Die vorliegende Erfindung betrifft eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug zur Temperierung eines Luftstroms, welcher vorzugsweise in den Innenraum eines Kraftfahrzeuges geleitet wird. Die Erfindung betrifft femer auch ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Klimaanlage.

Um den Anforderungen der heutigen Kraftfahrzeugnutzer in bezug auf den Komfort eines Kraftfahrzeuges zu entsprechen, ist es vermehrt üblich zur Temperierung von Kraftfahrtzeuginnenräumen Klimaanlagen zu verwenden, welche es ermöglichen insbesondere die Lufttemperatur des Fahrzeuginnen¬ raums zu regeln und den individuellen Wünschen der Fahrzeuginsassen an¬ zupassen.

Solche Klimaanlagen weisen insbesondere bei der Verwendung von CO2 als Kältemittel innere Wärmeübertrager auf, wobei insbesondere aus Kosten¬ gründen Verdichter verwendet werden, die ein fixes Hubvolumen aufweisen.

Um bei solchen Klimaanlagen eine bedarfsgerechte Leistungsregelung zu ermöglichen, wird gemäß dem Stand der Technik der Verdichter zyklisch ein- und ausgeschaltet, um somit in Abhängigkeit von der Betriebsdauer die not¬ wendige Wärmeenergie über einen Verdampfer aus dem Luftstrom, welcher beispielsweise in den Fahrgastinnenraum geleitet wird, abzuführen. Aufgrund der zyklischen oder azyklischen Ein- und Ausschaltvorgänge, ist jedoch keine stufenlose - insbesondere keine kontinuierliche - Leistungsre¬ gelung möglich. Ferner sind durch diese Betriebsweise beispielsweise Drehmomentstöße bekannt, die durch das abrupte Ein- und Ausschalten hervorgerufen werden und zu unerwünschten Geräuschen und zu erhöhtem Verschleiß führen können. Ferner kann durch diese Betriebsweise auch das Temperaturniveau des abzukühlenden Luftstromes nicht konstant gehalten werden, da die Wärmeenergie unterschiedlich abgeführt wird, wodurch ins¬ besondere unter dem Aspekt einer komfortablen Innenraumklimatisierung eines Kraftfahrzeuges Nachteile in Kauf genommen werden müssen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nunmehr, die im Stand der Tech¬ nik bekannten Nachteile wenigstens teilweise zu verbessern und insbeson¬ dere eine verbesserte Leistungsregelung einer solchen Klimaanlage bereit zu stellen.

Die Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Klimaanlage gemäß Anspruch 1 gelöst. Ferner löst die Aufgabe auch ein Verfahren ge¬ mäß Anspruch 12. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegens¬ tände der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Klimaanlage, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, weist wenigstens einen Verdichter, einen Kühler, eine weitere Wärmeüber¬ tragungseinrichtung, wenigstens eine erste Strömungseinrichtung, welche insbesondere ein Expansionsventil ist, und einen Verdampfer auf. Diese ein¬ zelnen Komponenten bilden wenigstens einen Teil eines Kühlmittelkreis¬ laufs, der von einem Fluid durchströmt wird.

Die erfindungsgemäße Klimaanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass neben der wenigstens einen ersten Strömungseinrichtung mindestens eine weitere Strömungseinrichtung vorgesehen ist, welche das Fluid in Strömungsrich¬ tung nach dem Verdampfer in seinen thermodynamischen Eigenschaften, wie beispielsweise Druck und/oder Temperatur, verändert, bevor es dem Verdichter bzw. der weiteren Wärmeübertragungseinrichtung zugeführt wird. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird für eine erfindungsgemäße Klimaanlage als Fluid ein Kälte¬ mittel verwendet, das einer Gruppe entnommen ist, welche beispielsweise R744, R134A und dergleichen aufweist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung strömt das Kältemittel vom Verdichter aus zu einem Kühler, anschließend zu einem inneren Wärmeübertrager, nachfolgend zu wenigstens einer ersten Strömungseinrichtung und über einen Verdampfer und den inneren Wärme¬ übertrager zurück zu dem Verdichter. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist in Strömungsrichtung nach dem Verdampfer und vor dem Verdichter ein Akkumulator vorgesehen, der insbesondere ein Kältemit¬ telsammler für das Kältemittel ist.

Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorlie¬ genden Erfindung ist die Strömungseinrichtung, insbesondere die weitere Strömungseinrichtung, eine regelbare Drossel. Es liegt auch im Sinn der vor¬ liegenden Erfindung, eine Drossel mit fest eingestelltem Drosselquerschnitt zu verwenden.

Die weitere Wärmeübertragungseinrichtung ist bevorzugt gemäß der vorlie¬ genden Erfindung ein innerer Wärmeübertrager (IWT), mit welchem das Käl¬ temittel vor dem Eintritt in die erste Strömungseinrichtung durch das rück¬ strömende Kältemittel, welches aus dem Verdampfer ausgetreten ist, gekühlt wird. Im Gegenzug dazu wird das zum Verdichter zurückströmende Kältemit¬ tel erwärmt. Die Verwendung eines inneren Wärmeübertragers dient insbe¬ sondere zur Erhöhung der Enthalpiedifferenz des Kältemittels zwischen Ver¬ dampfereintritt und -austritt, wobei hierdurch unter anderem eine Steigerung des Wirkungsgrads der Klimaanlage erreicht werden kann.

Durch Einbau einer weiteren Strömungseinrichtung (Drossel) reduziert sich insbesondere der Druck des Kältemittels am Verdichtereintritt, wodurch an dieser Stelle die Kältemitteldichte und dadurch der Kältemittelmassestrom im Kältekreislauf reduziert werden können. In Abhängigkeit der Drosselstellung kann ferner die Kälteleistung der Klimaanlage bedarfsgerecht geregelt wer- den. Der Austrittsdampfgehalt des Kältemittels nach dem Verdampfer ist in den meisten Lastpunkten kleiner gleich 1. Das Kältemittel kann aber auch unter bestimmten Umständen als überhitztes Gas vorliegen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die vorgenannte weitere Strömungseinrichtung in Strömungsrichtung nach dem Verdampfer angeordnet. Besonders bevorzugt wird die weitere Strömungseinrichtung auch nach dem Verdampfer und im wesentlichen vor der weiteren Wärme- übertragungseinrichtung angeordnet. Dies beinhaltet insbesondere auch die Anordnung vor einem Akkumulator.

In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist die weitere Strömungseinrichtung nach dem Verdampfer und dem zuvor genannten Ak¬ kumulator angeordnet, wobei auch bei dieser Anordnung, wie bei den vorge¬ nannten Varianten, gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform die weitere Strömungseinrichtung im wesentlichen vor der weiteren Wärme¬ übertragungseinrichtung angeordnet wird.

Es liegt auch im Sinn der vorliegenden Erfindung, dass die weitere Strö¬ mungseinrichtung mit einem der anderen Bauteile der Klimaanlage kombi¬ niert wird. So kann beispielsweise insbesondere die weitere Strömungsein¬ richtung mit dem Verdampfer, dem Akkumulator und/oder der weiteren Wärmeübertragungseinrichtung, insbesondere als Bauteil kombiniert wer¬ den, so dass für den Zusammenbau einer solchen Klimaanlage weniger Ein¬ zelkomponenten zusammengefügt werden müssen.

Als im wesentlichen vor der weiteren Wärmeübertragungseinrichtung wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Position verstanden, die lokal ge¬ trennt oder aber auch im Eintrittsbereich der inneren Wärmeübertragungs¬ einrichtung liegt.

Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform wird die erfindungsgemäße Klimaanlage in einen Niederdruck und einen Hochdruck¬ bereich für das Kältemittel aufgeteilt, wobei sich der Hochdruckbereich im wesentlichen nach dem Verdichter und vor der ersten Strömungseinrichtung erstreckt und der Niederdruckbereich zwischen der ersten Strömungseinrich¬ tung und dem Eingang in den Verdichter befindet. Die weitere Wärmeüber¬ tragungseinrichtung wird sowohl von dem Hochdruckbereich, als auch vom Niederdruckbereich des Kältemittels durchströmt.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform liegt der Druck des Kältemittels, insbesondere bei der Verwendung von CO2 als Kältemittel, im Niederdruckbereich zwischen 20 bar und 65 bar, bevorzugt zwischen 30 bar und 50 bar. Der Druck des Kältemittels im Hochdruckbereich der erfindungs¬ gemäßen Klimaanlage liegt zwischen 40 bar und 150 bar, bevorzugt zwi¬ schen 50 bar und 133 bar, und besonders bevorzugt zwischen 55 und 130 bar.

Ferner liegt es im Sinn der vorliegenden Erfindung, dass der Druck des Käl¬ temittels im Niederdruckbereich durch die wenigstens eine weitere Strö¬ mungseinrichtung um einen Druck zwischen 0 bar und 25 bar, bevorzugt zwischen 3 bar und 15 bar, und besonders bevorzugt zwischen 5 bar und 10 bar abgesenkt wird.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Betrei¬ ben einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges gelöst, das dadurch gekenn¬ zeichnet ist, dass der Kältemittelstrom nach dem Erwärmen des Kältemittels in wenigstens einem Verdampfer in wenigstens einer weiteren Strömungs¬ einrichtung entspannt wird, bevor das Kältemittel zur Wärmeübertragung zwischen dem Hochdruck- und Niederdruckbereich in den weiteren Wärme¬ übertrager geleitet wird.

Es liegt auch im Sinne der vorliegenden Erfindung, dass neben der Drosse¬ lung des Kältemittels vor dem Einlass in die weitere Wärmeübertragungsein¬ richtung beispielsweise eine dritte Strömungseinrichtung vorgesehen ist, welche das Fluid nach dem Austritt aus dem inneren Wärmeübertrager und vor dem Eintritt in den Verdichter nochmals entspannt. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbei¬ spiels erläutert, ohne hierdurch den allgemeinen Anspruch der vorliegenden Erfindung zu schmälern.

So zeigt:

Fig. 1 : den schematischen Aufbau einer Klimaanlage gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2: den schematischen Aufbau einer Klimaanlage gemäß der vorlie¬ genden Erfindung;

Fig. 3: ein Enthalpie (h)/Druck(p)-Diagramm für eine Klimaanlage gemäß Fig. 1 ;

Fig. 4: ein Enthalpie (h)/Druck(p)-Diagramm für eine Klimaanlage gemäß Fig. 2;

Fig. 5: eine Gegenüberstellung der Enthalpie (h)/Druck(p)-Diagramme gemäß Fig. 3 und 4.

Die Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer Klimaanlage gemäß dem Stand der Technik. Es tritt, entsprechend der Pfeilrichtung, das Kältemittel in einen ersten Wärmeübertrager 1 , hier einen Kühler, ein und gibt an die Um¬ gebungsluft (Außenluft eines Kraftfahrzeuges), die den Kühler entsprechend den Pfeilen 2, 21 durchströmt, Wärme ab. Hierdurch wird die Luft vom Eintritt 2 zum Austritt 2" erwärmt und das Kältemittel vom Eintritt 3 zum Austritt 31 abgekühlt. Dieses abgekühlte Kältemittel wird durch die Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers 4 geleitet. Das Kältemittel wird durch die nachfol¬ gende Expansion in der ersten Strömungseinrichtung 5, hier einem Expansi¬ onsventil, abgekühlt und im Druckniveau abgesenkt und nachfolgend einem zweiten Wärmeübertrager, hier einem Verdampfer 7, auf der Eintrittseite 6 zugeführt. In diesem Verdampfer kann das Kältemittel die warme Umge¬ bungsluft, bzw. den Luftstrom (Pfeil 8, 8'), welcher beispielsweise in den In¬ nenraum eines Kraftfahrzeuges geleitet wird, abkühlen. Das nun aufgrund der Wärmeübertragung in dem Verdampfer 7 erwärmte Fluid tritt auf der Seite 6' aus und durchströmt nachfolgend, gemäß der hier dargestellten Ausführung, einen Akkumulator 9. Vom Akkumulator aus ge¬ langt das Kältemittel in den Niederdruckabschnitt des inneren Wärmetau¬ schers 4 und wird nach dessen Austritt einer weiteren Expansion durch die Drossel 10 unterzogen. Durch die Expansion werden wiederum die Tempe¬ ratur und der Druck des Kältemittels erniedrigt, wobei das Kältemittel mit ei¬ ner niedrigeren Dichte dem Verdichter 11 zugeführt wird. Im Verdichter selbst erfolgt die Kompression des Kältemittels, das anschließend wiederum dem Kühler 1 zugeführt wird.

Das zu diesem Kreisprozess gehörende Enthalpie (h)/Druck(p)-Diagramm ist in der Fig. 3 dargestellt. Hierbei sind auf der Abszisse die Enthalpie (h), auf der Ordinate der Druck (p) und zusätzlich im Diagramm die Isothermen an¬ gegeben. Das Kältemittel am Punkt 31 verlässt mit einer hohen Enthalpie den Kältemittelverdichter und wird dem Kühler zugeführt. In diesem Gasküh¬ ler wird thermische Energie vom Kältemittel abgeführt, wobei im wesentli¬ chen der Druck auf konstantem Niveau bleibt. Das Kältemittel verlässt den Kühler mit den Werten entsprechend des Punkt 32 und tritt im Anschluss hieran in den inneren Wärmeübertrager ein.

Der Austrittspunkt des Kältemittels aus dem inneren Wärmeübertrager ist durch den Punkt 33 angegeben, an dem ein niedriges Enthalpieniveau bei hohem Druck gegeben ist. Nach dem Austritt aus dem inneren Wärmeü¬ bertrager wird das Kältemittel der ersten Strömungseinrichtung zugeführt und verlässt dieses mit einem deutlich niedrigeren Druck und einer niedrige¬ ren Temperatur bei annähernd gleicher Enthalpie, wie dies durch den Punkt 34 angedeutet ist.

Im Anschluss an die erste Strömungseinrichtung wird das Kältemittel dem Verdampfer zugeführt, in dem sich die Enthalpie erhöht, und das Kältemittel mit einer höheren Temperatur abgeführt wird. In diesem Bereich findet die Abkühlung der in den Fahrzeuginnenraum zu leitenden Luft statt. Nach dem Austritt des Fluids aus dem Verdampfer am Punkt 35 wird das Kältemittel der Niederdruckseite des inneren Wärmeübertragers zugeführt, wodurch eine weitere Erhöhung der Enthalpie durch die Wärmeübertragung zwischen dem hochdruckseitigen und dem niederd rückseitigen Kältemittel erfolgt (Punkt 36).

Die im Anschluss an den inneren Wärmeübertrager angeordnete Drossel reduziert den Druck und die Temperatur des Kältemittels im Niederdruckbe¬ reich, wobei das Kältemittel die Drossel im Zustand gemäß Punkt 37 ver- lässt. Mit diesen thermodynamischen Eigenschaften wird das Kältemittel dem Verdichter zugeführt und erfährt in diesem die Temperatur-, Enthalpie- und Druckerhöhung von Punkt 37 nach Punkt 31.

Die erfindungsgemäße Klimaanlage gemäß Fig. 2 unterscheidet sich zu der in Fig. 1 dargestellten Anordnung durch die Position der weiteren Strö¬ mungseinrichtung 10'. Gemäß der hier dargestellten Ausführungsform ist die Strömungseinrichtung zwischen dem Sammler (Akkumulator) 9 des Kältemit¬ tels und dem inneren Wärmeübertragerr 4 angeordnet. Es liegt auch im Sinn der vorliegenden Erfindung, diese Drossel 10' vor dem Sammler 9 und nach dem Verdampfer 4 anzuordnen, oder aber auch mit einer weiteren Drossel, welche nach dem inneren Wärmeübertrager und vor dem Verdichter ent¬ sprechend dem Stand der Technik angeordnet ist, zu kombinieren.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Drossel erläutert, welche zwi¬ schen dem Akkumulator 9 und dem inneren Wärmeübertrager 4 angeordnet ist, wobei dies nicht als Einschränkung der vorliegenden Erfindung, insbe¬ sondere der möglichen Anordnung der Drossel, zu verstehen ist.

Entsprechend den Ausführungen zu Fig. 1 wird das Kältemittel vom Austritt am Verdichter 11 zum Kühler 1 und zum inneren Wärmeübertrager 4 auf der Hochdruckseite geleitet. Nach dem inneren Wärmeübertrager wird über ein Expansionsventil 5 das Kältemittel entspannt und dem Verdampfer 7 zuge¬ führt. Im Anschluss an den Verdampfer befindet sich gemäß der hier darge¬ stellten Ausführungsform ein Sammler 9. Im Anschluss an den Sammler wird das Kältemittel der Drossel 10' zugeführt. Diese Drossel 10' entspannt das Kältemittel, welches sich im hier gezeigten Ausführungsbeispiel im zweiphasigen Bereich befindet, bevor das Kältemittel mit einem niedrigeren Druck- und Temperaturniveau, wie dies im Stand der Technik bekannt ist, in den inneren Wärmeübertrager auf der Niederdruck¬ seite geleitet wird. Im Anschluss an den inneren Wärmeübertrager wird das Kältemittel dem Verdichter 11 zugeführt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird aufgrund des niedrigeren Drucks und aufgrund der Verknüpfung zwischen Druck und Temperatur im Nass¬ dampfgebiet der somit niedrigeren Temperatur des Kältemittels vor Eintritt in den inneren Wärmeübertrager ein größerer Temperaturgradient zwischen dem einerseits auf der Hochdruckseite fließenden Kältemittel vor der ersten Strömungseinrichtung 5 und dem Kältemittel der Niederdruckseite nach der Drossel 10' erreicht, wodurch insbesondere die Enthalpie des austretenden Kältemittels auf der Niederdruckseite erhöht und auf der Hochdruckseite er¬ niedrigt wird. Dies hat zur Folge, dass die Enthalpie des Kältemittels welches den inneren Wärmeübertrager auf der Hochdruckseite verlässt gegenüber dem Stand der Technik erniedrigt wird und somit am Verdampfer eine höhe¬ re Enthalpiedifferenz zwischen Verdampfereintritt und -austritt zur Verfü¬ gung steht.

In der Gesamtdarstellung gemäß Fig. 5 sind die Differenzen zwischen dem Kreisprozess mit einer Strömungseinrichtung nach dem inneren Wärmeü¬ bertrager (30) gemäß dem Stand der Technik und einer Strömungseinrich¬ tung vor dem inneren Wärmeübertrager (40) gemäß der vorliegenden Erfin¬ dung dargestellt.

Gleichzeitig kann sich die Enthalpie des Kältemittels am Austritt des inneren Wärmeübertragers auf der Niederdruckseite gegenüber dem Stand der Technik erhöhen. Dies führt zu einer niedrigeren Kältemitteldichte am Eintritt des Kältemittelverdichters, und somit bei gleichem Druckverhältnis zwischen Verdichtereintritt und -austritt zu einem geringeren Kältemittelmassenstrom. Dies kann somit zu einem besseren Wirkungsgrad des Kältekreislaufs füh¬ ren. Entsprechend den Ausführungen bezüglich dem Enthalpie (h)/Druck (p)- Diagramm aus Fig. 3 stellt das Enthalpie (h)/Druck (p)-Diagramm gemäß Fig. 4 den Kreisprozess bezüglich der Enthalpie, dem Druck und der Tempe¬ ratur für eine Klimaanlage mit einem erfindungsgemäßen Aufbau dar.

Hierbei verlässt das Kältemittel den Verdichter mit maximaler Enthalpie, Druck und Temperatur Punkt 41 und wird dem Kühler 1 zugeführt. In diesem Kühler wird thermische Energie abgeführt, wodurch sich die Enthalpie redu¬ ziert, wie dies mit dem Punkt 42 dargestellt ist. Im Anschluss an den Kühler wird das Kältemittel der Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers 4 zugeführt, wodurch die Enthalpie weiter reduziert wird und ein Niveau gemäß Punkt 43 erreicht. Hierbei wird thermische Energie an das Kältemittel, wel¬ ches den inneren Wärmeübertrager auf der Niederdruckseite durchströmt, abgegeben.

In diesem Zustand wird das Kältemittel anschließend der ersten Strömungs¬ einrichtung 5 zugeführt und verlässt diese bei annähernd konstanter Enthal¬ pie mit reduzierten Druck und Temperatur (Punkt 44). Im Anschluss an die Strömungseinrichtung wird das Kältemittel dem Verdampfer 7 zugeführt, in welchem bei annähernd konstantem Druck die Enthalpie und Temperatur dadurch erhöht wird, dass dem Luftstrom 8, 8' thermische Energie abgeführt wird. Im Zustand gemäß Punkt 45 verlässt das Kältemittel den Verdampfer und wird erfindungsgemäß einer Drossel 10' zugeführt. Durch diese Drossel wird das Kältemittel weiter entspannt, wodurch sich Druck und Temperatur bei annähernd konstanter Enthalpie reduzieren. Dieser Bereich ist in der Fig. 4 mit dem Pfeil 40 wiedergegeben. Das Kältemittel verlässt die Drossel mit dem Druck und Temperaturniveau gemäss Punkt 46 und wird anschlie¬ ßend der Niederdruckseite des inneren Wärmeübertragers 4 zugeführt. In¬ nerhalb des Wärmeübertragers nimmt das Kältemittel weiter thermische E- nergie auf, wodurch sich seine Enthalpie und die Temperatur erhöhen. In diesem Zustand gemäß Punkt 47 wird das Kältemittel dem Verdichter zuge¬ führt, welcher sowohl den Druck, die Enthalpie, als auch die Temperatur des Kältemittels gemäß dem Diagramm von Punkt 47 auf Punkt 41 verändert. Aus dieser Anordnung der weiteren Strömungseinrichtung in der vorliegen¬ den Erfindung resultiert, dass im Verdampfer eine größere Enthalpiedifferenz zwischen Verdampfereintritt- und austritt zur Verfügung steht, um den in den Fahrgastraum geleiteten Luftstrom abzukühlen. Dies bedeutet, dass bei glei¬ cher Abkühlleistung des in den Fahrgastraum geleiteten Luftstroms ein ge¬ ringerer Massenstrom an Kältemittel benötigt wird. Dies hat insbesondere zur Folge, dass der Wirkungsgrad eines solchen Systems durch die Anord¬ nung einer weiteren Strömungseinrichtung vor dem inneren Wärmeübertra¬ ger verbessert werden kann oder wenigstens eine teilweise Kompensation des schlechten Wirkungsgrads des Kreislaufs durch die evtl. Notwendige höhere Verdichterantriebsleistung, wegen der höheren Druckdifferenz, er¬ möglicht wird.

Ferner erhöht sich der Innenraumkomfort durch einen gleichmäßigeren Be¬ trieb der Klimaanlage im Vergleich zu einer Ein-/Ausregelung, wobei die mögliche stufenlose Leistungsregelung und den gleichmäßigeren Verlauf des Antriebmoments weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Klimaanlage darstellen können.