WO2014166596A1 - Fahrzeugklimatisierungseinrichtung - Google Patents

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WO2014166596A1
WO2014166596A1 PCT/EP2014/000819 EP2014000819W WO2014166596A1 WO 2014166596 A1 WO2014166596 A1 WO 2014166596A1 EP 2014000819 W EP2014000819 W EP 2014000819W WO 2014166596 A1 WO2014166596 A1 WO 2014166596A1
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heating
cooling
heat exchanger
additional
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Michael BENS
Michael Hafner
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Daimler AG
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Definitions

  • the present invention relates to a vehicle air conditioning device for
  • a vehicle air conditioning device which comprises a cooling circuit, in which a coolant circulates, and a cooling circuit, in which a refrigerant circulates.
  • a cabin heat exchanger is also arranged, with the aid of which an air flow, which is to be supplied to a vehicle interior, can be tempered.
  • the refrigeration circuit contains in the usual way
  • Refrigerant compressor a condenser, an expansion valve and an evaporator.
  • the condenser is also integrated in the cooling circuit.
  • the evaporator is also incorporated in another cooling circuit of the vehicle air conditioning device, which is used to cool a drive battery of the vehicle, as
  • the cooling circuit is also equipped with an additional evaporator, with the aid of which the aforementioned air flow can be additionally cooled.
  • the present invention deals with the problem for a
  • Vehicle air conditioning device to provide an improved embodiment, which is characterized in particular by a relatively high energy efficiency. Furthermore, the vehicle air conditioning device should preferably be suitable for a bus.
  • Heating heat exchanger for heating the vehicle interior to be supplied
  • cooling circuit Containing air flow, and a cooling circuit containing a cooling heat exchanger for cooling this air flow to thermally couple with each other via a refrigerant circuit, wherein also an additional heat exchanger is provided which can be assigned by means of a suitable interconnection either the heating circuit or the cooling circuit. Since the additional heat exchanger can be assigned fluidically by appropriate switching operations either the cooling circuit or the heating circuit or neither the cooling circuit nor the heating circuit, cooling circuit and heating circuit can operate with the same heat transfer medium, so that the heating means corresponds to the coolant. In particular, this is water, to which an antifreeze may be mixed. The use of the same heat transfer means simplifies the interconnection and in particular allows a fluid exchange between the heating circuit and the cooling circuit. Furthermore, the proposed construction with respect to the cooling circuit leads to a simplified structure, as this in many different
  • Operating conditions of the air conditioning device can be operated constantly or uniformly.
  • a heat exchanger module which contains the additional heat exchanger, the interconnection and the at least one heating heat exchanger and the at least one cooling heat exchanger.
  • Heat exchanger module the air conditioning device can be made easier.
  • relatively simple interfaces can be realized on such a module in order to connect the individual subcircuits running in the module fluidly.
  • a cooling module may be provided which contains the cooling circuit.
  • the refrigeration circuit can be realized extremely compact. In particular, therefore, only comparatively little refrigerant is required.
  • hermetically sealed mounting of the refrigeration circuit in the refrigeration module, which forms a separate module, is simplified. In particular, therefore, all are
  • the respective module can be configured as a roof extension module, so that it
  • the heat exchanger module can in particular also have a fan for generating an air flow through the additional heat exchanger. Likewise, that can
  • Heat exchanger module having a blower for generating the air flow to be tempered, which flows through a cooling heat exchanger and a heating heat exchanger.
  • the cooling circuit may be fluidically connected to a low-temperature cooling circuit, wherein a
  • Low-temperature switching device for controlling a fluid exchange between the cooling circuit and the low-temperature cooling circuit. In normal operating conditions, the temperature in the cooling circuit is different from the temperature in the cooling circuit
  • the temperature level in the cooling circuit is lower than in the low-temperature cooling circuit, so that the cooling circuit as
  • the low-temperature cooling circuit can serve, for example, for cooling power electronics and / or other electrical or electronic components of the vehicle. This applies in particular if the vehicle is an electric vehicle or a hybrid vehicle
  • Low-temperature cooling circuit to use, for example, to cool the cooling circuit faster or at excess cooling capacity of the cooling circuit cold in the
  • At least one additional cooling circuit can be provided, which is thermally coupled via an additional evaporator with the refrigerant circuit, wherein the respective additional evaporator is then incorporated appropriately both in the additional cooling circuit and in the cooling circuit.
  • the heat accumulating in the additional cooling circuit can be used favorably in the cooling circuit in order to heat the heating circuit.
  • an additional cooling circuit for example, a drive battery or
  • Cooling capacity can now be provided via the respective additional cooling circuit with the aid of the cooling circuit. It is clear that two or more such additional cooling circuits can be provided, which can be thermally coupled via a common or via a separate additional evaporator with the refrigerant circuit.
  • Evaporator in the refrigerant circuit are arranged in parallel flow through the refrigerant.
  • the two evaporators are connected in parallel in the refrigerant circuit.
  • the same low inlet temperature for the refrigerant is available to both refrigerant circuits. If at least such a switchable additional evaporator is present in the refrigerant circuit, it may be appropriate to the refrigerant compressor or
  • Equip refrigerant compressor with multiple power levels or variable power, for example, to increase the delivery capacity when connecting such an additional evaporator.
  • the heating circuit may be fluidically connected to a high temperature heating circuit, wherein a
  • High-temperature switching device for controlling a fluid exchange between the heating circuit and the high-temperature heating circuit. Since a fluid exchange is thus also possible between the heating circuit and the high-temperature heating circuit, the same heat transfer medium can also be used here. Usually, in normal operation of the air-conditioning device in the high-temperature heating circuit, a higher temperature level arises than in the heating circuit. With the help of
  • High temperature switching device can be targeted part of the
  • a partial flow can be performed on heat transfer medium from the high-temperature heating circuit through the heating circuit. Since there is at least one heating heat exchanger in the heating circuit, the partial flow of the high-temperature heating circuit routed through the heating circuit can be efficiently cooled or used for heating the air flow. Depending on the operating state of the air conditioning device, as explained above, the additional heat exchanger can also be integrated into the heating circuit, so that cooling of the partial flow of the partial flow is also possible via the additional heat exchanger High temperature heating circuit is possible. The cooled partial flow of the
  • Low temperature heating circuit can be referred to, via the condenser to
  • Cooling of the refrigerant can be used.
  • an electric or fossil auxiliary heater can be integrated. Furthermore, this high-temperature heating circuit may be thermally coupled to the aforementioned front box, for example by one
  • Additional capacitor may be provided, via which the high-temperature heating circuit is thermally coupled to the refrigerant circuit, wherein the respective additional capacitor is then integrated into the high-temperature heating circuit and in the refrigerant circuit.
  • the increased compared to the heating circuit or low-temperature heating circuit temperature of the high-temperature heating circuit for cooling the refrigerant can be used.
  • High temperature heating circuit incorporated additional capacitor upstream of the in the
  • Heating circuit integrated capacitor is arranged in the refrigerant circuit.
  • the additional capacitor lying at the higher temperature level of the high-temperature cooling circuit is first flowed through by the refrigerant, precooling and optionally at least partial condensation of the refrigerant.
  • the subsequent condenser which is at the lower temperature level of the heating circuit, then the residual cooling and preferably complete condensation of the refrigerant to a comparatively low temperature.
  • a two-stage cooling of the refrigerant is achieved in the refrigerant circuit, which is characterized by a particularly high efficiency.
  • a cold storage can be integrated into the cooling circuit.
  • a cold storage for example, as
  • Latent cold storage be designed. With the help of such a cold storage, a comparatively high heat or cold storage capacity can be created in the cooling circuit, whereby a homogenization of the operation is possible with changing operating conditions.
  • a heater may be incorporated into the heating circuit.
  • a heater can be operated for example by means of fossil fuels.
  • an electric heater is conceivable.
  • the above-mentioned interconnection with the aid of which the additional heat exchanger can be connected to the heating circuit or the cooling circuit, or with the help of the additional heat exchanger can be decoupled both from the heating circuit and the cooling circuit, can also be realized according to an advantageous embodiment so that so Also, the at least one heating heat exchanger decouple from the heating circuit or let it integrate. Likewise, the interconnection can be used to integrate the at least one cooling heat exchanger into the cooling circuit or to decouple it from it.
  • Air conditioning device to be equipped with a control device which is designed and / or programmed so that at least two different operating conditions can be set for the air conditioning.
  • this is a first heating state and a cooling state.
  • the control device can control the interconnection so that it incorporates the additional heat exchanger into the cooling circuit, which at least one
  • Cooling heat exchanger fluidically decoupled from the cooling circuit. This makes it possible to extract heat from an air flow which is passed through the additional heat exchanger, whereby the coolant can subsequently deliver more heat to the refrigerant in the evaporator.
  • the air flow which can be promoted by the additional heat exchanger, this is, for example, ambient air from an environment surrounding the vehicle, which is supported by means of a corresponding blower.
  • this air flow may also be an exhaust air flow which is sucked out of the vehicle interior and discharged into the environment with the aid of a corresponding blower, wherein the heat entrained therein can largely be transferred to the refrigerant via the additional heat exchanger and in the refrigerant circuit is usable for vaporizing the refrigerant.
  • the control device can control the interconnection so that it incorporates the additional heat exchanger in the heating circuit, the at least one Cooling heat exchanger einbindet in the cooling circuit and the at least one heating heat exchanger fluidically decoupled from the heating circuit.
  • the additional heat exchanger in the cooling circuit, the at least one Cooling heat exchanger einbindet in the cooling circuit and the at least one heating heat exchanger fluidically decoupled from the heating circuit.
  • comparatively much heat can be withdrawn from the heating medium via the additional heat exchanger and fed, for example, to an air flow conveyed through the additional heat exchanger. This airflow can be back to a
  • Temperature of the heating medium improves the condensation and thus the cooling of the refrigerant in the condenser of the refrigeration circuit.
  • the thus more cooled refrigerant can extract more heat in the evaporator, whereby it can extract more heat over the respective cooling heat exchanger for the air-flow intended for the vehicle interior, whereby this air flow is intensively cooled.
  • a first reheat state can be realized purely by way of example in which the interconnection incorporates the at least one heating heat exchanger into the heating circuit, integrates the at least one cooling heat exchanger into the cooling circuit and fluidically decouples the additional heat exchanger both from the heating circuit and from the cooling circuit.
  • the airflow intended for the vehicle interior can be dehumidified as needed.
  • the air flow in the respective cold heat exchanger is cooled below the condensation temperature of water, whereby the moisture can be removed from the air stream.
  • the air flow can now be brought back to the desired temperature to temper the vehicle interior with a dehumidified air flow.
  • a second reheat state can be realized in which, in addition to the first reheat state, a fluid exchange between the cooling circuit and the low-temperature cooling circuit takes place via a corresponding activation of the low-temperature switching device.
  • the "cold" stored in the low-temperature cooling circuit that is to say the heat absorption capacity contained in the low-temperature cooling circuit, can be used to cool the cooling circuit sufficiently to effect the desired dehumidification of the air flow.
  • the controller may be further configured to provide a second
  • Heating state allows, in which the interconnection of the at least one
  • Integral heating heat exchanger in the heating circuit the additional heat exchanger fluidically decoupled both from the heating circuit and the cooling circuit and the at least one Cooling heat exchanger fluidically decoupled from the cooling circuit, while in addition by a corresponding control of the low-temperature switching device, a fluid exchange between the cooling circuit and low-temperature cooling circuit can take place.
  • this second heating state for example, in the event that the ambient temperature is lower than the temperature in the low-temperature cooling circuit, its heat can be used to heat up the coolant in the cooling circuit upstream of the evaporator.
  • control device can be designed so that it enables a third heating state, which differs from the first heating state in that additionally takes place by a corresponding control of the low-temperature switching device, a fluid exchange between the cooling circuit and low-temperature cooling circuit.
  • both heat sources namely with the help of the additional heat exchanger, the heat of the ambient air and on the other hand, the heat in the coolant of the
  • FIGS. 1-6 each show a greatly simplified schematic diagram of a schematic diagram
  • Vehicle air conditioning device at different
  • a vehicle air-conditioning device 1 comprises a cooling circuit 2, a heating circuit 3 and a cooling circuit 4
  • Vehicle air conditioning device 1 is used in a vehicle, preferably in a bus, and serves to temper at least one
  • Air flow 5 which is supplied during operation of the air conditioning device 1 to an unspecified interior of the vehicle.
  • an application of the air-conditioning device 1 in a bus in this interior is a passenger compartment of the bus.
  • the cooling circuit 2 contains at least one
  • Cooling heat exchanger 6 In the example, two such cooling heat exchanger 6 are provided. The respective air stream 5 is passed through this cooling heat exchanger 6, so that with the aid of the cooling heat exchanger 6, the respective air stream 5 can be cooled.
  • the heating circuit 3 circulates a heating medium. In the heating circuit 3 is at least one
  • Integrated heating heat exchanger 7 In the example, two such heating heat exchanger 7 are integrated into the heating circuit 3. Both heating heat exchanger 7 serve to heat the air streams 5, which are also passed through the heating heat exchanger 7 for this purpose.
  • the refrigerant circuit 4 circulates a refrigerant.
  • a refrigerant compressor 8, a condenser 9, an expansion valve 10, an evaporator 11 and a refrigerant collector 12 are sequentially arranged in the flow direction of the refrigerant.
  • the refrigeration circuit 4 operates as a heat pump and can also be referred to as a heat pump cycle.
  • the condenser 9 is also fluidly separated media-integrated into the heating circuit 3.
  • the evaporator 11 is also media separated fluidly into the cooling circuit
  • the air conditioning device 1 presented here also comprises a
  • the interconnection 14 comprises the lines and control elements required for this, such as a plurality of 3/2-way valves 15.
  • the interconnection 14 is also designed so that it can decouple the additional heat exchanger 13 from both the heating circuit 3 and the cooling circuit 2.
  • circuit 14 can also be controlled so that the cooling heat exchanger 6 are decoupled from the cooling circuit 2 and that the heating heat exchanger 7 are decoupled from the heating circuit 3.
  • the additional heat exchanger 13 can be flowed through by an air flow 16, which may be, for example, an ambient air flow or an exhaust air flow.
  • the exhaust air flow can be sucked, for example, from the vehicle interior in the environment of the vehicle.
  • the heat contained therein or the heat absorption capacity contained therein can be used for heating or for cooling the respective fluid flowing through the additional heat exchanger 13.
  • the respective air flow 16 can be generated by means of a blower, which is not shown here and which is associated with the additional heat exchanger 13.
  • the air streams 5, which passes through the paired arrangement of the heating heat exchanger 7 and cooling heat exchanger 6, can be realized with the aid of appropriate additional blowers, which are also not shown here.
  • the air conditioning device 1 shown here comprises a heat exchanger module 17, which comprises the additional heat exchanger 13, the interconnection 14, the heating heat exchanger 7 and the cooling heat exchanger 6. Furthermore, the heat exchanger module 17 can also be arranged the aforementioned blower for generating the air streams 15, 16. In the example, a cooling module 18 is also provided, which contains the complete refrigerant circuit 4 including the components through which the refrigerant flows. about
  • the modules 17, 18 can be fluidly coupled together to fluidly connect the sections of the heating circuit 3 and the cooling circuit 2 contained therein.
  • the refrigerant circuit 2 includes a conveyor 20 for driving the refrigerant in the refrigerant circuit 2.
  • the refrigerant circuit 2 also includes a
  • Cold storage 21 which can be flowed through by means of a corresponding valve 22 from the refrigerant or via a cold storage bypass 49 flow around.
  • the cold storage 21 is arranged in a separate storage module 23, which is coupled in a suitable manner with the cold module 18 and with the heat exchanger module 17 fluidly.
  • At least one of the modules is as
  • Roof-mounted system designed to be mounted on a roof of the respective vehicle.
  • the cooling module 18 may be designed as a roof construction system.
  • the cooling circuit 2 is fluidly coupled via a corresponding flow 24 and a corresponding return 25 with a low-temperature cooling circuit 26. With the aid of a low-temperature switching device 27, a fluid exchange between the cooling circuit 2 and the low-temperature cooling circuit 26 can be controlled. in the
  • Low-temperature cooling circuit 26 is, for example, an electronic cooling, for Cooling electrical or electronic components of the vehicle.
  • Such electronic cooling can be particularly advantageous if the vehicle is an electric vehicle or a hybrid vehicle with electric drive.
  • At least one additional cooling circuit 28 may also be provided, which is thermally coupled to the cooling circuit 4 via an additional evaporator 29.
  • the auxiliary evaporator 29 is fluidly integrated both in the additional cooling circuit 28 and in the refrigerant circuit 4, but media-separated.
  • the additional evaporator 29 is an auxiliary expansion valve 30 upstream in the refrigerant circuit 4 and a switching valve 31 for switching on the additional evaporator 29.
  • the additional cooling circuit 28 may be thermally coupled, for example, with a front box 32 of the vehicle. Alternatively, the
  • Additional cooling circuit 28 may be thermally coupled to a battery of the vehicle, not shown here, to cool this battery.
  • battery cooling may be required in an electric vehicle or in a hybrid vehicle. It is also possible to provide two or more such additional cooling circuits 28.
  • Additional evaporator 29 and the evaporator 11 are arranged in the refrigerant circuit 4 so that they can be flowed through in parallel by the refrigerant.
  • the heating circuit 3 includes a conveyor 33 for driving the heating means in the heating circuit 3. Further, a heater 34 is arranged in the heating circuit 3, with the aid of which the heating means can be heated.
  • the heater 34 may be electrically or with a
  • the heating circuit 3 is also with a
  • High temperature heating circuit 35 fluidly connected.
  • For controlling a fluid exchange between the heating circuit 3 and the high-temperature heating circuit 35 is a
  • High-temperature switching device 36 which includes two 3/2-way valves 37 in the example.
  • the high-temperature heating circuit 35 can by a "cooling circuit" a
  • the high temperature heating circuit 35 may include a branch 38 that allows thermal coupling to the front module 32.
  • the high-temperature cooling circuit 35 is thermally coupled to the refrigerant circuit 4.
  • the additional capacitor 39 is fluidly separated both in the high-temperature heating circuit 35 and in the refrigeration circuit 4 integrated.
  • the additional capacitor 39 with respect to the flow direction of the refrigerant in the refrigeration circuit 4th arranged upstream of the condenser 9. Accordingly, the refrigerant first flows through the additional capacitor 39 and then the condenser. 9
  • the vehicle air conditioning device 1 presented here is also equipped with a
  • Control device 40 which is connected via suitable control lines with controllable components of the individual components mentioned above.
  • the control device 40 is coupled to the interconnection 14 or to its valves 15.
  • the control device 40 is coupled to the low-temperature switching device 27 and to the high-temperature switching device 36 or to their valves 37.
  • the controller 40 is designed to have several different ones
  • FIG. 1 shows a cooling state
  • FIG. 2 shows a first heating state
  • FIG. 3 shows a second heating state
  • FIG. 4 shows a third heating state
  • FIG. 5 shows a first reheat state
  • FIG. 6 shows a second reheat state.
  • the interconnection 14 is operated for the cooling state so that the additional heat exchanger 13 is integrated into the heating circuit 3, that the
  • Cooling heat exchanger 6 are integrated into the cooling circuit 2 and that the
  • Heating heat exchanger 7 are fluidically decoupled from the heating circuit 3. In this cooling state circulates in the refrigerant circuit 4, the refrigerant according to arrows 41. In the heating circuit 3, the heating medium circulates according to arrows 42. The heating means 42 flows through the
  • the additional line 43 indicated by a broken line can be provided, by means of which it is also possible to guide the heating means 42 through the additional capacitor 39, so that both capacitors 9 and 39 are used by the heating circuit 3 in order to extract heat from the refrigerant , This heat is released from the heating circuit 3 via the additional heat exchanger 13 to the air flow 16.
  • the refrigerant circulates according to arrows 44 and thus passes from the cooling heat exchangers 7 to the evaporator 11, in which it is cooled. Subsequently, the coolant can flow through the cold storage 21 or bypass and passes back to the cooling heat exchangers 6, in which it can withdraw 5 heat to the air streams to cool the air streams 5 so.
  • the additional cooling circuit 28 may be active, so that there is also a coolant circulation, whereby the evaporation of the refrigerant can be improved. In this cooling state, the heating circuit 3 is useful from
  • High temperature heating circuit 35 decoupled.
  • control device 4 ensures that the interconnection incorporates the additional heat exchanger 13 into the cooling circuit 2, which
  • the heating circuit 3 is now a changed flow, since now the heating heat exchanger 7 are flowed through by the heating medium. Further, in this case, the heating circuit 3 with the
  • High temperature heating circuit 35 fluidly coupled, so that a partial flow of the
  • High-temperature heating circuit 35 is guided according to an arrow 45 through the heating circuit 3, while another partial flow is guided according to an arrow 46 through the additional capacitor 39.
  • the heating heat exchangers 7 can deliver heat to the air flow 5, whereby the heating means is cooled.
  • cooled heating medium reaches the condenser 9.
  • the heating medium reaches the other partial flow 46, whereby it is somewhat cooled by admixture in order to improve the condensation in the additional condenser 39.
  • the coolant flows to the evaporator 11 - depending on the cooling demand - through the cold storage 21 or bypassing the same and then passes to the additional heat exchanger 13 to receive heat from the air stream 16.
  • the thus heated coolant 44 then passes back to the evaporator 11, in which it is cooled again.
  • control device 40 actuates the connection 14 such that the heating heat exchangers 7 are integrated into the heating circuit 3, that the additional heat exchanger 13 is fluidically decoupled both from the heating circuit 3 and from the cooling circuit 2 and that the cooling heat exchanger 6 from the cooling circuit. 2 are decoupled.
  • the low-temperature switching device 27 is actuated to allow a fluid exchange between the refrigeration cycle 2 and the low-temperature refrigeration cycle 26.
  • the same flow occurs again in the cooling circuit 4 as before.
  • the heating circuit 3 is the same flow as in the first heating state.
  • the flow through the cooling circuit 2 is characterized in this second heating state, however, characterized in that at least a partial flow of coolant from the low temperature circuit 26 passes through the flow 24 according to an arrow 47 in the cooling circuit 2 to supply the evaporator 11 sufficient heat.
  • Low temperature cooling circuit 26 returned. The rest of the coolant flows only through the cold storage 21 or through the cold storage bypass 49 and flows back to the evaporator 11, without passing through the additional heat exchanger 13 or through the
  • Cooling heat exchanger 6 to flow. In this way, the heat contained in the low-temperature circuit 26 can be used to evaporate the refrigerant.
  • the third heating state reproduced in FIG. 4 virtually combines the first one
  • Additional heat exchanger 13 is again integrated into the cooling circuit 2 and can be used in addition to the preheating of the coolant by the air flow 16 is deprived of heat accordingly.
  • the flow through the cooling circuit 4 and the heating circuit 3 is again the same as in the aforementioned two other heating conditions.
  • a first reheat state can also be realized with the aid of the control device 40, in which the interconnection 14 is activated in such a way that it controls the
  • Flow conditions are again represented by the arrows 41 in the refrigerant circuit 4, by the arrows 42 in the heating circuit 3 and by the arrows 44 in the cooling circuit 2.
  • the air streams 5 which are to be supplied to the vehicle interior, first cooled in the cooling heat exchangers 6, preferably so far that moisture contained therein can be condensed and removed. Subsequently, the air streams 5 are heated in the heating heat exchangers 7 to the desired temperature.
  • Both in the first reheat state and in the second reheat state can via a corresponding actuation of the high-temperature switching device 36 is a fluidic Coupling between the heating circuit 3 and the high-temperature heating circuit 35 are brought about to effect the advantageous two-stage condensation of the refrigerant.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fahrzeugklimatisierungseinrichtung (1) zum Temperieren eines einem Fahrzeuginnenraum zuzuführenden Luftstroms (5), mit einem Kühlkreis (2), in den ein Kühlwärmetauscher (6) zum Kühlen des Luftstroms (5) eingebunden ist; mit einem Heizkreis (3), in den ein Heizwärmetauscher (7) zum Beheizen des Luftstroms (5) eingebunden ist; mit einem Zusatzwärmetauscher (13), der mittels einer Verschaltung (14) wahlweise in den Heizkreis (3) oder in den Kühlkreis (2) einbindbar ist; mit einem Kältekreis (4), in den ein Kältemittelkompressor (8), ein Kondensator (9) und ein Verdampfer (11) eingebunden sind; wobei der Verdampfer (11) außerdem in den Kühlkreis (2) eingebunden ist, wobei der Kondensator (9) außerdem in den Heizkreis (3) eingebunden ist.

Description

Fahrzeugklimatisierungseinrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fahrzeugklimatisierungseinrichtung zum
Temperieren eines einem Fahrzeuginnenraum zuzuführenden Luftstroms.
Aus der DE 10 2011 016 070 A1 ist eine Fahrzeugklimatisierungseinrichtung bekannt, die einen Kühlkreis, in dem ein Kühlmittel zirkuliert, sowie einen Kältekreis umfasst, in dem ein Kältemittel zirkuliert. Im Kühlkreis ist außerdem ein Kabinenwärmetauscher angeordnet, mit dessen Hilfe ein Luftstrom, der einem Fahrzeuginnenraum zuzuführen ist, temperiert werden kann. Der Kältekreis enthält in üblicher Weise einen
Kältemittelkompressor, einen Kondensator, ein Expansionsventil und einen Verdampfer. Der Kondensator ist außerdem in den Kühlkreis eingebunden. Der Verdampfer ist außerdem in einen weiteren Kühlkreis der Fahrzeugklimatisierungseinrichtung eingebunden, der zum Kühlen einer Antriebsbatterie des Fahrzeugs, das als
Elektrofahrzeug oder als Hybridfahrzeug konfiguriert ist, eingebunden ist. Der Kältekreis ist außerdem mit einem Zusatzverdampfer ausgestattet, mit dessen Hilfe der zuvor genannte Luftstrom zusätzlich gekühlt werden kann.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine
Fahrzeugklimatisierungseinrichtung eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen relativ hohen energetischen Wirkungsgrad auszeichnet. Des Weiteren soll sich die Fahrzeugklimatisierungseinrichtung vorzugsweise für einen Omnibus eignen.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Heizkreis, der einen
Heizwärmetauscher zum Beheizen des dem Fahrzeuginnenraum zuzuführenden
Luftstroms enthält, und einen Kühlkreis, der einen Kühlwärmetauscher zum Kühlen dieses Luftstroms enthält, über einen Kältekreis thermisch miteinander zu koppeln, wobei außerdem ein Zusatzwärmetauscher vorgesehen ist, der wahlweise mittels einer entsprechenden Verschaltung dem Heizkreis oder dem Kühlkreis zugeordnet werden kann. Da der Zusatzwärmetauscher durch entsprechende Schaltvorgänge wahlweise dem Kühlkreis oder dem Heizkreis oder weder dem Kühlkreis noch dem Heizkreis fluidisch zugeordnet werden kann, lassen sich Kühlkreis und Heizkreis mit dem gleichen Wärmeübertragungsmittel betreiben, so dass das Heizmittel dem Kühlmittel entspricht. Insbesondere handelt es sich hierbei um Wasser, dem ein Frostschutzmittel zugemischt sein kann. Die Verwendung des gleichen Wärmeübertragungsmittels vereinfacht die Verschaltung und ermöglicht insbesondere einen Fluidaustausch zwischen dem Heizkreis und dem Kühlkreis. Ferner führt die vorgeschlagene Bauweise im Hinblick auf den Kältekreis zu einem vereinfachten Aufbau, da dieser in vielen unterschiedlichen
Betriebszuständen der Klimatisierungseinrichtung konstant bzw. gleichmäßig betrieben werden kann.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der ein Wärmetauschermodul vorgesehen ist, das den Zusatzwärmetauscher, die Verschaltung und den wenigstens einen Heizwärmetauscher sowie den wenigstens einen Kühlwärmetauscher enthält.
Durch die Zusammenfassung dieser Komponenten in einer Baugruppe, dem
Wärmetauschermodul, lässt sich die Klimatisierungseinrichtung einfacher herstellen. Insbesondere sind an einem derartigen Modul vergleichsweise einfache Schnittstellen realisierbar, um die einzelnen, im Modul verlaufenden Teilkreise fluidisch anschließen zu können.
Zusätzlich oder alternativ kann ein Kältemodul vorgesehen sein, das den Kältekreis enthält. Hierdurch kann der Kältekreis extrem kompakt realisiert werden. Insbesondere ist somit nur vergleichsweise wenig Kältemittel erforderlich. Des Weiteren vereinfacht sich eine hermetisch abgedichtete Montage des Kältekreises im Kältemodul, das eine separate Baugruppe bildet. Insbesondere befinden sich somit sämtliche
Kältemittelführenden Komponenten innerhalb des Kältemoduls.
Das jeweilige Modul kann als Dachaufbaumodul konfiguriert sein, so dass es
beispielsweise auf ein Dach eines Fahrzeugs, insbesondere eines Omnibusses, aufgesetzt werden kann. Das Wärmetauschermodul kann insbesondere auch ein Gebläse zum Erzeugen eines Luftstroms durch den Zusatzwärmetauscher aufweisen. Ebenso kann das
Wärmetauschermodul ein Gebläse zum Erzeugen des zu temperierenden Luftstroms aufweisen, der durch einen Kühlwärmetauscher und einen Heizwärmetauscher hindurchströmt.
Entsprechend einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann der Kühlkreis mit einem Niedertemperaturkühlkreis fluidisch verbunden sein, wobei eine
Niedertemperaturschalteinrichtung zum Steuern eines Fluidaustausches zwischen dem Kühlkreis und dem Niedertemperaturkühlkreis vorgesehen ist. Bei ordnungsgemäßen Betriebszuständen herrscht im Kühlkreis ein anderes Temperaturniveau als im
Niedertemperaturkühlkreis. Üblicherweise ist dabei das Temperaturniveau im Kühlkreis niedriger als im Niedertemperaturkühlkreis, so dass der Kühlkreis auch als
Tieftemperaturkühlkreis bezeichnet werden kann. Der Niedertemperaturkühlkreis kann beispielsweise zum Kühlen einer Leistungselektronik und/oder anderer elektrischer bzw. elektronischer Komponenten des Fahrzeugs dienen. Dies gilt insbesondere dann, wenn es sich beim Fahrzeug um ein Elektrofahrzeug oder um ein Hybridfahrzeug mit
Elektroantrieb handelt. Da gemäß dem vorstehenden Vorschlag der Kühlkreis und der Niederkühlkreis fluidisch miteinander gekoppelt sind, um einen Fluidaustausch bedarfsabhängig durchführen zu können, lässt sich auch hier im Kühlkreis und
Niedertemperaturkühlkreis das gleiche Wärmeübertragungsmittel verwenden. Durch die Möglichkeit eines Fluidaustausches zwischen dem Kühlkreis und dem
Niedertemperaturkühlkreis ist es insbesondere möglich, Wärmekapazitäten im
Niedertemperaturkühlkreis zu nutzen, beispielsweise um den Kühlkreis rascher abkühlen zu können oder um bei überschüssiger Kälteleistung des Kühlkreises Kälte im
Niedertemperaturkühlkreis zu speichern.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann zumindest ein Zusatzkühlkreis vorgesehen sein, der über einen Zusatzverdampfer thermisch mit dem Kältekreis gekoppelt ist, wobei der jeweilige Zusatzverdampfer dann zweckmäßig sowohl in den Zusatzkühlkreis als auch in den Kältekreis eingebunden ist. Hierdurch ist es
beispielsweise möglich, zusätzliche Aggregate und/oder Komponenten, die in den Zusatzkühlkreis eingebunden sind, zu kühlen. Ferner lässt sich die im Zusatzkühlkreis anfallende Wärme günstig im Kältekreis nutzen, um den Heizkreis zu beheizen. In einen derartigen Zusatzkühlkreis kann beispielsweise eine Antriebsbatterie oder
Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs bzw. eines Hybridfahrzeugs eingebunden sein. Zusätzlich oder alternativ kann in einen solchen Zuatzkühlkreis eine sogenannte „Frontbox" eingebunden sein. Bei einer derartigen Frontbox handelt es sich um eine Fahrerbereichklimatisierungsanlage eines Omnibusses, mit deren Hilfe der Busfahrer seinen Fahrerbereich temperieren kann. Die hierbei gegebenenfalls erforderliche
Kälteleistung kann nun über den jeweiligen Zusatzkühlkreis mit Hilfe des Kältekreises bereitgestellt werden. Es ist klar, dass auch zwei oder mehr derartige Zusatzkühlkreise vorgesehen sein können, die über einen gemeinsamen oder über jeweils einen separaten Zusatzverdampfer mit dem Kältekreis thermisch gekoppelt sein können.
Zweckmäßig ist eine Weiterbildung, bei welcher der Zusatzverdampfer und der
Verdampfer im Kältekreis vom Kältemittel parallel durchströmbar angeordnet sind. Mit anderen Worten, die beiden Verdampfer sind im Kältekreis parallel geschaltet. Hierdurch steht beiden Kältekreisen dieselbe niedrige Eintrittstemperatur für das Kältemittel zur Verfügung. Sofern zumindest ein solcher zuschaltbarer Zusatzverdampfer im Kältekreis vorhanden ist, kann es zweckmäßig sein, den Kältemittelverdichter oder
Kältemittelkompressor mit mehreren Leistungsstufen bzw. mit variabler Leistung auszustatten, um beispielsweise beim Zuschalten eines solchen Zusatzverdampfers die Förderleistung zu erhöhen.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann der Heizkreis mit einem Hochtemperaturheizkreis fluidisch verbunden sein, wobei eine
Hochtemperaturschalteinrichtung zum Steuern eines Fluidaustausches zwischen dem Heizkreis und dem Hochtemperaturheizkreis vorgesehen ist. Da somit auch zwischen dem Heizkreis und dem Hochtemperaturheizkreis ein Fluidaustausch möglich ist, lässt sich auch hier das gleiche Wärmeübertragungsmittel verwenden. Üblicherweise stellt sich im ordnungsgemäßen Betrieb der Klimatisierungseinrichtung im Hochtemperaturheizkreis ein höheres Temperaturniveau ein als im Heizkreis. Mit Hilfe der
Hochtemperaturschalteinrichtung lässt sich gezielt ein Teil des
Wärmeübertragungsmittels aus dem Hochtemperaturheizkreis in den Heizkreis überführen. Mit anderen Worten, je nach Schaltstellung der
Hochtemperaturschalteinrichtung kann ein Teilstrom an Wärmeübertragungsmittel aus dem Hochtemperaturheizkreis durch den Heizkreis geführt werden. Da sich im Heizkreis der wenigstens eine Heizwärmetauscher befindet, lässt sich der durch den Heizkreis geführte Teilstrom des Hochtemperaturheizkreises effizient kühlen bzw. zum Beheizen des Luftstroms nutzen. Je nach Betriebszustand der Klimatisierungseinrichtung kann wie weiter oben erläutert auch der Zusatzwärmetauscher in den Heizkreis eingebunden werden, so dass auch über den Zusatzwärmetauscher eine Kühlung des Teilstroms des Hochtemperaturheizkreises möglich ist. Der gekühlte Teilstrom des
Hochtemperaturheizkreises kann nun im Heizkreis, der insoweit auch als
Niedertemperaturheizkreis bezeichnet werden kann, über den Kondensator zum
Abkühlen des Kältemittels genutzt werden.
In diesen solchen Hochtemperaturheizkreis kann beispielsweise in üblicher Weise eine Brennkraftmaschine zum Antreiben des Fahrzeugs oder zur Stromerzeugung
eingebunden sein. Ebenso können in diesen Hochtemperaturheizkreis konventionelle Umluftheizgeräte, also Umluftwärmetauscher, eingebunden sein, um eine
Umluftströmung zu beheizen. In dem Hochtemperaturheizkreis kann auch ein elektrischer oder fossiler Zuheizer eingebunden sein. Ferner kann dieser Hochtemperaturheizkreis mit der zuvor genannten Frontbox thermisch gekoppelt sein, beispielsweise um einen
Luftstrom zum Temperieren des Fahrerbereichs zu beheizen.
Entsprechend einer besonders vorteilhaften Weiterbildung kann zumindest ein
Zusatzkondensator vorgesehen sein, über den der Hochtemperaturheizkreis thermisch mit dem Kältekreis gekoppelt ist, wobei der jeweilige Zusatzkondensator dann in den Hochtemperaturheizkreis und in den Kältekreis eingebunden ist. Somit kann auch die im Vergleich zum Heizkreis bzw. Niedertemperatur-Heizkreis erhöhte Temperatur des Hochtemperaturheizkreises zum Kühlen des Kältemittels genutzt werden.
Besonders zweckmäßig ist dabei eine Weiterbildung, bei welcher der in den
Hochtemperaturheizkreis eingebundene Zusatzkondensator stromauf des in den
Heizkreis eingebundenen Kondensators im Kältekreis angeordnet ist. Durch diese Reihenschaltung der Kondensatoren im Kältekreis, wird zuerst der auf dem höheren Temperaturniveau des Hochtemperaturkühlkreises liegende Zusatzkondensator vom Kältemittel durchströmt, wobei eine Vorkühlung und gegebenenfalls zumindest eine teilweise Kondensation des Kältemittels erfolgt. Im nachfolgenden Kondensator, der auf dem niedrigeren Temperaturniveau des Heizkreises liegt, erfolgt dann die Restkühlung und vorzugsweise vollständige Kondensation des Kältemittels auf eine vergleichsweise niedrige Temperatur. Hierdurch wird eine zweistufige Abkühlung des Kältemittels im Kältekreis erreicht, die sich durch eine besonders hohe Effizienz auszeichnet.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann ein Kältespeicher in den Kühlkreis eingebunden sein. Ein derartiger Kältespeicher kann beispielsweise als
Latentkältespeicher konzipiert sein. Mit Hilfe eines derartigen Kältespeichers lässt sich im Kühlkreis eine vergleichsweise hohe Wärme- bzw. Kältespeicherkapazität schaffen, wodurch bei wechselnden Betriebszuständen eine Vergleichmäßigung des Betriebs ermöglicht wird.
Bei einer anderen Ausführungsform kann in den Heizkreis ein Zuheizer eingebunden sein. Ein derartiger Zuheizer kann beispielsweise mittels fossiler Brennstoffe betrieben werden. Ebenso ist ein elektrischer Zuheizer denkbar.
Die weiter oben genannte Verschaltung, mit deren Hilfe der Zusatzwärmetauscher dem Heizkreis oder dem Kühlkreis zugeschaltet werden kann, oder mit deren Hilfe der Zusatzwärmetauscher sowohl vom Heizkreis als auch vom Kühlkreis entkoppelt werden kann, lässt sich gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform auch so realisieren, dass sich damit auch der wenigstens eine Heizwärmetauscher vom Heizkreis entkoppeln bzw. darin einbinden lässt. Ebenso kann die Verschaltung dazu genutzt werden, den wenigstens einen Kühlwärmetauscher in den Kühlkreis einzubinden bzw. davon zu entkoppeln.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann die
Klimatisierungseinrichtung mit einer Steuereinrichtung ausgestattet sein, die so ausgestaltet und/oder programmiert ist, dass sich damit wenigstens zwei verschiedene Betriebszustände für die Klimatisierungseinrichtung einstellen lassen. Insbesondere handelt es sich hierbei um einen ersten Heizzustand und einen Kühlzustand. Im ersten Heizzustand kann die Steuereinrichtung die Verschaltung so ansteuern, dass diese den Zusatzwärmetauscher in den Kühlkreis einbindet, den wenigstens einen
Heizwärmetauscher in den Heizkreis einbindet und den wenigstens einen
Kühlwärmetauscher vom Kühlkreis fluidisch entkoppelt. Hierdurch ist es möglich, einem Luftstrom, der durch den Zusatzwärmetauscher geleitet wird, Wärme zu entziehen, wodurch das Kühlmittel nachfolgend im Verdampfer mehr Wärme an das Kältemittel abgeben kann. Bei dem Luftstrom, der hierbei durch den Zusatzwärmetauscher gefördert werden kann, handelt es sich beispielsweise um Umgebungsluft aus einer das Fahrzeug umgebenden Umgebung, die mit Hilfe eines entsprechenden Gebläses gefördert wird. Zusätzlich oder alternativ kann es sich bei diesem Luftstrom auch um einen Abluftstrom handeln, der mit Hilfe eines entsprechenden Gebläses aus dem Fahrzeuginnenraum angesaugt und in die Umgebung entlassen wird, wobei die darin mitgeführte Wärme über den Zusatzwärmetauscher weitgehend auf das Kältemittel übertragen werden kann und im Kältekreis zum Verdampfen des Kältemittels nutzbar ist.
Im Kühlzustand dagegen kann die Steuereinrichtung die Verschaltung so ansteuern, dass diese den Zusatzwärmetauscher in den Heizkreis einbindet, den wenigstens einen Kühlwärmetauscher in den Kühlkreis einbindet und den wenigstens einen Heizwärmetauscher vom Heizkreis fluidisch entkoppelt. In diesem Kühlzustand lässt sich über den Zusatzwärmetauscher vergleichsweise viel Wärme aus dem Heizmittel entziehen und beispielsweise einem durch den Zusatzwärmetauscher geförderten Luftstrom zuführen. Bei diesem Luftstrom kann es sich wieder um einen
Umgebungsluftstrom oder um einen Abluftstrom handeln, der in diesem Fall Wärme aufnimmt und dadurch die Temperatur des Heizmittels reduziert. Die reduzierte
Temperatur des Heizmittels verbessert die Kondensation und somit die Abkühlung des Kältemittels im Kondensator des Kältekreises. Das somit stärker gekühlte Kältemittel kann im Verdampfer dem Kühlkreis mehr Wärme entziehen, wodurch dieser über den jeweiligen Kältewärmetauscher dem für den Fahrzeuginnenraum bestimmten Luftstrom mehr Wärme entziehen kann, wodurch dieser Luftstrom intensiv gekühlt wird.
Mit Hilfe der Steuereinrichtung lässt sich rein exemplarisch auch ein erster Reheat- Zustand realisieren, bei dem die Verschaltung den wenigstens einen Heizwärmetauscher in den Heizkreis einbindet, den wenigstens einen Kühlwärmetauscher in den Kühlkreis einbindet und den Zusatzwärmetauscher sowohl vom Heizkreis als auch vom Kühlkreis fluidisch entkoppelt. Bei diesem Reheat-Zustand kann bedarfsabhängig der für den Fahrzeuginnenraum bestimmte Luftstrom entfeuchtet werden. Hierzu wird der Luftstrom im jeweiligen Kältewärmetauscher unter die Kondensationstemperatur von Wasser abgekühlt, wodurch die Feuchtigkeit aus dem Luftstrom entfernt werden kann. Im stromab davon angeordneten Heizwärmetauscher kann nun der Luftstrom wieder auf die gewünschte Temperatur gebracht werden, um den Fahrzeuginnenraum mit einem entfeuchteten Luftstrom zu temperieren.
Ferner ist mit Hilfe der Steuereinrichtung auch ein zweiter Reheat-Zustand realisierbar, bei dem zusätzlich zum ersten Reheat-Zustand über eine entsprechende Ansteuerung der Niedertemperaturschalteinrichtung ein Fluidaustausch zwischen dem Kühlkreis und dem Niedertemperaturkühlkreis stattfindet. In diesem Fall kann beispielsweise die im Niedertemperaturkühlkreis gespeicherte„Kälte", also die im Niedertemperaturkühlkreis enthaltene Wärmeaufnahmekapazität dazu genutzt werden, den Kühlkreis hinreichend abzukühlen, um die gewünschte Entfeuchtung des Luftstroms zu bewirken.
Die Steuereinrichtung kann ferner so konfiguriert sein, dass sie einen zweiten
Heizzustand ermöglicht, bei dem die Verschaltung den wenigstens einen
Heizwärmetauscher in den Heizkreis einbindet, den Zusatzwärmetauscher sowohl vom Heizkreis als auch vom Kühlkreis fluidisch entkoppelt und den wenigstens einen Kühlwärmetauscher vom Kühlkreis fluidisch entkoppelt, während zusätzlich durch eine entsprechende Ansteuerung der Niedertemperaturschalteinrichtung ein Fluidaustausch zwischen Kühlkreis und Niedertemperaturkühlkreis stattfinden kann. In diesem zweiten Heizzustand lässt sich beispielsweise für den Fall, dass die Umgebungstemperatur niedriger ist als die Temperatur im Niedertemperaturkühlkreis dessen Wärme dazu nutzen, dass Kühlmittel im Kühlkreis stromauf des Verdampfers aufzuwärmen.
Ferner kann die Steuereinrichtung so konzipiert sein, dass sie einen dritten Heizzustand ermöglicht, der sich vom ersten Heizzustand dadurch unterscheidet, dass zusätzlich durch eine entsprechende Ansteuerung der Niedertemperaturschalteinrichtung ein Fluidaustausch zwischen Kühlkreis und Niedertemperaturkühlkreis stattfindet. Somit lässt sich in diesem Fall auf beide Wärmequellen, nämlich mit Hilfe des Zusatzwärmetauschers die Wärme der Umgebungsluft und andererseits die Wärme im Kühlmittel des
Niedertemperaturkühlkreises nutzen, um das Kühlmittel im Kühlkreis stromauf des Verdampfers zu erwärmen.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch:
Fig. 1-6 jeweils eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung einer
Fahrzeugklimatisierungseinrichtung bei unterschiedlichen
Betriebszuständen.
Entsprechend den Figuren 1 bis 6 umfasst eine Fahrzeugklimatisierungseinrichtung 1 einen Kühlkreis 2, einen Heizkreis 3 und einen Kältekreis 4. Die Fahrzeugklimatisierungseinrichtung 1 kommt in einem Fahrzeug zur Anwendung, vorzugsweise in einem Omnibus, und dient zum Temperieren wenigstens eines
Luftstroms 5, der im Betrieb der Klimatisierungseinrichtung 1 einem hier nicht näher bezeichneten Innenraum des Fahrzeugs zugeführt wird. Beispielsweise handelt es sich bei einer Anwendung der Klimatisierungseinrichtung 1 in einem Omnibus bei diesem Innenraum um einen Fahrgastraum des Omnibusses.
Im Kühlkreis 2 zirkuliert ein Kühlmittel. Der Kühlkreis 2 enthält zumindest einen
Kühlwärmetauscher 6. Im Beispiel sind zwei derartige Kühlwärmetauscher 6 vorgesehen. Der jeweilige Luftstrom 5 ist durch diese Kühlwärmetauscher 6 hindurchgeführt, so dass mit Hilfe der Kühlwärmetauscher 6 der jeweilige Luftstrom 5 gekühlt werden kann. Im Heizkreis 3 zirkuliert ein Heizmittel. In den Heizkreis 3 ist zumindest ein
Heizwärmetauscher 7 eingebunden. Im Beispiel sind zwei derartige Heizwärmetauscher 7 in den Heizkreis 3 eingebunden. Beide Heizwärmetauscher 7 dienen zum Beheizen der Luftströme 5, die hierzu ebenfalls durch die Heizwärmetauscher 7 hindurchgeführt sind.
Im Kältekreis 4 zirkuliert ein Kältemittel. Im Kältekreis 4 sind in der Strömungsrichtung des Kältemittels nacheinander ein Kältemittelkompressor 8, ein Kondensator 9, ein Expansionsventil 10, ein Verdampfer 11 sowie ein Kältemittelsammler 12 angeordnet. Der Kältekreis 4 arbeitet als Wärmepumpe und kann auch als Wärmepumpenkreis bezeichnet werden. Der Kondensator 9 ist außerdem mediengetrennt fluidisch in den Heizkreis 3 eingebunden. Der Verdampfer 11 ist außerdem mediengetrennt fluidisch in den Kühlkreis
2 eingebunden.
Die hier vorgestellte Klimatisierungseinrichtung 1 umfasst außerdem einen
Zusatzwärmetauscher 13, der mit Hilfe einer Verschaltung 14 wahlweise in den Heizkreis
3 oder in den Kühlkreis 2 fluidisch einbindbar ist. Die Verschaltung 14 umfasst die hierzu erforderlichen Leitungen und Steuerglieder, wie zum Beispiel mehrere 3/2-Wege-Ventile 15. Die Verschaltung 14 ist außerdem so konzipiert, dass sie den Zusatzwärmetauscher 13 sowohl vom Heizkreis 3 als auch vom Kühlkreis 2 entkoppeln kann. Ferner erfolgt über die Verschaltung 14 auch die fluidische Einbindung der Heizwärmetauscher 7 und der Kühlwärmetauscher 6 in den Kühlkreis 2 bzw. in den Heizkreis 3. Insbesondere lässt sich Verschaltung 14 auch so ansteuern, dass die Kühlwärmetauscher 6 vom Kühlkreis 2 entkoppelt sind und dass die Heizwärmetauscher 7 vom Heizkreis 3 entkoppelt sind.
Der Zusatzwärmetauscher 13 ist von einem Luftstrom 16 durchströmbar, bei dem es sich beispielsweise um einen Umgebungsluftstrom oder um einen Abluftstrom handeln kann. Der Abluftstrom kann beispielsweise aus dem Fahrzeuginnenraum in die Umgebung des Fahrzeugs abgesaugt werden. Die darin enthaltene Wärme bzw. die darin enthaltene Wärmeaufnahmekapazität kann zum Heizen bzw. zum Kühlen des jeweiligen Fluids, das den Zusatzwärmetauscher 13 durchströmt, dienen. Der jeweilige Luftstrom 16 kann dabei mit Hilfe eines Gebläses erzeugt werden, das hier nicht dargestellt ist und das dem Zusatzwärmetauscher 13 zugeordnet ist. Auch die Luftströme 5, die durch die paarweise Anordnung der Heizwärmetauscher 7 und Kühlwärmetauscher 6 hindurch tritt, kann mit Hilfe entsprechender zusätzlicher Gebläse realisiert werden, die hier ebenfalls nicht dargestellt sind.
Die hier gezeigte Klimatisierungseinrichtung 1 umfasst ein Wärmetauschermodul 17, das den Zusatzwärmetauscher 13, die Verschaltung 14, die Heizwärmetauscher 7 und die Kühlwärmetauscher 6 umfasst. Ferner können dem Wärmetauschermodul 17 auch die zuvor genannten Gebläse zum Erzeugen der Luftströme 15, 16 angeordnet sein. Im Beispiel ist außerdem ein Kältemodul 18 vorgesehen, das den kompletten Kältekreis 4 einschließlich der vom Kältemittel durchströmten Komponenten enthält. Über
entsprechende Schnittstellen 19 können die Module 17, 18 fluidisch miteinander gekoppelt werden, um die darin enthaltenen Abschnitte des Heizkreises 3 bzw. des Kühlkreises 2 fluidisch miteinander zu verbinden.
Der Kältekreis 2 enthält eine Fördereinrichtung 20 zum Antreiben des Kältemittels im Kältekreis 2. Im hier gezeigten Beispiel enthält der Kältekreis 2 außerdem einen
Kältespeicher 21 , der mit Hilfe eines entsprechenden Ventils 22 vom Kältemittel durchströmbar bzw. über einen Kältespeicherbypass 49 umströmbar ist. Im Beispiel ist der Kältespeicher 21 in einem separaten Speichermodul 23 angeordnet, das auf geeignete Weise mit dem Kältemodul 18 und mit dem Wärmetauschermodul 17 fluidisch gekoppelt ist.
Zumindest eines der Module, vorzugsweise das Wärmetauschermodul 17, ist als
Dachaufbauanlage konzipiert, die auf einem Dach des jeweiligen Fahrzeugs montierbar ist. Auch das Kältemodul 18 kann als Dachaufbauanlage konzipiert sein.
Der Kühlkreis 2 ist über einen entsprechenden Vorlauf 24 und einen entsprechenden Rücklauf 25 mit einem Niedertemperaturkühlkreis 26 fluidisch gekoppelt. Mit Hilfe einer Niedertemperaturschalteinrichtung 27 kann dabei ein Fluidaustausch zwischen dem Kühlkreis 2 und dem Niedertemperaturkühlkreis 26 gesteuert werden. Im
Niedertemperaturkühlkreis 26 befindet sich beispielsweise eine Elektronikkühlung, zum Kühlen elektrischer bzw. elektronischer Komponenten des Fahrzeugs. Eine derartige Elektronikkühlung kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn es sich beim Fahrzeug um ein Elektrofahrzeug oder um ein Hybridfahrzeug mit Elektroantrieb handelt.
Zusätzlich zum Kühlkreis 2 kann außerdem zumindest ein Zusatzkühlkreis 28 vorgesehen sein, der über einen Zusatzverdampfer 29 thermisch mit dem Kältekreis 4 gekoppelt ist. Hierzu ist der Zusatzverdampfer 29 sowohl in dem Zusatzkühlkreis 28 als auch in dem Kältekreis 4 fluidisch eingebunden, jedoch mediengetrennt. Dem Zusatzverdampfer 29 ist im Kältekreis 4 ein Zusatzexpansionsventil 30 vorgeschaltet sowie ein Schaltventil 31 zum Zuschalten des Zusatzverdampfers 29. Der Zusatzkühlkreis 28 kann beispielsweise mit einer Frontbox 32 des Fahrzeugs thermisch gekoppelt sein. Alternativ kann der
Zusatzkühlkreis 28 mit einer hier nicht gezeigten Batterie des Fahrzeugs thermisch gekoppelt sein, um diese Batterie zu kühlen. Beispielsweise kann eine Batteriekühlung bei einem Elektrofahrzeug bzw. bei einem Hybridfahrzeug erforderlich sein. Ebenso ist es möglich, zwei oder mehr derartige Zusatzkühlkreise 28 vorzusehen. Der
Zusatzverdampfer 29 und der Verdampfer 11 sind im Kältekreis 4 so angeordnet, dass sie vom Kältemittel parallel durchströmbar sind.
Der Heizkreis 3 enthält eine Fördereinrichtung 33 zum Antreiben des Heizmittels im Heizkreis 3. Ferner ist im Heizkreis 3 ein Zuheizer 34 angeordnet, mit dessen Hilfe das Heizmittel beheizt werden kann. Der Zuheizer 34 kann elektrisch oder mit einem
Brennstoff betrieben sein. Der Heizkreis 3 ist außerdem mit einem
Hochtemperaturheizkreis 35 fluidisch verbunden. Zum Steuern eines Fluidaustausches zwischen dem Heizkreis 3 und dem Hochtemperaturheizkreis 35 ist eine
Hochtemperaturschalteinrichtung 36 vorgesehen, die im Beispiel zwei 3/2-Wege-Ventile 37 umfasst. Der Hochtemperaturheizkreis 35 kann durch einen„Kühlkreis" einer
Brennkraftmaschine des Fahrzeugs bzw. durch einen Zweig dieses Kühlkreises gebildet sein. Im Hochtemperaturheizkreis 35 befinden sich bei einem Fahrzeug, das als Omnibus ausgestaltet ist, Innenraumheizkörper, die eine Umluftbeheizung im jeweiligen
Fahrzeuginnenraum ermöglichen. Ferner kann der Hochtemperaturheizkreis 35 einen Zweig 38 aufweisen, der eine thermische Kopplung mit dem Frontmodul 32 ermöglicht.
Über einen Zusatzkondensator 39 ist der Hochtemperaturkühlkreis 35 mit dem Kältekreis 4 thermisch gekoppelt. Hierzu ist der Zusatzkondensator 39 fluidisch getrennt sowohl in den Hochtemperaturheizkreis 35 als auch in den Kältekreis 4 eingebunden. Dabei ist der Zusatzkondensator 39 bezüglich der Strömungsrichtung des Kältemittels im Kältekreis 4 stromauf des Kondensators 9 angeordnet. Dementsprechend durchströmt das Kältemittel zunächst den Zusatzkondensator 39 und anschließend den Kondensator 9.
Die hier vorgestellte Fahrzeugklimatisierungseinrichtung 1 ist außerdem mit einer
Steuereinrichtung 40 ausgestattet, die über geeignete Steuerleitungen mit steuerbaren Komponenten der einzelnen vorstehend genannten Bauteile verbunden ist. Insbesondere ist die Steuereinrichtung 40 mit der Verschaltung 14 bzw. mit deren Ventilen 15 gekoppelt. Ebenso ist die Steuereinrichtung 40 mit der Niedertemperaturschalteinrichtung 27 und mit der Hochtemperaturschalteinrichtung 36 bzw. mit deren Ventilen 37 gekoppelt. Die Steuereinrichtung 40 ist so konzipiert, dass sie mehrere unterschiedliche
Betriebszustände für die Fahrzeugklimatisierungseinrichtung 1 realisieren kann. Sechs dieser Betriebszustände werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 6 näher erläutert.
Figur 1 zeigt einen Kühlzustand, Figur 2 zeigt einen ersten Heizzustand, Figur 3 zeigt einen zweiten Heizzustand, Figur 4 zeigt einen dritten Heizzustand, Figur 5 zeigt einen ersten Reheat-Zustand und Figur 6 zeigt einen zweiten Reheat-Zustand.
Entsprechend Figur 1 wird für den Kühlzustand die Verschaltung 14 so betätigt, dass der Zusatzwärmetauscher 13 in den Heizkreis 3 eingebunden ist, dass die
Kühlwärmetauscher 6 in den Kühlkreis 2 eingebunden sind und dass die
Heizwärmetauscher 7 vom Heizkreis 3 fluidisch entkoppelt sind. In diesem Kühlzustand zirkuliert im Kältekreis 4 das Kältemittel entsprechend Pfeilen 41. Im Heizkreis 3 zirkuliert das Heizmittel entsprechend Pfeilen 42. Das Heizmittel 42 durchströmt nach dem
Zusatzwärmetauscher 13 also zumindest den Kondensator 9, bevor es wieder zum Zusatzwärmetauscher 13 zurückgefüht wird. Optional kann auch die mit unterbrochener Linie angedeutete Zusatzleitung 43 vorgesehen sein, durch die es möglich ist, das Heizmittel 42 außerdem durch den Zusatzkondensator 39 zu führen, so dass hier beide Kondensatoren 9 und 39 vom Heizkreis 3 genutzt werden, um dem Kältemittel Wärme zu entziehen. Diese Wärme wird vom Heizkreis 3 über den Zusatzwärmetauscher 13 an den Luftstrom 16 abgegeben.
Im Kältekreis 2 zirkuliert das Kältemittel entsprechend Pfeilen 44 und gelangt somit von den Kühlwärmetauschern 7 zum Verdampfer 11 , in dem es gekühlt wird. Anschließend kann das Kühlmittel den Kältespeicher 21 durchströmen oder umgehen und gelangt wieder zu den Kühlwärmetauschern 6, in denen es den Luftströmen 5 Wärme entziehen kann, um die Luftströme 5 so zu kühlen. Optional kann hierbei auch der Zusatzkühl kreis 28 aktiv sein, so dass darin ebenfalls eine Kühlmittelzirkulation stattfindet, wodurch die Verdampfung des Kältemittels verbessert werden kann. In diesem Kühlzustand ist der Heizkreis 3 zweckmäßig vom
Hochtemperaturheizkreis 35 entkoppelt.
Im ersten Heizzustand gemäß Figur 2 sorgt die Steuereinrichtung 4 dafür, dass die Verschaltung den Zusatzwärmetauscher 13 in den Kühlkreis 2 einbindet, die
Heizwärmetauscher 7 in den Heizkreis 3 einbindet und die Kühlwärmetauscher 6 vom Kühlkreis 2 fluidisch entkoppelt. Im Kältekreis 4 stellt sich wieder dieselbe Durchströmung ein, die auch im Zustand der Figur 1 vorliegt. Im Heizkreis 3 stellt sich nunmehr eine geänderte Durchströmung ein, da nunmehr die Heizwärmetauscher 7 vom Heizmittel durchströmt werden. Ferner ist in diesem Fall der Heizkreis 3 mit dem
Hochtemperaturheizkreis 35 fluidisch gekoppelt, so dass ein Teilstrom des
Hochtemperaturheizkreises 35 entsprechend einem Pfeil 45 durch den Heizkreis 3 geführt ist, während ein anderer Teilstrom entsprechend einem Pfeil 46 durch den Zusatzkondensator 39 geführt wird. Somit können die Heizwärmetauscher 7 Wärme an den Luftstrom 5 abgeben, wodurch das Heizmittel gekühlt wird. In der Folge gelangt gekühltes Heizmittel in den Kondensator 9. Anschließend gelangt das Heizmittel zum anderen Teilstrom 46, wodurch dieser durch Zumischung etwas gekühlt wird, um die Kondensation im Zusatzkondensator 39 zu verbessern.
Im Kühlkreis 2 strömt das Kühlmittel nach dem Verdampfer 11 - je nach Kühlbedarf - durch den Kältespeicher 21 oder unter Umgehung desselben und gelangt anschließend zum Zusatzwärmetauscher 13, um Wärme aus dem Luftstrom 16 aufzunehmen. Das so erwärmte Kühlmittel 44 gelangt anschließend wieder zum Verdampfer 11 , in dem es wieder abgekühlt wird.
Im zweiten Heizzustand gemäß Figur 3 betätigt die Steuereinrichtung 40 die Verschaltung 14 derart, dass die Heizwärmetauscher 7 in den Heizkreis 3 eingebunden sind, dass der Zusatzwärmetauscher 13 sowohl vom Heizkreis 3 als auch vom Kühlkreis 2 fluidisch entkoppelt ist und dass die Kühlwärmetauscher 6 vom Kühlkreis 2 entkoppelt sind.
Zusätzlich wird in diesem Fall die Niedertemperaturschalteinrichtung 27 betätigt, um einen Fluidaustausch zwischen dem Kühlkreis 2 und dem Niedertemperaturkühlkreis 26 zu ermöglichen. In diesem Fall stellt sich im Kältekreis 4 wieder dieselbe Durchströmung wie zuvor ein. Auch im Heizkreis 3 stellt sich dieselbe Durchströmung wie im ersten Heizzustand ein. Die Durchströmung des Kältekreises 2 charakterisiert sich in diesem zweiten Heizzustand jedoch dadurch, dass zumindest ein Teilstrom an Kühlmittel aus dem Niedertemperaturkreis 26 über den Vorlauf 24 entsprechend einem Pfeil 47 in den Kühlkreis 2 gelangt, um dem Verdampfer 11 hinreichend Wärme zuzuführen.
Anschließend wird über die Niedertemperaturschalteinrichtung 27 wieder eine
entsprechende Menge an Kühlmittel gemäß einem Pfeil 48 dem
Niedertemperaturkühlkreis 26 zurückgeführt. Das übrige Kühlmittel strömt dabei nur noch durch den Kältespeicher 21 oder durch den Kältespeicherbypass 49 und strömt zum Verdampfer 11 zurück, ohne durch den Zusatzwärmetauscher 13 oder durch die
Kühlwärmetauscher 6 zu strömen. Auf diese Weise kann die im Niedertemperaturkreis 26 enthaltene Wärme zum Verdampfen des Kältemittels genutzt werden.
Der in Figur 4 wiedergegebene dritte Heizzustand kombiniert quasi den ersten
Heizzustand mit dem zweiten Heizzustand, so dass in diesem Fall der
Zusatzwärmetauscher 13 wieder in den Kühlkreis 2 eingebunden ist und zusätzlich zum Vorwärmen des Kühlmittels genutzt werden kann, indem dem Luftstrom 16 entsprechend Wärme entzogen wird. Die Durchströmung des Kühlkreises 4 und des Heizkreises 3 ist dabei wieder gleich wie in den zuvor genannten beiden anderen Heizzuständen.
Gemäß Figur 5 kann mit Hilfe der Steuereinrichtung 40 auch ein erster Reheat-Zustand realisiert werden, in dem die Verschaltung 14 so angesteuert wird, dass sie die
Heizwärmetauscher 7 in den Heizkreis 3 einbindet, die Kühlwärmetauscher 6 in den Kühlkreis 2 einbindet und den Zusatzwärmetauscher 13 sowohl vom Heizkreis 3 als auch vom Kühlkreis 2 fluidisch entkoppelt. Die sich dabei einstellenden
Durchströmungszustände sind wieder durch die Pfeile 41 im Kältekreis 4, durch die Pfeile 42 im Heizkreis 3 und durch die Pfeile 44 im Kühlkreis 2 wiedergegeben. Durch diesen Reheat-Betrieb werden die Luftströme 5, die dem Fahrzeuginnenraum zugeführt werden sollen, zunächst in den Kühlwärmetauschern 6 gekühlt, vorzugsweise so weit, dass darin enthaltene Feuchtigkeit kondensiert und entfernt werden kann. Anschließend werden die Luftströme 5 in den Heizwärmetauschern 7 auf die gewünschte Temperatur erhitzt.
Gemäß Figur 6 kann in einem zweiten Reheat-Zustand zusätzlich über eine
entsprechende Betätigung der Niedertemperaturschalteinrichtung 27 außerdem ein Fluidaustausch zwischen dem Kühlkreis 2 und dem Niedertemperaturkühlkreis 26 herbeigeführt werden, um Wärme aus dem Niedertemperaturkühlkreis 26 zum
Verdampfen des Kältemittels zu nutzen.
Sowohl beim ersten Reheat-Zustand als auch beim zweiten Reheat-Zustand kann über eine entsprechende Betätigung der Hochtemperaturschalteinrichtung 36 eine fluidische Kopplung zwischen dem Heizkreis 3 und dem Hochtemperaturheizkreis 35 herbeigeführt werden, um die vorteilhafte zweistufige Kondensation des Kältemittels zu bewirken.

Claims

Patentansprüche
1. Fahrzeugklimatisierungseinrichtung zum Temperieren wenigstens eines einem
Fahrzeuginnenraum zuzuführenden Luftstroms (5),
- mit einem Kühlkreis (2), in den wenigstens ein Kühlwärmetauscher (6) zum Kühlen des Luftstroms (5) eingebunden ist,
- mit einem Heizkreis (3), in den wenigstens ein Heizwärmetauscher (7) zum
Beheizen des Luftstroms (5) eingebunden ist,
- mit einem Zusatzwärmetauscher (13), der mittels einer Verschaltung (14) wahlweise in den Heizkreis (3) oder in den Kühlkreis (2) einbindbar ist,
- mit einem Kältekreis (4), in den ein Kältemittelkompressor (8), ein Kondensator (9) und ein Verdampfer (11) eingebunden sind,
- wobei der Verdampfer (11) außerdem in den Kühlkreis (2) eingebunden ist,
- wobei der Kondensator (9) außerdem in den Heizkreis (3) eingebunden ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 ,
gekennzeichnet durch
ein Wärmetauschermodul (17), das den Zusatzwärmetauscher (13), die
Verschaltung (14), den wenigstens einen Heizwärmetauscher (7) und den wenigstens einen Kühlwärmetauscher (6) enthält.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
gekennzeichnet durch
ein Kältemodul (18), das den Kältekreis (4) enthält.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kühlkreis (2) mit einem Niedertemperaturkühlkreis (26) fluidisch verbunden ist, wobei eine Niedertemperaturschalteinrichtung (27) zum Steuern eines
Fluidaustausches zwischen dem Kühlkreis (4) und dem Niedertemperaturkühlkreis (26) vorgesehen ist.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Zusatzkühlkreis (28) vorgesehen ist, der über einen
Zusatzverdampfer (29) thermisch mit dem Kältekreis (4) gekoppelt ist, wobei der jeweilige Zusatzverdampfer (29) in den Zusatzkühlkreis (28) und in den Kältekreis (4) eingebunden ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Zusatzverdampfer (29) und der Verdampfer (11) im Kältekreis (4) vom
Kältemittel parallel durchströmbar angeordnet sind.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Heizkreis (3) mit einem Hochtemperaturheizkreis (35) fluidisch verbunden ist, wobei eine Hochtemperaturschalteinrichtung (36) zum Steuern eines
Fluidaustausches zwischen dem Heizkreis (3) und dem Hochtemperaturheizkreis (35) vorgesehen ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Zusatzkondensator (39) vorgesehen ist, über den der
Hochtemperaturheizkreis (35) thermisch mit dem Kältekreis (4) gekoppelt ist, wobei der jeweilige Zusatzkondensator (39) in den Hochtemperaturheizkreis (35) und in den Kältekreis (4) eingebunden ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass der in den Hochtemperaturheizkreis (35) eingebundene Zusatzkondensator (39) stromauf des in den Heizkreis (3) eingebundenen Kondensators (9) im Kältekreis (4) angeordnet ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
- dass eine Steuereinrichtung (40) zum Einstellen von wenigstens zwei
verschiedenen Betriebszuständen, einschließlich eines ersten Heizzustands und eines Kühlzustands, vorgesehen ist,
- dass im ersten Heizzustand die Verschaltung (14) den Zusatzwärmetauscher (13) in den Kühlkreis (2) einbindet, den wenigstens einen Heizwärmetauscher (7) in den Heizkreis (3) einbindet und den wenigstens einen Kühlwärmetauscher (6) vom Kühlkreis (2) fluidisch entkoppelt,
- dass im Kühlzustand die Verschaltung (14) den Zusatzwärmetauscher (13) in den Heizkreis (3) einbindet, den wenigstens einen Kühlwärmetauscher (6) in den Kühlkreis (2) einbindet und den wenigstens einen Heizwärmetauscher (7) vom Heizkreis (3) fluidisch entkoppelt.
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