DE10065112A1

DE10065112A1 - Anordnung und Verfahren zum Kühlen beziehungsweise Heizen

Info

Publication number: DE10065112A1
Application number: DE10065112A
Authority: DE
Inventors: Stephan Leuthner; Peter Satzger; Petra Beil
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2000-12-28
Publication date: 2002-07-11
Also published as: EP1347885B1; WO2002053399A1; EP1347885A1; DE50109459D1; US7100384B2; US20030154730A1; KR20030007436A; BR0108720A; ES2260163T3; JP2004516191A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Kühlen beziehungsweise Heizen mit einem ersten Wärmeübertrager (10) zur Abgabe beziehungsweise Entnahme von Wärme in ein beziehungsweise aus einem Wärmereservoir (12), einem zweiten Wärmeübertrager (14) zur Entnahme beziehungsweise Abgabe von Wärme aus einem beziehungsweise in einen zu kühlenden beziehungsweise zu heizenden Raum (16), einem Kompressor (18), einem Expansionsorgan (20) und Mitteln (22, 24) zum Umschalten zwischen einem Kühlbetrieb und einem Heizbetrieb, wobei die Mittel (22, 24) zum Umschalten in einem Modul (26) integriert sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Umschalten zwischen einem Kühlbetrieb und einem Heizbetrieb.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Kühlen bezie hungsweise Heizen mit einem ersten Wärmeübertrager zur Abgabe beziehungsweise Entnahme von Wärme in ein bezie hungsweise aus einem Wärmereservoir, einem zweiten Wärme übertrager zur Entnahme beziehungsweise Abgabe von Wärme aus einem beziehungsweise in einen zu kühlenden bezie hungsweise zu heizenden Raum, einem Kompressor, einem Ex pansionsorgan und Mitteln zum Umschalten zwischen einem Kühlbetrieb und einem Heizbetrieb. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Umschalten zwischen einem Kühl betrieb und einem Heizbetrieb mittels einer Anordnung mit einem ersten Wärmeübertrager zur Abgabe beziehungsweise Entnahme von Wärme in ein beziehungsweise aus einem Wär mereservoir, einem zweiten Wärmeübertrager zur Entnahme beziehungsweise Abgabe von Wärme aus einem beziehungswei se in einen zu kühlenden beziehungsweise zu heizenden Raum, einem Kompressor, einem Expansionsorgan und Mitteln zum Umschalten zwischen einem Kühlbetrieb und einem Heiz betrieb.

Stand der Technik

Gattungsgemäße Anordnungen und Verfahren sind bekannt, um insbesondere Innenräume von Kraftfahrzeugen zu kühlen be ziehungsweise zu heizen. Die Kühlung mit derartigen An ordnungen und Verfahren mittels einer in einem Kraftfahr zeug eingebauten Klimaanlage ist bereits seit langem be kannt. Zunehmend gewinnt aber auch die Beheizung mit der artigen Anordnungen an Bedeutung. Hierfür ist nicht zu letzt die Entwicklung verbrauchsoptimierter Motoren ver antwortlich, da bei diesen nicht ausreichend Wärme ins Kühlmittel abgegeben wird, um das Fahrzeug bei niedrigen Temperaturen im Schwachlastbetrieb komfortabel zu behei zen. Dies gilt insbesondere für direkteinspritzende Die selmotoren, welche bereits gattungsgemäße Zuheizer besit zen, um dem Komfort bei niedrigen Temperaturen sicherzu stellen. Auch Kraftfahrzeuge mit Benzindirekteinspritzung müssen zukünftig mit Zuheizern ausgestattet werden, damit eine komfortable Innenraumtemperatur aufrechterhalten werden kann.

Die meisten Fahrzeuge der Oberklasse und zunehmend auch der Mittelklasse werden standardmäßig mit einer Klimaan lage ausgestattet. Die Komponenten einer solchen Klimaan lage können bei tiefen Umgebungstemperaturen durch eine Umkehrung des Wärmekreislaufes als Wärmepumpe genutzt werden. Eine solche Wärmepumpe zeichnet sich durch einen geringen Energieverbrauch und ein spontanes Ansprechver halten bei hoher Heizleistung aus. Dies ist für Zuheizer konzepte hinsichtlich der Sicherheit, beispielsweise mit Bezug auf eine Fahrzeugscheibenenteisung, und des Kom forts ein zukunftsweisendes Konzept.

In den Fig. 5 und 6 sind zwei Klimaanlagenschaltungen dargestellt, wobei in Fig. 5 ein herkömmlicher Kühlbe trieb veranschaulicht ist, während in Fig. 6 ein Heizbe trieb mit den für den Heizbetrieb zusätzlich erforderli chen Komponenten gezeigt ist.

In Fig. 5 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 wieder erwärmte und verdampfte Medium tritt aus dem Wärmeübertrager 114 aus und durchströmt nachfolgend wiederum den inneren Wärmeübertrager 128. Nach Austritt aus dem inneren Wärmeübertrager 128 gelangt das Medium in einen Kompressor 118, wo es durch Kompression auf höheren Druck gebracht und erwärmt wird. Somit steht wieder ein erwärmtes Medium zur Verfügung, welches in den ersten Wärmeübertrager 110 zum Wärmeaustausch eintreten kann. Der Kreislauf ist geschlossen.

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. Durch diesen Wärmeaustausch wird der Flüssigkeitsanteil im Fluid bei Austritt aus dem Expansi onsorgan 120 erhöht. Somit kommt es zu einer Steigerung des Wirkungsgrads im Kreislauf.

In Fig. 6 ist ein Kreislauf dargestellt, der im Ver gleich zu Fig. 5 mit zusätzlichen Komponenten ausgestat tet ist. Diese Komponenten sind erforderlich, um den Kreislauf zum Heizen eines Raums zu nutzen. Wiederum wird der Kreislauf ausgehend von dem Einströmen des Medium in den ersten Wärmeübertrager 110 beschrieben. Es tritt kal tes Medium in den Wärmeübertrager 110 ein. Das kalte Me dium wird in dem Wärmeübertrager durch Wechselwirkung mit der Umgebungsluft 162 erwärmt und verdampft, während die Umgebungsluft abgekühlt wird. Hierbei kann es temperatur abhängig zur Bildung von Kondensat beziehungsweise Eis 168 kommen. Nach dem Ausströmen des Mediums aus dem ers ten Wärmeübertrager strömt dieses über ein erstes Ventil 170 in den inneren Wärmeübertrager 128 ein. Nach dem Aus tritt des Mediums aus dem inneren Wärmeübertrager 128 strömt es in den Kompressor 118 ein, wo es komprimiert und erwärmt wird. Nachdem das Medium den Kompressor ver lassen hat, strömt es über ein zweites Ventil 172 in den zweiten Wärmeübertrager ein. Dort kann das erwärmte Medium kalte Umgebungsluft beziehungsweise kalte Umluft er wärmen und somit als Nutzwärme 174 einem zu erwärmenden Raum zur Verfügung stellen. Das Medium tritt in abgekühl tem Zustand aus dem zweiten Wärmeübertrager 114 aus und nachfolgend in ein drittes Ventil 176 ein. Dieses dritte Ventil 176 leitet den Strom des Mediums zu einem vierten Ventil 178, wo das Medium wiederum so geleitet wird, dass es in den inneren Wärmeübertrager 128 eintritt. Nach dem Austritt aus dem inneren Wärmeübertrager 128 tritt das Medium in das Expansionsorgan 120 ein, wird dort durch Expansion abgekühlt und über ein Ventil 178 wiederum in den ersten Wärmeübertrager eingeleitet. Der Kreislauf des Mediums ist geschlossen.

Wiederum dient der innere Wärmeübertrager 128 zur Leis tungssteigerung. Zum einen wird das erwärmte Medium, wel ches im Kompressor 118 weiter zu erwärmen ist, in dem in neren Wärmeübertrager 128 durch das rückströmende Medium, welches aus dem zweiten Wärmeübertrager 114 in den inne ren Wärmeübertrager einströmt, erwärmt. Zum anderen wird dieses rückströmende Medium vor der Abkühlung durch Ex pansion in dem Expansionsorgan 120 durch das in den Wär meübertrager einströmende Medium, welches aus dem ersten Wärmeübertrager 110 ausgetreten ist, abgekühlt.

Es ist erkennbar, dass für eine Realisierung einer Anord nung, welche sowohl einen Kühl- als auch einen Heizbe trieb gestattet, zusätzliche Komponenten erforderlich sind. Dabei handelt es sich insbesondere um die Ventile 170, 172, 176 und 178, welche durch geeignete Umschaltung entweder einen Heizkreislauf oder einen Kühlkreislauf re alisieren können. Neben den Ventilen 170, 172, 176 und 178 sind weitere Zusatzkomponenten, wie beispielsweise Zusatzleitungen, erforderlich, was eine weitere Erhöhung des Gewichtes und einen weiteren Aufwand nach sich zieht. Ebenfalls wird durch die höhere Zahl an erforderlichen Leitungen und vor allem Verbindungen die Störanfälligkeit und insbesondere die Anfälligkeit für Undichtigkeiten er höht.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung baut auf der gattungsgemäßen Anordnung da durch auf, dass die Mittel zum Umschalten in einem Modul integriert sind. Hierdurch wird eine kompakte Bauweise realisiert, wobei insbesondere Leitungslängen und störan fällige Verbindungen eingespart und Installationsaufwand reduziert wird. Neben der Einsparung von Leitungen, wel che das Kühlmedium führen, können ebenfalls die Anzahl und die Länge der elektrischen Leitungen aufgrund der Mo dulstruktur reduziert werden.

Vorzugsweise ist zwischen dem ersten Wärmeübertrager und dem zweiten Wärmeübertrager ein innerer Wärmeübertrager vorgesehen. Ein solcher innerer Wärmeübertrager dient der Leistungssteigerung der Kühl- beziehungsweise Heizanord nung. Im Falle des Kühlbetriebs wird erwärmtes Medium, welches aus dem ersten Wärmeübertrager zu dem zweiten Wärmeübertrager zurückströmt vor der Expansion abgekühlt, wobei zu diesem Zwecke das von dem zweiten Wärmeübertra ger zu dem Kompressor strömende Medium verwendet wird. Die Temperatur des hin- beziehungsweise rückströmenden Mediums wird also in vorteilhafter Weise auf den nachfol genden Vorgang vorbereitet.

Es ist besonders bevorzugt, wenn die Mittel zum Umschal ten ein erstes Ventil und ein zweites Ventil mit jeweils vier Ports umfassen. Dies ist eine besonders kompakte Re alisierung der Erfindung, da die Anzahl der Druckan schlüsse verringert wird und da ferner eine kleine Bau weise begünstigt wird.

Vorzugsweise ist die Erfindung dadurch weitergebildet, dass bei dem ersten Ventil ein erster Port mit dem ersten Wärmeübertrager verbunden ist, ein zweiter Port mit dem Expansionsorgan verbunden ist, ein dritter Port mit dem inneren Wärmeübertrager verbunden ist und einer vierter Port mit dem zweiten Wärmeübertrager verbunden ist. Auf diese Weise sind bei dem ersten Ventil die Vorraussetzun gen geschaffen, die Umschaltung eines Teils des Kreis laufs des Mediums zwischen Heizbetrieb und Kühlbetrieb in korrekter Weise durchzuführen.

Ebenfalls ist die Erfindung in vorteilhafter Weise da durch weitergebildet, dass bei dem zweiten Ventil ein erster Port mit dem ersten Wärmeübertrager verbunden ist, einer zweiter Port mit dem inneren Wärmeübertrager ver bunden ist, ein dritter Port mit dem Kompressor verbunden ist und ein vierter Port mit dem zweiten Wärmeübertrager verbunden ist. Somit ist das zweite Ventil ebenfalls in der Lage, die für sowohl den Heizbetrieb als auch den Kühlbetrieb erforderlichen Kreisläufe zu steuern.

Es ist vorteilhaft, dass im Kühlbetrieb der erste und der dritte Port des ersten Ventils und der zweite und der vierte Port des ersten Ventils miteinander verbunden sind und dass im Kühlbetrieb der erste und der dritte Port des zweiten Ventils und der zweite und der vierte Port des zweiten Ventils miteinander verbunden sind. Somit steht eine Einstellung der Ventile zur Verfügung, die einen Kühlbetrieb ermöglicht.

Ferner ist vorteilhaft, dass im Heizbetrieb der erste und der zweite Port des ersten Ventils und der dritte und der vierte Port des ersten Ventils miteinander verbunden sind und dass im Heizbetrieb der erste und der zweite Port des zweiten Ventils und der dritte und der vierte Port des zweiten Ventils miteinander verbunden sind. Auf diese Weise wird das Medium in der für den Heizbetrieb vorteil haften Weise durch das System geführt.

Es ist von besonderem Nutzen, wenn die Mittel zum Um schalten wenigstens teilweise von einem gemeinsamen An trieb betätigbar sind. Dies reduziert die Anzahl der er forderlichen Komponenten.

In diesem Zusammenhang kann es besonders vorteilhaft sein, wenn die Mittel zum Umschalten wenigstens teilweise von einem hydraulischen oder pneumatischen Antrieb, zum Beispiel mit dem Kältemittel, betätigbar sind. Ein sol cher hydraulischer oder pneumatischer Antrieb kann durch einen Druckunterschied des Kältemittels am Kompressor di rekt oder indirekt gespeist werden. Für diese Ansteuerung ist ein sehr kleines Magnetventil ausreichend.

Ebenfalls ist es nützlich, wenn in dem Modul der innere Wärmeübertrager integriert ist. Durch die weitere Integ ration des Wärmeübertragers neben beispielsweise den Mit teln zum Umschalten wird eine weitere Reduzierung der Baugröße erreicht.

Aus demselben Grund kann es nützlich sein, wenn in dem Modul das Expansionsorgan integriert ist. Dies hat unter anderem den Vorteil, dass wiederum eine weitere Verringe rung der Bauform erreicht wird, welche zudem mit einer Verkürzung der hydraulischen Wege einhergeht.

Von besonderem Nutzen ist es, wenn in dem Modul der Kom pressor integriert ist. Somit kann auch dies zur weiteren Verkleinerung der Anlage führen.

Nützlicherweise kann in dem Modul ein Sammler integriert sein. Bei Anlagen mit Sammler kann die Integration dieses Bauteils ebenfalls die Vorteile der Erfindung unterstüt zen.

Aus demselben Grund kann es nützlich sein, wenn in dem Modul ein Ölabscheider integriert ist.

Auch kann in nützlicher Weise in dem Modul ein Heißgas- Bypass-Ventil integriert sein, welches der Enteisung des Außenluftwärmetauschers dienen kann.

Eine weitere integrierende Maßnahme wird im Rahmen der Erfindung dadurch zur Verfügung gestellt, dass in dem Mo dul Drucksensoren integriert sind. Diese können sowohl zur Sensierung des Hoch- als auch des Niederdrucks dienen. Durch die Integration einer Steuereinheit für alle Ventile und den Kompressor in das Modul kann der externe elektrische Installationsaufwand verkleinert werden.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn zumindest ein Teil der in dem Modul integrierbaren Komponenten in einem ge meinsamen Druckgehäuse angeordnet sind. Durch ein solches gemeinsames Druckgehäuse kann die Dichtheit des Moduls und damit der Klimaanlage erhöht werden. Aufgrund der Verwendung eines gemeinsamen Druckgehäuses können inner halb des Druckgehäuses Materialien verwendet werden, die vorher aufgrund der großen Druckdifferenzen nicht verwen det werden konnten. So ist zum Beispiel denkbar, dass Kunststoffe zum Einsatz kommen. Ebenfalls ist es möglich, unter Druck stehende Leitungen mit dünneren Wandstärken auszulegen, so dass auch hierdurch zusätzliches Gewicht eingespart werden kann.

Die Erfindung zeigt ihre besonderen Vorteile im Rahmen einer Anlage, bei der als Medium des Kühl- beziehungswei se Heizkreislaufs CO₂ vorgesehen ist. Derartige Kühlsys teme auf der Basis von CO₂ werden in der Zukunft deutlich an Bedeutung gewinnen, da ein herkömmliches Kältemittel durch eine problemlos zu entsorgende Substanz, nämlich CO₂, ersetzt wird. Besonders aufgrund der Möglichkeiten der Leistungssteigerung mittels eines inneren Wärmeü bertragers ist die Erfindung im Zusammenhang mit CO₂ als Kühl- beziehungsweise Heizmittel besonders nützlich.

Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Verfahren da durch auf, dass die Mittel zum Umschalten in einem Modul integriert sind. Hierdurch steht ein Verfahren auf der Grundlage einer kompakten Bauweise zur Verfügung, wobei insbesondere Leitungslängen und Gewicht eingespart und Installationsaufwand reduziert wird. Neben der Einsparung von Leitungen, welche das Kühlmedium führen, können eben falls die Anzahl und die Länge der elektrischen Leitungen aufgrund der Modulstruktur reduziert werden.

Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch weitergebildet, dass in einem inneren Wärmeübertrager, welcher zwischen dem ersten Wärmeübertrager und dem zwei ten Wärmeübertrager angeordnet ist, Wärme ausgetauscht wird. Ein solcher innerer Wärmeübertrager dient der Leis tungssteigerung der Kühl- beziehungsweise Heizanordnung. Im Falle des Kühlbetriebs wird erwärmtes Medium, welches aus dem zweiten Wärmeübertrager zu dem ersten Wärmeüber trage zurückströmt vor der Kompression vorgewärmt, wobei zu diesem Zwecke das von dem ersten Wärmeübertrager zu dem Expansionsorgan strömende Medium verwendet wird. Die Temperatur des hin- beziehungsweise rückströmenden Medi ums wird also in vorteilhafter Weise auf den nachfolgen den Vorgang vorbereitet.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft dadurch weitergebildet, dass die Mittel zum Umschalten ein erstes Ventil und ein zweites Ventil mit jeweils vier Ports umfassen, dass bei dem ersten Ventil ein erster Port mit dem ersten Wärmeübertrager verbunden ist, ein zweiter Port mit dem Expansionsorgan verbunden ist, ein dritter Port mit dem inneren Wärmeübertrager verbunden ist und ein vierter Port mit dem zweiten Wärmeübertrager verbunden ist, dass bei dem zweiten Ventil ein erster Port mit dem ersten Wärmeübertrager verbunden ist, ein zweiter Port mit dem inneren Wärmeübertrager verbunden ist, ein dritter Port mit dem Kompressor verbunden ist und ein vierter Port mit dem zweiten Wärmeübertrager ver bunden ist, dass in den Kühlbetrieb umgeschaltet wird, indem der erste und der dritte Port des ersten Ventils und der zweite und der vierte Port des ersten Ventils miteinander verbunden werden und indem der erste und der dritte Port des zweiten Ventils und der zweite und der vierte Port des zweiten Ventils miteinander verbunden werden. Auf diese Weise sind bei dem ersten Ventil die Vorraussetzungen geschaffen, die Umschaltung eines Teils des Kreislaufs des Mediums zwischen Heizbetrieb und Kühl betrieb in korrekter Weise durchzuführen.

Vorzugsweise wird in den Heizbetrieb umgeschaltet, indem der erste und der zweite Port des ersten Ventils und der dritte und der vierte Port des ersten Ventils miteinander verbunden werden und indem der erste und der zweite Port des zweiten Ventils und der dritte und der vierte Port des zweiten Ventils miteinander verbunden werden. Somit ist das zweite Ventil ebenfalls in der Lage, die für so wohl den Heizbetrieb als auch den Kühlbetrieb erforderli chen Kreisläufe zu steuern.

Es ist bevorzugt, dass die Mittel zum Umschalten wenigs tens teilweise von einem gemeinsamen Antrieb betätigt werden. Dies reduziert die Anzahl der erforderlichen Kom ponenten.

Ebenfalls ist es nützlich, wenn die Mittel zum Umschalten wenigstens teilweise von einem hydraulischen Antriebe betätigt werden. Für diese Ansteuerung ist ein sehr kleines Magnetventil ausreichend.

Vorzugsweise wird als Medium des Kühl- beziehungsweise Heizkreislaufs CO₂ verwendet. Derartige Kühlsysteme auf der Basis von CO₂ werden in der Zukunft deutlich an Be deutung gewinnen, da ein herkömmliches Kältemittel durch eine problemlos zu entsorgende Substanz, nämlich CO₂, er setzt wird. Besonders aufgrund der Möglichkeiten der Leistungssteigerung mittels eines inneren Wärmeübertra gers ist die Erfindung im Zusammenhang mit CO₂ als Kühl beziehungsweise Heizmittel besonders nützlich.

Bevorzugt ist der innere Wärmeübertrager in µ-Struktur- Technik aufgebaut. Insbesondere bei CO₂ als Kältemittel erlaubt die Zusammenfassung der Komponenten im Modul 26 den Einsatz von Bauteilen in µ-Struktur-Technik, da hier durch die Druckverluste innerhalb des Moduls hinreichend klein sind.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrun de, dass die Umschaltfunktion zwischen einem Kühlbetrieb und einem Heizbetrieb in kompakter Bauweise realisierbar ist. Durch die Bereitstellung eines Moduls, welches we sentliche Komponenten der Anlage enthält, kann die Anzahl der Druckanschlüsse, die Anzahl der hydraulischen Leitun gen, die Anzahl der elektrischen Leitungen und sonstiger Aufwand verringert werden. Darüber hinaus wird die Bau größe verringert und Gewicht eingespart.

Zeichnungen

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

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Aus führungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der ersten Aus führungsform der Erfindung in einem veränderten Betriebsmodus;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer ersten Aus führungsform des Standes der Technik; und

Fig. 6 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführung des Standes der Technik.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen werden gleiche oder vergleichbare Komponenten mit denselben Be zugszeichen gekennzeichnet.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfin dungsgemäßen Anordnung zum Kühlen beziehungsweise zum Heizen. Die umschaltbaren Komponenten der Anordnung sind in der Darstellung gemäß Fig. 1 so geschaltet, dass sich die Anlage im Kühlbetrieb befindet. In einen ersten Wär meübertrager 10 wird ein Medium eingeleitet. In dem Wär meübertrager findet ein Austausch von Wärme zwischen ei nem Wärmereservoir 12 und dem eingeleiteten Medium statt, so dass Umgebungsluft 62 erwärmt wird und im Gegenzug das Medium abgekühlt wird. Das abgekühlte Medium verlässt den ersten Wärmeübertrager 10 und tritt nachfolgend in ein Modul 26 ein.

Die in dem Modul 26 stattfindenden Vorgänge werden weiter unten erläutert.

Das Medium tritt aus dem Modul 26 in abgekühlter Form aus und nachfolgend in einen zweiten Wärmeübertrager 14 ein. In diesem zweiten Wärmeübertrager tritt weiterhin Umge bungsluft beziehungsweise Umluft ein, so dass ein in dem Wärmeübertrager 14 abgekühlter Luftstrom 74 in den zu kühlenden Raum 16 eintritt. Dabei entsteht Kondensat 66. Das aufgrund der Abkühlung der Umgebungsluft beziehungs weise der Umluft 74 erwärmte und verdampfte Medium tritt aus dem zweiten Wärmeübertrager 14 aus. Nachfolgend tritt das Medium in das Modul 26 ein. In diesem Modul wird das Medium erwärmt und auf einen höheren Druck gebracht. Aus dem Modul 26 tritt nachfolgend erwärmtes und verdichtetes Medium aus, so dass es wieder dem ersten Wärmeübertrager zugeführt werden kann. Der Kreislauf ist geschlossen.

In dem Modul 26 sind mehrere Komponenten integriert, wel che für den Betrieb der Anlage wesentlich sind. Das Modul 26 umfasst ein erstes Ventil 22 mit einem ersten Port 30, einem zweiten Port 32, einem dritten Port 34 und einem vierten Port 36. Das Modul 26 umfasst ferner ein zweites Ventil 24 mit einem ersten Port 38, einem zweiten Port 40, einem dritten Port 42 und einem vierten Port 44. Wei terhin enthält das Modul 26 einen Kompressor 18, ein Ex pansionsorgan 20 und einen inneren Wärmeübertrager 28. In Fig. 1 sind das erste Ventil 22 und das zweite Ventil 24 so geschaltet, dass sich die Anlage im Kühlbetrieb befin det. Tritt nun das in dem ersten Wärmeübertrager 10 abge kühlte Medium in das Modul 26 und somit in das erste Ven til 22 ein, so gelangt es zunächst zu dem ersten Port 30. Der erste Port 30 ist mit dem dritten Port 34 verbunden. Der dritte Port 34 steht mit dem inneren Wärmeübertrager 28 in Verbindung. Das Medium wird somit in den inneren Wärmeübertrager 28 geleitet, dessen Funktion weiter unten beschrieben wird. Nach dem Austritt des Mediums aus dem inneren Wärmeübertrager 28 tritt das Medium in ein Expan sionsorgan 20 ein. In diesem Expansionsorgan 20 wird das Medium expandiert und somit abgekühlt. Das aus dem Expan sionsorgan 20 austretende Medium gelangt zu dem zweiten Port 32 des Ventils 22, welcher mit dem Expansionsorgan 20 in Verbindung steht. Der zweite Port 32 ist mit dem vierten Port 36 des ersten Ventils verbunden, so dass das Medium zu dem vierten Port 36 geleitet wird. Von dort aus tritt das Medium aus dem Modul 26 aus und in den zweiten Wärmeübertrager 14 ein.

Bei der Rückführung des Mediums durchläuft dieses eben falls das Modul 26. Das Medium tritt in das Modul 26 ein, wo es zunächst zu dem vierten Port 44 des zweiten Ventils gelangt. Der vierte Port 44 des zweiten Ventils 24 ist mit dem zweiten Port 40 des zweiten Ventils 24 verbunden. Das Medium wird somit zu dem zweiten Port 40 des zweiten Ventils 24 geleitet und von dort aus zu dem inneren Wär meübertrager 28, welcher mit dem zweiten Port 40 des zweiten Ventils 24 verbunden ist. Nach dem Durchlaufen des inneren Wärmeübertragers tritt das Medium aus dem in neren Wärmeübertrager 28 aus und gelangt zu einem Kom pressor 18. In diesem Kompressor 18 wird das Medium er wärmt und komprimiert. Der Ausgang des Kompressors ist mit dem dritten Port 42 des zweiten Ventils verbunden. In dem vorliegenden Schaltzustand ist der dritte Port 42 mit dem ersten Port 38 des zweiten Ventils 24 verbunden. Das Medium wird somit von dem dritten Port 42 des zweiten Ventils 24 zu dem ersten Port 38 des zweiten Ventils 24 geführt. Der erste Port ist mit dem ersten Wärmeübertra ger 10 verbunden, so dass das Medium aus dem Modul 26 austritt und zu dem ersten Wärmeübertrager 10 gelangen kann.

Insbesondere beim Betrieb der Anlage mit CO₂ als Kühlme dium erweist es sich als nützlich, einen inneren Wärmeü bertrager 28 vorzusehen. Dieser innere Wärmeübertrager dient einer Leistungssteigerung. Das in das Expansionsor gan 20 einströmende Medium wird durch das rückgeführte Medium gekühlt. Im Gegenzug wird das rückgeführte Medium, welches in den Kompressor 18 einströmt durch das hinströ mende Medium erwärmt.

Anhand von Fig. 1 ist erkennbar, dass an dem Modul 26 lediglich vier externe Druckanschlüsse erforderlich sind, nämlich der erste Port 30 des ersten Ventils 22 für die Verbindung zum ersten Wärmeübertrager 10, der dritte Port 36 des ersten Ventils 22 für die Verbindung des ersten Ventils 22 mit dem zweiten Wärmeübertrager 14. Der erste Port 38 des zweiten Ventils 24 für die Verbindung des zweiten Ventils 24 mit dem ersten Wärmeübertrager 10 und der vierte Port 44 des zweiten Ventils 24 für die Verbin dung des zweiten Ventils 24 mit dem zweiten Wärmeübertra ger 14. Insofern werden im Vergleich zu etwa der Ausfüh rungsform gemäß Fig. 6, welche im Rahmen der Beschrei bung zum Stand der Technik erläutert wird, erhebliche Leitungslängen eingespart. Ebenfalls wird der Installati onsaufwand reduziert.

Es ist auch denkbar, dass der Kompressor 18 nicht in dem Modul 26 integriert ist. Bei einer solchen Anordnung ist das Modul 26 mit zwei weiteren Druckanschlüssen auszu statten, was ebenfalls noch eine erhebliche Reduzierung des hydraulischen Schaltungsaufwandes mit sich bringt. Ferner können die Komponenten auch ganz oder teilweise in einem Block integriert sein. Hierdurch kann eine kompakte Darstellung des Moduls erreicht werden. Damit lässt sich auf einfachere Weise eine dichte Realisierung ermögli chen.

In Fig. 2 ist die Anlage gemäß Fig. 1 in einem anderen Schaltungszustand gezeigt. Die Anlage gemäß Fig. 2 be findet sich im Heizbetrieb. Die Umschaltung von dem Kühl betrieb gemäß Fig. 1 zu dem Heizbetrieb gemäß Fig. 2 erfolgt durch Umschalten des ersten Ventils 22 und des zweiten Ventils 24. Bei dem ersten Ventil 22 ist nun der erste Port 30 mit dem zweiten Port 32 verbunden. Der dritte Port 34 des ersten Ventils 22 ist mit dem vierten Port 36 des ersten Ventils 22 verbunden. Bei dem zweiten Ventil 24 ist der erste Port 38 mit dem zweiten Port 40 verbunden. Der dritte Port 42 ist mit dem vierten Port 44 verbunden. Strömt nun kaltes Medium in den ersten Wärmeü bertrager 10 ein, so nimmt dieses Wärme aus dem Wärmere servoir 12 auf, so dass die Umgebungsluft 62 abgekühlt wird. Dabei kann Kondensat beziehungsweise Eis 68 entste hen. Nach dem Austritt des ersten Mediums aus dem ersten Wärmeübertrager 10 tritt das Medium im erwärmten Zustand in das Modul 26 ein. Dort gelangt es zu dem ersten Port 38 des zweiten Ventils 24. Der erste Port 38 ist mit dem zweiten Port 40 verbunden, welcher mit dem inneren Wärme übertrager 28 in Verbindung steht. Somit wird das Medium zu dem inneren Wärmeübertrager 28 geführt. Nach dem Durchtritt des Mediums durch den inneren Wärmeübertrager 28 tritt das Medium in den Kompressor 18 ein und nachfol gend gelangt es zu dem dritten Port 42 des zweiten Ven tils 24. Dieser dritte Port 42 des zweiten Ventils 24 ist mit dem vierten Port 44 des zweiten Ventils 24 verbunden, welcher mit dem zweiten Wärmeübertrager 14 in Verbindung steht. Somit gelangt das Medium von dem Kompressor 18 in erwärmten Zustand zu dem zweiten Wärmeübertrager 14. In diesem zweiten Wärmeübertrager 14 wird Umgebungsluft oder Umluft erwärmt, so dass letztlich warme Luft 24 an einen zu beheizenden Raum 16 abgegeben werden kann. Dabei kühlt das Medium ab. Das abgekühlte Medium wird zu dem Modul 26 zurückgeführt. Dort erreicht das Medium zunächst den vierten Port 36 des ersten Ventils 22. Der vierte Port 36 des ersten Ventils 22 ist mit dem dritten Port 34 des ersten Ventils 22 verbunden. Dieser vierte Port 34 steht mit dem inneren Wärmeübertrager 28 in Verbindung. Somit gelangt das Medium von dem zweiten Wärmeübertrager 14 zu dem inneren Wärmeübertrager 28. Nach dem Durchtritt des Mediums durch den inneren Wärmeübertrager 28 tritt das Medium in das Expansionsorgan 20 ein, wo es expandiert und abkühlt. Nach dem Austritt aus dem Expansionsorgan 20 gelangt das Medium zu dem zweiten Port 32 des ersten Ven tils 22. Der zweite Port 32 ist mit dem ersten Port 30 des ersten Ventils 22 verbunden, welcher mit dem ersten Wärmeübertrager 10 in Verbindung steht. Somit gelangt das Medium von dem Expansionsorgan 20 im abgekühlten Zustand über den zweiten Port 32 und den ersten Port 30 des ers ten Ventils 22 zu dem ersten Wärmeübertrager 10. Der Kreislauf ist geschlossen.

Wiederum dient auch im Heizbetrieb der innere Wärmeü bertrager 28 der Leistungssteigerung, was insbesondere bei einem Betrieb mit CO₂ als Medium besonders zu bevor zugen ist. Das Medium wird vor dem Eintritt in den Kom pressor in den inneren Wärmetauscher 28 erwärmt, was durch die Wechselwirkung mit dem rückströmenden Medium aus dem zweiten Wärmeübertrager 14 erfolgt. Im Gegenzug wird das rückströmende Medium vor der Expansion in dem Expansionsorgan 20 durch Wechselwirkung mit dem hinströ menden Medium abgekühlt.

Die Umschaltung zwischen den Schaltzuständen gemäß Fig. 1 und Fig. 2 kann auf rationelle Weise so erfolgen, dass für die gleichzeitig zu schaltenden Elementen gemeinsame Antriebe verwendet werden können. Dies senkt den Schaltaufwand und ebenfalls das Gewicht des Moduls 26 und somit der gesamten Anlage. Besonders vorteilhaft kann sein, dass für die Ansteuerung der Ventile ein hydrauli scher Antrieb verwendet wird, welcher durch den Druckun terschied am Kompressor gespeist wird. Zur Ansteuerung einer solchen Hydraulik können ein einziges oder mehrere sehr kleine Magnetventile verwendet werden. Ebenfalls kann die Vorrichtung gemäß den Fig. 1 und 2 so weiter gebildet sein, dass Drucksensoren für Hoch- und Nieder druck ebenfalls in dem Modul 26 integriert sind.

In Fig. 3 ist eine weitere schematische Darstellung ei ner erfindungsgemäßen Anordnung gezeigt. Diese entspricht weitgehend der Darstellung gemäß Fig. 2. Zusätzlich zu Fig. 2 ist in dem Modul 26 ein Sammler 46 integriert, welcher in dem dargestellten Heizbetrieb an der Eingangs seite des inneren Wärmeübertragers 28 angeordnet ist und mit dem zweiten Port 40 des ersten Ventils 24 in Verbin dung steht. Der Sammler 46 dient sowohl der Bevorratung von Kältemittel als auch dem Abtrennen von Flüssigkeit und Gas, welches in das Modul 26 eintreten kann. Ein vor teilhafte Ausbildung besteht darin, dass alle oder einige Komponenten des Moduls 26 in einem Druckgefäß integriert sind, welches dann als Sammler dient. Hierdurch kann nicht nur Bauraum eingespart werden, sondern vor allem kann die Abdichtung der Komponenten nach außen durch das Druckgefäß übernommen werden. Dies erleichtert die lecka gearme Fertigung des Moduls 26 erheblich.

In Fig. 4 ist eine weitere schematische Darstellung ei ner erfindungsgemäßen Anordnung gezeigt. Diese weist zu sätzlich zu den Komponenten gemäß Fig. 3 ein Heißgas- Bypass-Ventil 50 auf. Dieses Ventil 50 verbindet die Ein gangsseite mit der Ausgangsseite des zweiten Wärmeü bertragers 14. Auch dieses Ventil 50 kann in dem Modul 26 integriert sein. Die Anlage ist in einem Schaltzustand für einen Heißgas-Abtau-Betrieb gezeigt. Durch den Kurz schluss des Wärmeübertragers 14 durch das Ventil 50 ge langt ein Großteil des Fluids vom Expansionsorgan 20 di rekt in das Ventil 24. Hierdurch wird im Wärmeübertrager 14 nahezu keine Wärme übertragen. Die Abwärme des Systems wird vom Fluid vollständig im Wärmeübertrager 10 abgege ben. Auf der Luftseite dieses Wärmeübertragers befindli ches Eis kann hierdurch abgesprengt beziehungsweise ge schmolzen werden.

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.

Claims

1. Anordnung zum Kühlen beziehungsweise Heizen mit
einem ersten Wärmeübertrager (10) zur Abgabe bezie hungsweise Entnahme von Wärme in ein beziehungsweise aus einem Wärmereservoir (12),
einem zweiten Wärmeübertrager (14) zur Entnahme be ziehungsweise Abgabe von Wärme aus einem beziehungs weise in einen zu kühlenden beziehungsweise zu hei zenden Raum (16),
einem Kompressor (18),
einem Expansionsorgan (20) und
Mitteln (22, 24) zum Umschalten zwischen einem Kühl betrieb und einem Heizbetrieb,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (22, 24) zum Um schalten in einem Modul (26) integriert sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Wärmeübertrager (10) und dem zweiten Wärmeübertrager (14) ein innerer Wärmeübertrager (28) vorgesehen ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass die Mittel zum Umschalten ein erstes Ventil (22) und ein zweiten Ventil (24) mit jeweils vier Ports (30, 32, 34, 36; 38, 40, 42, 44) umfassen.

4. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass bei dem ersten Ventil (22)
ein erster Port (30) mit dem ersten Wärmeübertrager (10) verbunden ist,
ein zweiter Port (32) mit dem Expansionsorgan (20) verbunden ist,
ein dritter Port (34) mit dem inneren Wärmeübertrager (28) verbunden ist und
ein vierter Port (35) mit dem zweiten Wärmeübertrager (14) verbunden ist.

5. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass bei dem zweiten Ventil (24)
ein erster Port (38) mit dem ersten Wärmeübertrager (10) verbunden ist,
ein zweiter Port (40) mit dem inneren Wärmeübertrager (28) verbunden ist,
ein dritter Port (42) mit dem Kompressor (18) verbun den ist und
ein vierter Port (44) mit dem zweiten Wärmeübertrager (14) verbunden ist.

6. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet,
dass im Kühlbetrieb der erste Port (30) und der drit te Port (34) des ersten Ventils (22) und der zweite Port (32) und der vierte Port (36) des ersten Ventils (22) miteinander verbunden sind und
dass im Kühlbetrieb der erste Port (38) und der drit te Port (42) des zweiten Ventils (24) und der zweite Port (40) und der vierte Port (44) des zweiten Ven tils (24) miteinander verbunden sind.

7. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet,
dass im Heizbetrieb der erste Port (30) und der zwei te Port (32) des ersten Ventils (22) und der dritte Port (34) und der vierte Port (36) des ersten Ventils (22) miteinander verbunden sind und
dass im Heizbetrieb der erste Port (38) und der zwei te Port (40) des zweiten Ventils (24) und der dritte Port (42) und der vierte Port (44) des zweiten Ven tils (24) miteinander verbunden sind.

8. Anordndung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Umschalten (22, 24) wenigstens teilweise von einem gemeinsamen Antrieb betätigbar sind.

9. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Umschalten (22, 24) wenigstens teilweise von einem hydraulischen Antrieb betätigbar sind.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Antrieb von der Druckdifferenz vor und nach dem Kompressor gespeist wird.

11. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass in dem Modul (26) der innere Wärmeübertrager (28) integriert ist.

12. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass in dem Modul (26) das Expansi onsorgan (20) integriert ist.

13. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass in dem Modul (26) der Kompres sor (18) integriert ist.

14. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass in dem Modul (26) ein Sammler (46) integriert ist.

15. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass in dem Modul (26) ein Ölab scheider integriert ist.

16. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass in dem Modul (26) ein Heißgas- Bypass-Ventil (50) integriert ist.

17. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass in dem Modul (26) Drucksenso ren integriert sind.

18. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass in dem Modul (26) die Steue rung der Ventile integriert ist.

19. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der in dem Modul (26) integrierbaren Komponenten in einem gemeinsa men Druckgehäuse angeordnet sind.

20. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der in dem Modul (26) integrierbaren Komponenten in einem als Samm ler ausgebildeten Druckgehäuse angeordnet sind.

21. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass als Medium des Kühl beziehungsweise Heizkreislaufs CO₂ vorgesehen ist.

22. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass der innere Wärmeübertrager (28) in µ-Struktur-Technik aufgebaut ist.

23. Verfahren zum Umschalten zwischen einem Kühlbetrieb und einem Heizbetrieb mittels einer Anordnung mit einem ersten Wärmeübertrager (10) zur Abgabe beziehungsweise Entnahme von Wärme in ein beziehungsweise aus einem Wär mereservoir (12), einem zweiten Wärmeübertrager (14) zur Entnahme beziehungsweise Abgabe von Wärme aus einem be ziehungsweise in einen zu kühlenden beziehungsweise zu heizenden Raum (16), einem Kompressor (18), einem Expan sionsorgan (20) und Mitteln (22, 24) zum Umschalten zwi schen einem Kühlbetrieb und einem Heizbetrieb, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (22, 24) zum Umschalten in einem Modul (26) integriert sind.

24. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass in einem inneren Wärmeübertrager (28), welcher zwi schen dem ersten Wärmeübertrager (10) und dem zweiten Wärmeübertrager (14) angeordnet ist, Wärme ausgetauscht wird.

25. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekenn zeichnet,
dass die Mittel zum Umschalten ein erstes Ventil (22) und ein zweites Ventil (24) mit jeweils vier Ports (30, 32, 34, 36; 38, 40, 42, 44) umfassen,
dass bei dem ersten Ventil (22) ein erster Port (30) mit dem ersten Wärmeübertrager (10) verbunden ist, ein zweiter Port (32) mit dem Expansionsorgan (20) verbunden ist, ein dritter Port (34) mit dem inneren Wärmeübertrager (28) verbunden ist und ein vierter Port (36) mit dem zweiten Wärmeübertrager (14) ver bunden ist,
dass bei dem zweiten Ventil (24) ein erster Port (38) mit dem ersten Wärmeübertrager (10) verbunden ist, ein zweiter Port (40) mit dem inneren Wärmeübertrager (28) verbunden ist, ein dritter Port (42) mit dem Kompressor (18) verbunden ist und ein vierter Port (44) mit dem zweiten Wärmeübertrager (14) verbunden ist,
dass in den Kühlbetrieb umgeschaltet wird, indem der erste Port (30) und der dritte Port (34) des ersten Ventils (22) und der zweite Port (32) und der vierte Port (36) des ersten Ventils (22) miteinander verbun den werden und indem der erste Port (38) und der dritte Port (42) des zweiten Ventils (24) und der zweite Port (40) und der vierte Port (44) des zweiten Ventils (24) miteinander verbunden werden.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass in den Heizbetrieb umgeschaltet wird, indem der erste Port (30) und der zweite Port (32) des ersten Ventils (22) und der dritte Port (34) und der vierte Port (36) des ersten Ventils (22) miteinander ver bunden werden und indem der erste Port (38) und der zwei te Port (40) des zweiten Ventils (24) und der dritte Port (42) und der vierte Port (44) des zweiten Ventils (24) miteinander verbunden werden.

27. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Umschalten (22, 24) wenigstens teilweise von einem gemeinsamen Antrieb betä tigt werden.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Umschalten wenigstens teilweise von einem hydraulischen Antrieb betätigt wer den.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass als Medium des Kühl- beziehungsweise Heizkreislaufs CO₂ verwendet wird.