingezeichnet, wobei die zugehörigen Temperatu- ren am oberen Rand des Diagramms angegeben sind. Die Iso- thermen sind in Abständen von 10 °C angegeben. Zusätzlich ist die Isotherme bei 31,1'C eingezeichnet, welche die kritische Temperatur von COs kennzeichnet.

Es sind drei verschiedene Zyklen in das Zustandsdiagramm gemäß Figur 2 eingezeichnet. Der mit offenen Kreisen ge- kennzeichnete Zyklus entspricht einem Betrieb im Leer- lauf. Der mit offenen Dreiecken gekennzeichnete Zyklus entspricht einem Fahrbetrieb bei 22 km/h. Der mit offenen Quadraten gekennzeichnete Zyklus entspricht einem Fahrbe- trieb mit 64 km/h.

Das Diagramm wird ausgehend von einer unteren rechten E- cke eines beliebigen der Zyklen erläutert. Zunächst fin-

det eine Kompression statt, wobei hierdurch die Tempera- tur des Mediums erhöht wird. Eine derartige Kompression kann beispielsweise durch den Kompressor 18 gemäß Figur 1 veranlasst werden. Das Medium gelangt somit in einen Zu- stand hoher Temperatur mit hohem Druck, wobei ebenfalls die Enthalpie erhöht wird. Ausgehend von der oberen rech- ten Ecke der Zyklen wird nun die Wärmeenergie im Wesent- lichen isobar abgegeben. Diese Abgabe der Wärmeenergie erfolgt bei allen Zyklen im Wesentlichen oberhalb der kritischen Temperatur von CO2, das heißt, es erfolgt eine Gaskühlung. Der Bereich der Gaskühlung ist durch den Dop- pelpfeil A markiert. Das System gelangt zu Zuständen ent- sprechend der oberen linken Ecke der Abläufe, das heißt zu Zuständen mit verringerter Enthalpie und verringerter Temperatur. Daraufhin findet eine Expansion statt, so dass sich sowohl die Temperatur als auch der Druck bei im Wesentlichen unveränderter Enthalpie verändern. Es wird der untere linke Punkt der Zyklen erreicht. In diesen Zu- ständen ist das C02 teilweise verflüssigt. Dies ist mög- lich, da die Temperatur unterkritisch ist. Man bezeichnet die Vorgänge aufgrund des Überschreitens der kritischen Temperaturgrenze als"transkritisch". Nachfolgend wird von dem Kältemittel Wärme aufgenommen, so dass ohne Druckveränderung der untere rechte Punkt der jeweiligen Zyklen erreicht wird. Damit sind die Zyklen geschlossen.

Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrati- ven Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Er- findung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Ände- rungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihre Äquivalente zu verlassen.