DE102014002596A1

DE102014002596A1 - Kraftfahrzeugklimaanlage mit thermoelektrischem Generator

Info

Publication number: DE102014002596A1
Application number: DE102014002596.9A
Authority: DE
Inventors: Lothar SEYBOLD
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-02-24
Filing date: 2014-02-24
Publication date: 2015-08-27

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeugklimaanlage mit einem Kompressor (18), einem Kondensator (20), zumindest einer Expansionseinrichtung (22, 28), zumindest einem Verdampfer (24, 26) und mit einem Kältemittelkreislauf (12), über welchen der Kompressor (18), der Kondensator (20), die Expansionseinrichtung (22, 28) und der Verdampfer (24, 26) strömungstechnisch miteinander verbunden sind, wobei die Klimaanlage ferner einen thermoelektrischen Generator (30) sowie eine Auffangeinrichtung (34) für im Betrieb der Klimaanlage anfallendes Kondenswasser (32) aufweist und wobei der thermoelektrische Generator (30) einerseits mit der Auffangeinrichtung (34) und andererseits mit einer Hochtemperaturseite (14) des Kältemittelkreislaufs (12) thermisch gekoppelt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeugklimaanlage mit einem Kompressor, einem Kondensator, zumindest einer Expansionseinrichtung, zumindest einem Verdampfer und mit einem Kältemittelkreislauf, welcher die genannten Komponenten der Kraftfahrzeugklimaanlage strömungstechnisch zum Zirkulieren eines Kältemittels miteinander verbindet.
Hintergrund
Klimaanlagen gehören heutzutage schon überwiegend zur Standardausstattung von Kraftfahrzeugen. Sie weisen typischerweise einen Kältemittelkreislauf auf, in welchem ein Kältemittel zirkuliert. Über den Kältemittelkreislauf sind die einzelnen Klimaanlagenkomponenten, nämlicher ein Kompressor, ein Kondensator, eine Expansionseinrichtung sowie ein Verdampfer zur Bildung eines geschlossenen Kreislaufs strömungstechnisch in Reihe miteinander verbunden.
Das Kältemittel wird mittels des Kompressors verdichtet und hiermit einhergehend auf ein gegenüber der Umgebungstemperatur erhöhtes Temperaturniveau gebracht. Das Hochtemperatur-/Hochdruckkältemittel durchströmt sodann den als Wärmetauscher fungierenden Kondensator, mittels welchem thermische Energie an die Umgebung abgegeben werden kann. Das Kältemittel wird sodann einer Expansionseinrichtung, welche typischerweise in Form eines Expansionsventils ausgestaltet ist, zugeführt. Dort erfährt das Kältemittel eine räumliche Expansion, durch welche es auf ein gegenüber der Umgebungstemperatur herabgesetztes Temperaturniveau abkühlt. Der Expansionseinrichtung nachgeschaltet ist im Kältemittelkreislauf ein Verdampfer vorgesehen, welcher vom vergleichsweise kalten und unter niedrigem Druck stehenden Kältemittel durchströmt wird.
Mittels des auf diese Art und Weise abgekühlten Verdampfers kann die Luft in unmittelbarer Umgebung des Verdampfers abgekühlt werden, sodass zum Beispiel der Kraftfahrzeuginnenraum mit entsprechend kühler Luft versorgt werden kann.
Das aus dem Verdampfer strömende Kältemittel wird alsdann wieder dem Kompressor zugeführt, sodass der Kältemittelkreislauf geschlossen ist.
So ist beispielsweise aus der US 2007/0101747 A1 eine Kraftfahrzeugklimaanlage bekannt, die zum Abführen von Wärme aus der Fahrgastzelle vorgesehen ist. Die Kraftfahrzeugklimaanlage ist hierbei ferner mit einem thermoelektrischen Gerät ausgestattet, welches mit der Hochdruckseite der Klimaanlage gekoppelt ist, um bei Spitzenbelastungen die Kühlleistung der Klimaanlage zu erhöhen. Hierfür muss aber elektrische Energie aufgewendet werden, deren Bereitstellung im Kraftfahrzeug wohl letztlich zu einer Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs führen dürfte.
Einer Ausgestaltung der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine unter energetischen Gesichtspunkten optimierte Kraftfahrzeugklimaanlage bereitzustellen, die es ermöglicht, den Gesamtenergieverbrauch des Fahrzeugs zu reduzieren und die es zum Ziel hat, die Energiebilanz des Kraftfahrzeugs zu verbessern. Zudem soll die Effizienz und der Wirkungsgrad der Klimaanlage selbst gesteigert werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen
Diese Aufgabe wird mit einer Kraftfahrzeugklimaanlage gemäß Patentanspruch 1 sowie mit einem Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind dabei jeweils Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
Insoweit ist eine Kraftfahrzeugklimaanlage vorgesehen, die einen Kompressor, einen Kondensator, zumindest eine Expansionseinrichtung, typischerweise in Form eines Expansionsventils, und die zumindest einen Verdampfer aufweist. Die Kraftfahrzeugklimaanlage weist ferner einen Kältemittelkreislauf auf, über welchen der Kompressor, der Kondensator, die Expansionseinrichtung und der Verdampfer strömungstechnisch miteinander verbunden bzw. miteinander gekoppelt sind, um ein Kältemittel im geschlossenen Kältemittelkreislauf zirkulieren zu lassen. Der Kältemittelkreislauf mit den darin in Reihe geschalteten Klimaanlagenkomponenten Kompressor, Kondensator, Expansionseinrichtung und Verdampfer ermöglicht die Aufnahme und Abfuhr thermischer Energie im Bereich des Verdampfers und Abgabe thermischer Energie an die Umgebung im Bereich des Kondensators.
Darüber hinaus weist die Kraftfahrzeugklimaanlage einen thermoelektrischen Generator sowie eine Auffangeinrichtung für im Betrieb der Klimaanlage anfallendes Kondenswasser auf. Der thermoelektrische Generator ist dabei einerseits mit der Auffangrichtung für das Kondenswasser und andererseits mit einer Hochtemperaturseite des Kältemittelkreislaufs der Kraftfahrzeugklimaanlage thermisch gekoppelt. Das im Betrieb der Klimaanlage anfallende Kondenswasser ist gegenüber dem Temperaturniveau der Hochtemperaturseite des Kältemittelkreislaufs vergleichsweise kalt.
Indem der thermoelektrische Generator einerseits mit der Hochtemperaturseite thermisch gekoppelt ist und andererseits mit dem vergleichsweise kalten Kondenswasser beaufschlagbar ist, kann der thermoelektrische Generator im Betrieb der Kraftfahrzeugklimaanlage einem Temperaturgradienten ausgesetzt werden, demzufolge der thermoelektrische Generator eine elektrische Spannung, mithin elektrische Energie erzeugt, die anderweitig im Kraftfahrzeug verwendbar ist.
Das ohnehin im Betrieb der Klimaanlage anfallende Kondenswasser, welches üblicherweise völlig ungenutzt auf die Straße geleitet wird. kann durch die hier vorgesehene Kopplung mit einem thermoelektrischen Generator als Temperatursenke fungieren, sodass der Temperaturunterschied zwischen dem vergleichsweise kalten Kondenswasser und der Hochtemperaturseite des Kältemittelkreislaufs zur Energieeinsparung bzw. Energierückgewinnung nutzbar ist, ohne dass dies zu Lasten des Wirkungsgrads oder der Effizienz der Klimaanlage ginge.
Dem thermoelektrischen Generator liegt der sogenannte Seebeck-Effekt zugrunde. Typischerweise weist der thermoelektrische Generator zumindest ein, bevorzugt jedoch mehrere in Reihe geschaltete Peltier-Elemente auf, die auf Halbleitermaterialien basieren. Die Gewinnung elektrischer Energie durch thermische Kopplung des thermoelektrischen Generators einerseits mit der Hochtemperaturseite des Kältemittelkreislaufs und andererseits mit dem im Betrieb der Kraftfahrzeugklimaanlage anfallenden Kühlwasser ermöglicht die Rückgewinnung elektrischer Energie, sodass die Energiebilanz der Kraftfahrzeugklimaanlage verbessert und womöglich auch der Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeugs verringert werden kann.
Das Vorsehen des thermoelektrischen Generators führt zudem zu keinerlei Leistungseinbuße der Kraftfahrzeugklimaanlage. Im Gegenteil, die Leistung und Effizienz der Klimaanlage kann durch Vorsehen des thermoelektrischen Generators und seiner thermischen Kopplung an die Hochtemperaturseite des Kältemittelkreislaufs sogar noch gesteigert werden. So kann der thermoelektrische Generator auch als eine Art Kältebrücke zwischen der Hochtemperaturseite und dem vergleichsweise kalten Kondenswasser fungieren. Durch eine solche Kältebrücke, die durch thermische Leitfähigkeit des thermoelektrischen Generators gegeben und bestimmt ist, kann der Hochtemperatur- bzw. Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs thermische Energie entzogen werden. Das hochtemperaturseitig zur Expansionseinrichtung strömende Kältemittel kann somit eine Vorkühlung erfahren.
Nach einer Ausführungsform ist der thermoelektrische Generator stromaufwärts der Expansionseinrichtung mit dem Kältemittelkreislauf thermisch gekoppelt. Stromaufwärts bezeichnet hierbei eine Richtung entgegen der Fließrichtung des Kältemittels im Kältemittelkreislauf. Der thermoelektrische Generator ist somit vor der Expansionseinrichtung mit dem Kältemittelkreislauf thermisch gekoppelt. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass der thermoelektrische Generator unmittelbar stromaufwärts der Expansionseinrichtung mit dem Kältemittelkreislauf thermisch gekoppelt ist. Hierbei wäre der thermoelektrische Generator sozusagen am Ende der Hochtemperaturseite des Kältemittelkreislaufs angeordnet. In diesem Bereich kann das Kältemittel bereits ein gewisses Maß thermischer Energie an die Umgebung abgegeben haben. Die Anordnung des thermoelektrischen Generators stromaufwärts der Expansionseinrichtung ist aufgrund seiner Kühlwirkung für die Steigerung der Effizient der Klimaanlage von Vorteil.
Es kann dabei auch vorgesehen sein, den thermoelektrischen Generator eingangs der Hochtemperaturseite des Kältemittelkreislaufs vorzusehen, etwa den thermoelektrischen Generator unmittelbar nach dem Ausgang des Kompressors mit dem Kältemittelkreislauf zu koppeln. An dieser Stelle dürfte im Betrieb der Kraftfahrzeugklimaanlage ein maximales Temperaturniveau vorherrschen.
Aufgrund seiner thermischen Kopplung mit dem im Betrieb der Klimaanlage anfallenden Kondenswasser kann der thermoelektrische Generator auch zu einer Kühlung der Hochtemperaturseite des Kältemittelkreislaufs beitragen. Eine derartige Kühlung kann insbesondere auf der Hochtemperaturseite des Kältemittelkreislaufs für eine Effizienzsteigerung der Kraftfahrzeugklimaanlage von Vorteil sein. Auf diese Art und Weise kann nämlich das Kältemittel unmittelbar vor Erreichen der Expansionseinrichtung weiter abgekühlt werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der thermoelektrische Generator stromabwärts des Kompressors mit dem Kältemittelkreislauf thermisch gekoppelt. Stromabwärts meint hierbei in Richtung des Kältemittelflusses im Kältemittelkreislauf, das heißt dem Kompressor nachgelagert. Eine Anordnung bzw. Kopplung des thermoelektrischen Generators stromabwärts des Kompressors und stromaufwärts der Expansionseinrichtung kommt daher einer thermischen Kopplung des thermoelektrischen Generators mit der Hochtemperaturseite des Kältemittelkreislaufs im Wesentlichen gleich. Die Hochtemperaturseite erstreckt sich typischerweise vom Kompressor bis zur Expansionseinrichtung.
Eine unter thermodynamischen und elektrischen Gesichtspunkten optimale Position des thermoelektrischen Generators an der Hochtemperaturseite kann durch Versuche und dementsprechende Optimierungen ermittelt werden.
Die Wärmesenke, mit welcher der thermoelektrische Generator thermisch gekoppelt ist, wird vorliegend ausschließlich vom im Betrieb der Klimaanlage anfallenden Kondenswasser gespeist. Das Vorsehen des thermoelektrischen Generators hat somit keinerlei erwärmende Wirkung auf den Kältemittelkreislauf, was ansonsten aber bei einer unmittelbaren Kopplung des thermoelektrischen Generators, zum Beispiel mit der Niedertemperaturseite des Kältemittelkreislaufs, der Fall wäre.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass der thermoelektrische Generator nicht nur stromabwärts des Kompressors, sondern auch stromabwärts des Kondensators, aber stromaufwärts des Expansionseinrichtung mit dem Kältemittelkreislauf thermisch gekoppelt ist. Das Temperaturniveau in diesem Bereich ist zwar geringer als im Bereich zwischen Kompressor und Kondensator. Für einen vom thermoelektrischen Generator auf den Kältemittelkreislauf ausgehenden Kühleffekt und eine hiermit verbundene Vor- oder Unterkühlung des Kältemittels, etwa unmittelbar vor der Expansionseinrichtung, kann dies jedoch zur Effizienz- und Leistungssteigerung der Klimaanlage von Vorteil sein.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist die Auffangeinrichtung unterhalb des Verdampfers angeordnet. Sie ist dabei zum Auffangen von am Verdampfer gebildeten Kondenswassers ausgebildet. Die Auffangeinrichtung kann insbesondere nach Art eines Trichters ausgestaltet sein, sodass sämtliches am Verdampfer anfallendes und vom Verdampfer herabtropfendes Kondenswasser auffangbar und dem thermoelektrischen Generator zuführbar ist. Mittels der Auffangeinrichtung kann das im Betrieb der Kraftfahrzeugklimaanlage anfallende Kondenswasser kontrolliert aufgefangen und zur Kühlung des thermoelektrischen Generators dementsprechend kontrolliert abgeführt werden. Auf diese Art und Weise kann auch die im Betrieb der Kraftfahrzeugklimaanlage anfallende Feuchtigkeit aus dem Kraftfahrzeuginnenraum abgeführt werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist die Auffangeinrichtung über eine Kondenswasserleitung mit dem thermoelektrischen Generator thermisch gekoppelt. Das Vorsehen einer Kondenswasserleitung ermöglicht eine flexible und individuell anpassbare räumliche Anordnung des thermoelektrischen Generators am Kältemittelkreislauf. Etwaige Distanzen zwischen der Stelle, an welcher das Kondenswasser anfällt und einer hiervon beabstandeten Position des thermoelektrischen Generators können auf diese Art und Weise überbrückt werden.
Das vergleichsweise kalte Kondenswasser kann über die Kondenswasserleitung, die etwa in Form eines Schlauchs auch flexibel und deformierbar ausgestaltet sein kann, dem thermoelektrischen Generator zugeführt werden. Es kann hierbei insbesondere vorgesehen sein, dass die Kondenswasserleitung thermisch isolierend ausgebildet ist. Ferner kann die Auffangeinrichtung in Fahrzeughochrichtung (z) betrachtet, oberhalb des thermoelektrischen Generators angeordnet sein, sodass ein Abtransport anfallenden Kondenswassers das von der Auffangeinrichtung zum thermoelektrischen Generator rein schwerkraftbedingt erfolgen kann.
Bei anderen Ausgestaltungen kann vorgesehen sein, dass die Auffangeinrichtung unterhalb des thermoelektrischen Generators liegt. Zum Transport des anfallenden Kondenswassers kann z. B. eine Pumpe vorgesehen werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung ist der thermoelektrische Generator mit einer Fahrzeugbatterie elektrisch gekoppelt. Auf diese Art und Weise kann die im Betrieb der Klimaanlage mittels des thermoelektrischen Generators gewinnbare elektrische Energie in die Fahrzeugbatterie eingespeist werden. Eine derartige elektrische Energieeinspeisung kann zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs führen. Insbesondere bei Hybridfahrzeugen kann eine elektrische Energierückgewinnung von besonderem Vorteil und Bedeutung sein.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die Kraftfahrzeugklimaanlage ferner einen internen Wärmetauscher zur Effizienzsteigerung der Klimaanlage auf. Der interne Wärmetauscher ist sowohl hochtemperaturseitig als auch niedertemperaturseitig in den Kältemittelkreislauf eingebunden und ist ferner nach dem Gegenstromprinzip sowohl vom vergleichsweise hochtemperierten und unter hohem Druck stehenden sowie in Gegenstromrichtung vom vergleichsweise kalten und unter niedrigem Druck stehenden Kältemittel durchströmbar.
Hochtemperaturseitig ist der interne Wärmetauscher zwischen dem Kondensator und der Expansionseinrichtung in den Kältemittelkreislauf eingebunden. Niedertemperaturseitig ist der interne Wärmetauscher zwischen dem Verdampfer und dem Kompressor in den Kältemittelkreislauf eingebunden und dementsprechend mit der Hochtemperaturseite und der Niedertemperaturseite thermisch gekoppelt.
Mittels des internen Wärmetauschers ist insbesondere das vom Kondensator zur Expansionseinrichtung strömende vergleichsweise heiße Kältemittel von dem vom Verdampfer zum Kompressor strömenden und vergleichsweise kalten Kältemittel abkühlbar bzw. vorkühlbar. Durch Vorsehen des internen Wärmetauschers kann das Temperaturniveau des Kältemittels an der Expansionseinrichtung herabgesetzt werden, sodass das Kältemittel auf der Niedertemperaturseite des Kältemittelkreislaufs auf ein noch weiter reduziertes Temperaturniveau abfällt. Auf diese Art und Weise kann die Effizienz und die Energiebilanz einer Kraftfahrzeugklimaanlage gesteigert werden.
Nach einer Weiterbildung hiervon ist der thermoelektrische Generator zwischen dem internen Wärmetauscher und der Expansionseinrichtung mit der Hochtemperaturseite thermisch gekoppelt. Der thermoelektrische Generator, welcher mit dem vergleichsweise kalten Kondenswasser thermisch gekoppelt oder vom Kondenswasser direkt beaufschlagbar ist, kann hierbei zu einer weiteren Abkühlung des Ausgangs des internen Wärmetauschers zur Expansionseinrichtung strömenden Kältemittels dienen. Durch die hochtemperaturseitige thermische Kopplung des thermoelektrischen Generators zwischen internem Wärmetauscher und Expansionseinrichtung kann das aus dem internen Wärmetauscher strömende und vorgekühlte Kältemittel weiter abgekühlt und somit die Effizienz der Kraftfahrzeugklimaanlage weiter gesteigert werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die Kraftfahrzeugklimaanlage zumindest zwei Verdampfer auf, welche jeweils mit einer Auffangrichtung für Kondenswasser versehen sind. Die beiden Verdampfer können beispielsweise parallel geschaltet sein. Derartige Kraftfahrzeugklimaanlagen mit mehreren Verdampfern kommen insbesondere bei großräumigen Kraftfahrzeugen zum Einsatz, wobei ein Verdampfer etwa fahrzeugfrontseitig und ein weiterer Verdampfer fahrzeugheckseitig angeordnet ist bzw. wobei ein vorderer Verdampfer dem Fahrer- und Beifahrersitz, ein hinterer Verdampfer hingegen der zweiten und/oder dritten Sitzreihe zugeordnet ist.
Indem sämtliche Verdampfer der Kraftfahrzeugklimaanlage jeweils mit einer Auffangeinrichtung versehen sind, kann sämtliches im Betrieb der Kraftfahrzeugklimaanlage anfallendes Kondenswasser aufgesammelt und dem zumindest einem thermoelektrischen Generator zugeführt werden. Die entsprechende Temperatursenke kann auf diese Art und Weise vergrößert werden, sodass ein höheres Maß an elektrischer Energie rückgewinnbar ist.
Nach einer weiteren Ausgestaltung sind die Auffangeinrichtungen unterschiedlicher Verdampfer über eine gemeinsame Kondenswasserleitung mit einem einzigen thermoelektrischen Generator thermisch gekoppelt. Die mit den jeweiligen Auffangeinrichtungen in Strömungsverbindung stehenden Kondenswasserleitungen können ineinander münden und letztlich in Form einer einzigen zusammengeführten Leitung sämtliches im Betrieb der Klimaanlage anfallendes Kondenswasser einem thermoelektrischen Generator zuführen. Die elektrische Anbindung des thermoelektrischen Generators an die Kraftfahrzeugelektronik, insbesondere an die Fahrzeugbatterie, kann hierbei möglichst simpel und einfach gehalten werden.
Nach einer anderen Ausgestaltung kann hingegen vorgesehen sein, dass die Auffangeinrichtungen unterschiedlicher Verdampfer über je eine Kondenswasserleitung mit je einem thermoelektrischen Generator thermisch gekoppelt sind. Es ist hierbei denkbar, mehrere thermoelektrische Generatoren voneinander beabstandet und dementsprechend räumlich verteilt mit der Hochtemperaturseite des Kältemittelkreislaufs thermisch zu koppeln und jedem dieser thermoelektrischen Generatoren eigens mit einer vom Kondenswasser gespeisten thermischen Senke zu verbinden. Bei dieser Ausgestaltung können die Leitungswege zwischen der jeweiligen Auffangeinrichtung und dem thermoelektrischen Generator möglichst minimiert werden, sodass das dem thermoelektrischen Generator zuzuführende Kondenswasser möglichst keine oder nur eine möglichst geringfügige Erwärmung erfährt.
Nach einem weiteren Aspekt ist schließlich ein Kraftfahrzeug vorgesehen, welches eine zuvor beschriebene Kraftfahrzeugklimaanlage aufweist. Das Kraftfahrzeug kann nach einer Weiterbildung zumindest eine Kraftfahrzeugbatterie aufweisen, die mit dem thermoelektrischen Generator der Kraftfahrzeugklimaanlage elektrisch verbunden ist. Die elektrische Anbindung bzw. elektrische Kopplung des thermoelektrischen Generators mit der Kraftfahrzeugbatterie erfolgt typischerweise über eine Steuerung, etwa mittels eines elektrischen Steuergerät, welches zumindest einen Mikroprozessor oder dergleichen Steuerungsmittel aufweist, sodass die vom thermoelektrischen Generator bereitgestellte elektrische Energie möglichst effizient und verlustfrei in die Fahrzeugbatterie einspeisbar oder anderweitig im Kraftfahrzeug verwendbar ist.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Ziele, Merkmale sowie vorteilhafte Ausgestaltungen werden in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht eines Kraftfahrzeugs,
2 eine schematische Darstellung einer Kraftfahrzeugklimaanlage,
3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung einer Kraftfahrzeugklimaanlage mit internem Wärmetauscher und
4 eine weitere Ausgestaltung einer Kraftfahrzeugklimaanlage mit internem Wärmetauscher und zwei Verdampfern.
Detaillierte Beschreibung
In 1 ist in Seitenansicht ein Kraftfahrzeug 1 in Form eines Personenkraftwagens mit einer selbsttragenden Kraftfahrzeugkarosserie 2 und einem Innenraum 3 gezeigt. Das Kraftfahrzeug 1 verfügt über eine in den 2 bis 4 jeweils in schematischer Darstellung gezeigten Kraftfahrzeugklimaanlage 10, 40, 50. Die Kraftfahrzeugklimaanlage 10, wie diese zum Beispiel in 2 gezeigt ist, weist einen Kältemittelkreislauf 12 mit einer Hochtemperaturseite 14 und einer Niedertemperaturseite 16 auf. Die Kraftfahrzeugklimaanlage 10 weist ferner einzelne Klimaanlagenkomponenten, nämlich einen Kompressor 18, einen Kondensator 20, eine Expansionseinrichtung 22 sowie einen Verdampfer 24 auf. Der Kondensator 20 und der Verdampfer 24 sind als Wärmetauscher ausgebildet.
Die Hochtemperaturseite erstreckt sich vom Kompressor 18 bis zur Expansionseinrichtung 22, während die Niedertemperaturseite 16 den Bereich des Kältemittelkreislaufs 12, ausgehend von der Expansionseinrichtung 22 bis zum Kompressor 18 bezeichnet. Die einzelnen Komponenten der Kraftfahrzeugklimaanlage 10, nämlich Kompressor 18, Kondensator 20, Expansionseinrichtung 22 und Verdampfer 24 sind zur Bildung des geschlossenen Kältemittelkreislaufs 12 über eine Kältemittelleitung 15 miteinander verbunden und in Reihe als Kreislauf geschaltet.
Der Eingang des Kondensators 20 ist mit dem Ausgang des Kompressors 18 verbunden. Der Ausgang des Kondensators 20 ist mit dem Eingang der Expansionseinrichtung 22 verbunden. Der Ausgang der Expansionseinrichtung 22 ist mit dem Eingang des Verdampfers 24 verbunden und der Ausgang des Verdampfers 24 ist wiederum mit dem Eingang des Kompressors 18 verbunden.
Der Verdampfer 24, welcher vom vergleichsweise kalten Kältemittel durchströmt wird, ist im Innenraum 3 des Kraftfahrzeugs 1 angeordnet, um die dem Innenraum 3 von außen zuführbare Luft im Bedarfsfall zu kühlen. Dem Verdampfer 24 ist ferner eine Auffangeinrichtung 34 zugeordnet, die sich typischerweise, bezogen auf die Fahrzeughochrichtung (z), unterhalb des Verdampfers 24 befindet. Die Auffangeinrichtung 34 kann als Sammler fungieren und dementsprechend einen Sammeltrichter aufweisen, um im Betrieb der Kraftfahrzeugklimaanlage 10 am Verdampfer 24 anfallendes Kondenswasser 32 aufzufangen, welches vom Verdampfer 24 z. B. schwerkraftbedingt herabtropft.
Die zum Auffangen des Kondenswassers 32 vorgesehene Auffangeinrichtung 34 ist ferner mit einem thermoelektrischen Generator 30 thermisch gekoppelt. Der thermoelektrische Generator 30 ist dabei ferner mit der Hochtemperaturseite 14 des Kältemittelkreislaufs 12 thermisch gekoppelt. Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist der thermoelektrische Generator 30 zwischen der Expansionseinrichtung 22 und dem Kondensator 20 mit dem Kältemittelkreislauf 12 thermisch gekoppelt. Er befindet sich somit stromaufwärts der Expansionseinrichtung 22, aber stromabwärts des Kondensators 20.
Dadurch, dass der thermoelektrische Generator 30 einerseits mit der vergleichsweise warmen oder heißen Hochtemperaturseite 14 des Kältemittelkreislaufs 12, andererseits aber auch mit der Auffangeinrichtung 34 für Kondensator 32 gekoppelt ist, kann der thermoelektrische Generator 30 einem Temperaturgradienten ausgesetzt werden, demzufolge an den Anschlüssen 31, 33 des thermoelektrischen Generators 30 eine elektrische Spannung entsteht. Auf diese Art und Weise kann das Temperaturgefälle am thermoelektrischen Generator 30 in elektrische Energie umgewandelt werden.
Wie ferner in 2 angedeutet, können die Anschlüsse 31, 33 des thermoelektrischen Generators 30 mit einer Fahrzeugbatterie 38 elektrisch gekoppelt sein. Typischerweise ist für die elektrische Kopplung von thermoelektrischen Generator 30 und Fahrzeugbatterie 38 eine Steuerung, etwa in Form eines Steuergeräts, vorgesehen, welches mit geeigneten Wandlern bestückt ist, um die am thermoelektrischen Generator 30 anfallende elektrische Energie möglichst verlustfrei in die Fahrzeugbatterie 38 einspeisen zu können.
Die thermische Kopplung der Auffangeinrichtung 34 mit dem thermoelektrischen Generator 30 kann über eine Kondenswasserleitung 36 erfolgen. Die Kondenswasserleitung 36 kann beispielsweise als flexibler Schlauch ausgebildet sein, um eine möglichst flexible und variable Anordnung des thermoelektrischen Generators 30 an der Hochtemperaturseite 14 des Kältemittelkreislaufs 12 zu ermöglichen. Die Kondenswasserleitung 36 kann hierbei insbesondere thermisch isolierend ausgestaltet sein, damit das Kondenswasser 32 während seines Transports von der Auffangeinrichtung 34 zum thermoelektrischen Generator 30 nur möglichst wenig Erwärmung erfährt. Nach einer thermischen Kopplung und nach Aufnahme thermischer Energie am thermoelektrischen Generator 30 kann das Kondenswasser über ein freies Ende der Kondenswasserleitung 36, wie herkömmlich, an die Umgebung abgegeben werden.
Die Anbindung des thermoelektrischen Generators 30 an die Hochtemperaturseite 14 einerseits und an die Kondenswasserleitung 36 andererseits ist in den 2 bis 4 lediglich schematisch dargestellt. Die thermische Kopplung von thermoelektrischen Generator 30 an die Kondenswasserleitung 36 als auch an die Hochtemperaturseite 14 sollte möglichst großflächig ausgestaltet sein, um einen guten Wärmeübertrag und eine dementsprechende gute thermische Kopplung zu erzielen.
Durch die Kühlung mit dem im Betrieb der Klimaanlage 10 anfallenden Kondenswasser 32 kann der thermoelektrische Generator 30 der Hochtemperaturseite 14 der Klimaanlage 10 auch Wärme entziehen, was bei einer Anbindung des thermoelektrischen Generators 30 unmittelbar vor der Expansionseinrichtung 22 zur Effizienzsteigerung der Klimaanlage 10 von besonderem Vorteil sein kann. Das der Expansionseinrichtung 22 zugeführte Kältemittel kann auf diese Art und Weise nämlich vor- oder unterkühlt werden, sodass das Temperaturniveau auf der Niedertemperaturseite 16 weiter verringert und somit die Kühlleistung bzw. Kühleffizienz der gesamten Klimaanlage 10 weiter gesteigert werden kann.
In der weiteren Ausgestaltung gemäß 3 ist eine weitere Kraftfahrzeugklimaanlage 40 dargestellt, welche im Unterschied zur Kraftfahrzeugklimaanlage 10 gemäß 2 lediglich um einen internen Wärmetauscher 25 ergänzt ist. Der interne Wärmetauscher 25 bewirkt eine thermische Kopplung der Hochtemperaturseite 14 mit der Niedertemperaturseite 16 unmittelbar vor bzw. unmittelbar stromaufwärts der Expansionseinrichtung 22. Auf diese Art und Weise kann mittels dem vom Verdampfer 24 zum Kompressor 18 strömenden und vergleichsweise kalten Kältemittel das der Expansionseinrichtung 22 zugeführte und vergleichsweise warme oder heiße Kältemittel vor- oder unterkühlt werden.
Der interne Wärmtauscher 25 ist hierbei nach dem Gegenstromprinzip durchströmbar, sodass ein effizienter Austausch thermischer Energie zwischen Hochtemperaturseite 14 und Niedertemperaturseite 16 erreicht werden kann.
Die Klimaanlage 40 gemäß 3 ist hinsichtlich des thermoelektrischen Generators 30 und der hiermit zu verwirklichenden Rückgewinnung elektrischer Energie weitgehend identisch zur in 2 gezeigten Kraftfahrzeugklimaanlage 10 ausgebildet. Der thermoelektrische Generator 30 ist hier stromaufwärts der Expansionseinrichtung 22, aber stromabwärts des internen Wärmetauschers 25 angeordnet. Das mittels des internen Wärmetauschers 25 ab- oder vorkühlbare Kältemittel kann mit Hilfe des thermoelektrischen Generators 30 vor Erreichen der Expansionseinrichtung 22 weiter abgekühlt werden.
Abweichend hiervon ist aber auch denkbar, den thermoelektrischen Generator 30 stromaufwärts des internen Wärmetauschers 25 an der Hochtemperaturseite 14 des Kältemittelkreislaufs 12 vorzusehen. Beispielsweise kann der thermoelektrische Generator 30 zwischen dem Kondensator 20 und dem internen Wärmetauscher 25 mit dem Kältemittelkreislauf 12 thermisch gekoppelt sein. Auch ist denkbar, den thermoelektrischen Generator 30 zwischen dem Kompressor 18 und dem Kondensator 20 in den Kältemittelkreislauf 12 einzubinden.
In der weiteren Ausgestaltung einer Kraftfahrzeugklimaanlage 50 gemäß 4 sind zwei zueinander parallel geschaltete Verdampfer 24, 26 vorgesehen, denen jeweils eine eigene Expansionseinrichtung 22, 28 vorgeschaltet ist. Ausgangs des internen Wärmetauschers 25 verzweigt die Kältemittelleitung 15 in zwei Arme 15a, 15b, sodass beide Expansionseinrichtungen 22, 28 und die nachgeschalteten Verdampfer 24, 26 parallel mit dem entsprechenden Kältemittel beaufschlagbar sind.
Beide Verdampfer 24, 26 sind hierbei mit einer Auffangeinrichtung 34 für anfallendes Kondenswasser 32 ausgestattet. Die von den jeweiligen Auffangeinrichtungen 34 wegführenden Kondenswasserleitungen 36 sind zusammengeführt, sodass der thermoelektrische Generator 30 mit nur einer einzigen gemeinsamen Kondenswasserleitung 36 thermisch gekoppelt ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der thermoelektrische Generator 30 lediglich mit einem Arm 15b der Kältemittelleitung 15 gekoppelt, welcher Arm 15b sich zwischen internem Wärmetauscher 25 und der Expansionseinrichtung 28 erstreckt. Es ist grundsätzlich denkbar, den thermoelektrischen Generator 30 auch mit beiden Armen 15a, 15b der Kältemittelleitung 15 thermisch zu koppeln bzw. den thermoelektrischen Generator 30 zwischen den hochtemperaturseitigen Armen 15a, 15b anzuordnen und hiermit entsprechend thermisch zu koppeln.
Je nach baulicher Ausgestaltung, insbesondere je nach räumlicher Entfernung zwischen den einzelnen Verdampfern 24, 26 kann alternativ zur Darstellung gemäß 4 auch vorgesehen sein, mehrere voneinander räumlich beabstandete thermoelektrische Generatoren 30 vorzusehen, deren erzeugbare elektrische Energie unabhängig voneinander etwa einer Fahrzeugbatterie 38 zuführbar oder anderweitig im Fahrzeug nutzbar ist.
Die dargestellten Ausführungsformen zeigen lediglich mögliche Ausgestaltung der Erfindung zu welcher weitere zahlreiche Varianten denkbar und im Rahmen der Erfindung sind. Die exemplarisch gezeigten Ausführungsbeispiele sind in keiner Weise hinsichtlich des Umfangs, der Anwendbarkeit oder der Konfigurationsmöglichkeiten der Erfindung als einschränkend auszulegen. Die vorliegende Beschreibung zeigt dem Fachmann lediglich eine mögliche Implementierung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels auf. So können an der Funktion und Anordnung von beschriebenen Elementen vielfältigste Modifikationen vorgenommen werden, ohne hierbei den durch die nachfolgenden Ansprüche definierten Schutzbereich oder dessen Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: Kraftfahrzeugkarosserie
3: Innenraum
10: Kraftfahrzeugklimaanlage
12: Kältemittelkreislauf
14: Hochtemperaturseite
15: Kältemittelleitung
15a: Arm
15b: Arm
16: Niedertemperaturseite
18: Kompressor
20: Kondensator
22: Expansionseinrichtung
24: Verdampfer
25: Interner Wärmetauscher
26: Verdampfer
28: Expansionseinrichtung
30: Thermoelektrischer Generator
31: Anschluss
32: Kondenswasser
33: Anschluss
34: Auffangeinrichtung
36: Kondenswasserleitung
38: Fahrzeugbatterie
40: Kraftfahrzeugklimaanlage
50: Kraftfahrzeugklimaanlage

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2007/0101747 A1 [0006]

Claims

Kraftfahrzeugklimaanlage mit einem Kompressor (18), einem Kondensator (20), zumindest einer Expansionseinrichtung (22, 28), zumindest einem Verdampfer (24, 26) und mit einem Kältemittelkreislauf (12), über welchen der Kompressor (18), der Kondensator (20), die Expansionseinrichtung (22, 28) und der Verdampfer (24, 26) strömungstechnisch miteinander verbunden sind, wobei die Klimaanlage ferner einen thermoelektrischen Generator (30) sowie eine Auffangeinrichtung (34) für im Betrieb der Klimaanlage anfallendes Kondenswasser (32) aufweist und wobei der thermoelektrische Generator (30) einerseits mit der Auffangeinrichtung (34) und andererseits mit einer Hochtemperaturseite (14) des Kältemittelkreislaufs (12) thermisch gekoppelt ist.
Kraftfahrzeugklimaanlage nach Anspruch 1, wobei der thermoelektrische Generator (30) stromaufwärts der Expansionseinrichtung (22, 28) mit dem Kältemittelkreislauf (12) thermisch gekoppelt ist.
Kraftfahrzeugklimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der thermoelektrische Generator (30) stromabwärts des Kondensators (20) mit dem Kältemittelkreislauf (12) thermisch gekoppelt ist.
Kraftfahrzeugklimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auffangeinrichtung (34) unterhalb des Verdampfers (24, 26) angeordnet und zum Auffangen von am Verdampfer (24, 26) gebildeten Kondenswassers (32) ausgebildet ist.
Kraftfahrzeugklimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auffangeinrichtung (34) über eine Kondenswasserleitung (36) mit dem thermoelektrischen Generator (30) thermisch gekoppelt ist.
Kraftfahrzeugklimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der thermoelektrische Generator (30) mit einer Fahrzeugbatterie (38) elektrisch gekoppelt ist.
Kraftfahrzeugklimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einem internen Wärmetauscher (25), über welchen die Hochtemperaturseite (14) des Kältemittelkreislaufs (12) zwischen Kondensator (20) und Expansionseinrichtung (22) mit einer Niedertemperaturseite (16) des Kältemittelkreislaufs (12) zwischen Verdampfer (22, 24) und Kompressor (18) thermisch gekoppelt ist.
Kraftfahrzeugklimaanlage nach Anspruch 8, wobei der thermoelektrische Generator (30) zwischen dem internen Wärmetauscher (25) und der Expansionseinrichtung (22, 28) mit der Hochtemperaturseite (14) thermisch gekoppelt ist.
Kraftfahrzeugklimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit zumindest zwei Verdampfern (24, 26), welche jeweils mit einer Auffangeinrichtung (34) für Kondenswasser (32) versehen sind.
Kraftfahrzeugklimaanlage nach Anspruch 9, wobei die Auffangeinrichtungen (34) unterschiedlicher Verdampfer (24, 26) über eine gemeinsame Kondenswasserleitung (36) mit einem einzigen thermoelektrischen Generator (30) thermisch gekoppelt sind.
Kraftfahrzeugklimaanlage nach Anspruch 9, wobei die Auffangeinrichtungen (34) unterschiedlicher Verdampfer (24, 26) jeweils über eine Kondenswasserleitung (36) mit je einem thermoelektrischen Generator (30) thermisch gekoppelt sind.
Kraftfahrzeug mit einer Kraftfahrzeugklimaanlage (10; 40; 50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kraftfahrzeug mit zumindest einer Kraftfahrzeugbatterie (38), welche mit dem thermoelektrischen Generator (30) der Kraftfahrzeugklimaanlage (10; 40; 50) elektrisch verbunden ist.