DE102017124814B4 - Air conditioning system for conditioning the air of a passenger compartment of a motor vehicle and method for operating the air conditioning system - Google Patents
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Abstract
Klimatisierungssystem (1a, 1b) zum Konditionieren der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf (2a, 2b), aufweisend:
- einen Verdichter (4), einen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft, ein Expansionsorgan (7) sowie einen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (8) zum Konditionieren der Zuluft für den Fahrgastraum, wobei der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (8) derart angeordnet ist, dass das Kältemittel stets vollständig hindurch geleitet wird,
- einen Strömungspfad (10), welcher sich von einer Abzweigstelle (12) bis zu einer Mündungsstelle (13) erstreckend und mit einem Wärmeübertrager (11) ausgebildet ist, wobei die Abzweigstelle (12) an einem Austritt des Verdichters (4) und die Mündungsstelle (13) zwischen dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) und dem Expansionsorgan (7) derart ausgebildet sind, dass der Wärmeübertrager (11) parallel zum ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) oder anstelle des ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers (5) von Kältemittel durchströmbar ist, und einem Klimagerät (20), aufweisend ein Gehäuse zum Leiten und Verteilen der Zuluft für den Fahrgastraum mit
- einem ersten Strömungskanal (21), in welchem der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (8) angeordnet ist, sowie
- einem zweiten Strömungskanal (22), welcher als ein Bypass um den zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (8) ausgebildet ist, wobei
- der innerhalb des Strömungspfades (10) angeordnete Wärmeübertrager (11) als ein Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Erwärmen der Zuluft ausgebildet und innerhalb des Klimagerätes (20) in Strömungsrichtung (24) der Zuluft nach dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (8) angeordnet ist oder der innerhalb des Strömungspfades (10) angeordnete Wärmeübertrager (11) als ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager eines Kühlmittelkreislaufs (3) ausgebildet ist, wobei der Kühlmittelkreislauf (3) einen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager (18) zum Erwärmen der Zuluft aufweist, welcher innerhalb des Klimagerätes (20) in Strömungsrichtung (24) der Zuluft nach dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (8) angeordnet ist,
- das Klimagerät (20) eine Strömungsleiteinrichtung (29) zum Verschließen und Öffnen des ersten Strömungskanals (21) und eine Strömungsleiteinrichtung (23) zum Verschließen und Öffnen des zweiten Strömungskanals (22) aufweist.
Air conditioning system (1a, 1b) for conditioning the air of a passenger compartment of a motor vehicle with a refrigerant circuit (2a, 2b), comprising:
- a compressor (4), a first refrigerant-to-air heat exchanger (5) for heat transfer between the refrigerant and ambient air, an expansion element (7) and a second refrigerant-to-air heat exchanger (8) for conditioning the supply air for the passenger compartment, wherein the second refrigerant-to-air heat exchanger (8) is arranged such that the refrigerant is always passed completely through,
- a flow path (10) extending from a branching point (12) to a mouth point (13) and formed with a heat exchanger (11), wherein the branching point (12) at an outlet of the compressor (4) and the mouth point (13) between the first refrigerant-air heat exchanger (5) and the expansion element (7) are formed such that refrigerant can flow through the heat exchanger (11) parallel to the first refrigerant-air heat exchanger (5) or instead of the first refrigerant-air heat exchanger (5), and an air conditioning unit (20) having a housing for conducting and distributing the supply air for the passenger compartment with
- a first flow channel (21) in which the second refrigerant-air heat exchanger (8) is arranged, and
- a second flow channel (22) which is designed as a bypass around the second refrigerant-air heat exchanger (8), wherein
- the heat exchanger (11) arranged within the flow path (10) is designed as a refrigerant-air heat exchanger for heating the supply air and is arranged within the air conditioning unit (20) in the flow direction (24) of the supply air after the second refrigerant-air heat exchanger (8) is arranged or the heat exchanger (11) arranged within the flow path (10) is designed as a refrigerant-coolant heat exchanger of a coolant circuit (3), wherein the coolant circuit (3) has a coolant-air heat exchanger (18) for heating the supply air, which is arranged within the air conditioning unit (20) in the flow direction (24) of the supply air after the second refrigerant-air heat exchanger (8),
- the air conditioning unit (20) has a flow guiding device (29) for closing and opening the first flow channel (21) and a flow guiding device (23) for closing and opening the second flow channel (22).
Description
Die Erfindung betrifft ein Klimatisierungssystem zum Konditionieren der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf und einem Klimagerät. Der Kältemittelkreislauf weist einen Verdichter, einen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft, ein Expansionsorgan sowie einen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Konditionieren der Zuluft für den Fahrgastraum sowie einen Strömungspfad mit einem zusätzlichen Wärmeübertrager auf. Das Klimagerät weist ein Gehäuse zum Leiten und Verteilen der Zuluft für den Fahrgastraum mit einem ersten Strömungskanal zur Aufnahme des zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers und einem als Bypass des zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers ausgebildeten zweiten Strömungskanal auf.The invention relates to an air conditioning system for conditioning the air of a passenger compartment of a motor vehicle, comprising a refrigerant circuit and an air conditioning unit. The refrigerant circuit comprises a compressor, a first refrigerant-to-air heat exchanger for heat transfer between the refrigerant and ambient air, an expansion element, and a second refrigerant-to-air heat exchanger for conditioning the supply air for the passenger compartment, as well as a flow path with an additional heat exchanger. The air conditioning unit comprises a housing for conducting and distributing the supply air for the passenger compartment, comprising a first flow channel for receiving the second refrigerant-to-air heat exchanger and a second flow channel designed as a bypass of the second refrigerant-to-air heat exchanger.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des Klimatisierungssystems.Furthermore, the invention relates to a method for operating the air conditioning system.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Kraftfahrzeugen wird zur Erwärmung der Zuluft für den Fahrgastraum die Abwärme des Motors genutzt. Die Abwärme wird mittels des im Motorkühlmittelkreislauf umgewälzten Kühlmittels zur Klimaanlage transportiert und dort über den Heizungswärmeübertrager an die in den Fahrgastraum einströmende Luft übertragen. Bekannte Anlagen mit Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager, welche die Heizleistung aus dem Kühlmittelkreislauf eines effizienten Verbrennungsmotors des Fahrzeugantriebs beziehen, erzeugen nicht genug Abwärme, um insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen die Luft des Fahrgastraums den Anforderungen des thermischen Komforts entsprechend zu beheizen beziehungsweise das für eine komfortable Aufheizung des Fahrgastraums erforderliche Niveau zu erreichen und den Gesamtwärmebedarf des Fahrgastraums zu decken. Ähnliches gilt für Anlagen in Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieb, das heißt Kraftfahrzeugen mit sowohl elektromotorischem als auch verbrennungsmotorischem Antrieb.In prior art motor vehicles, the engine's waste heat is used to heat the air supply to the passenger compartment. The waste heat is transported to the air conditioning system by means of the coolant circulated in the engine coolant circuit, where it is transferred to the air flowing into the passenger compartment via the heating heat exchanger. Known systems with coolant-to-air heat exchangers, which draw their heating power from the coolant circuit of an efficient internal combustion engine in the vehicle's drive system, do not generate enough waste heat to heat the air in the passenger compartment to meet thermal comfort requirements, particularly at low ambient temperatures, or to achieve the level required for comfortable heating of the passenger compartment and to cover the total heat demand of the passenger compartment. The same applies to systems in vehicles with hybrid drives, i.e., vehicles with both electric motor and internal combustion engine drive.
Wenn der Gesamtwärmebedarf des Fahrgastraums mittels der Wärme aus dem Motorkühlmittelkreislauf nicht gedeckt werden kann, sind Zuheizmaßnahmen, wie elektrische Widerstandsheizungen, kurz als PTC-Widerstand für englisch „Positive Temperature Coefficient - Thermistor“ bezeichnet, oder Kraftstoffheizer, erforderlich. Gleiches gilt für Anlagen in rein elektromotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugen beziehungsweise Brennstoffzellenfahrzeugen. Eine effizientere Möglichkeit zur Beheizung der Luft für den Fahrgastraum stellt ein Klimatisierungssystem mit einem Kältemittelkreislauf mit Wärmepumpenfunktion, auch als eine Wärmepumpe bezeichnet, mit Luft als Wärmequelle dar, bei welchem der Kältemittelkreislauf sowohl als einzige Beheizung als auch als Zuheizmaßnahme dient.If the total heat requirement of the passenger compartment cannot be met using heat from the engine coolant circuit, additional heating measures such as electrical resistance heaters (PTC resistors for "Positive Temperature Coefficient - Thermistor") or fuel heaters are required. The same applies to systems in purely electric-powered vehicles or fuel cell vehicles. A more efficient option for heating the air in the passenger compartment is an air conditioning system with a refrigerant circuit with heat pump function, also known as a heat pump, with air as the heat source. In this system, the refrigerant circuit serves both as the sole heating source and as an additional heating source.
Ein Klimatisierungssystem mit nachgeschalteter elektrischer Widerstandsheizung ist zum einen kostengünstig herzustellen und ist in beliebigen Kraftfahrzeugen zu verwenden, weist jedoch einen sehr großen Bedarf an elektrischer Energie auf, da die Zuluft für den Fahrgastraum beim Überströmen eines Verdampfers des Kältemittelkreislaufs zunächst abgekühlt und/oder entfeuchtet sowie anschließend mittels der elektrischen Widerstandsheizung, welche die Wärme direkt an die Zuluft oder einen Kühlmittelkreislauf überträgt, erwärmt wird.An air conditioning system with downstream electrical resistance heating is, on the one hand, inexpensive to manufacture and can be used in any motor vehicle, but it has a very high demand for electrical energy, since the supply air for the passenger compartment is first cooled and/or dehumidified when flowing over an evaporator of the refrigerant circuit and then heated by means of the electrical resistance heating, which transfers the heat directly to the supply air or a coolant circuit.
Aus der
In der
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In der
Zum Stand der Technik gehörende Klimatisierungssysteme, welche für den kombinierten Kälteanlagenmodus und Nachheizmodus, auch als Reheat-Betrieb bezeichnet, ausgebildet sind, nehmen die Wärme aus der Zuluft für den Fahrgastraum auf. Dabei wird das Kältemittel durch Aufnahme von Wärme aus der Zuluft verdampft, welche beispielsweise in einem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager direkt an das Kältemittel übertragen wird. Die Zuluft für den Fahrgastraum dient folglich als Wärmequelle für die Verdampfung des Kältemittels. Der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager ist dabei innerhalb eines Klimagerätes, insbesondere zum Konditionieren, Leiten und Verteilen der Luft, angeordnet.State-of-the-art air conditioning systems designed for combined refrigeration and reheating modes, also known as reheat operation, absorb heat from the supply air to the passenger compartment. The refrigerant is evaporated by absorbing heat from the supply air, which is then transferred directly to the refrigerant, for example, in a refrigerant-to-air heat exchanger. The supply air to the passenger compartment thus serves as a heat source for the evaporation of the refrigerant. The refrigerant-to-air heat exchanger is arranged within an air conditioning unit, in particular for conditioning, conducting, and distributing the air.
Im sogenannten „Reheat“- beziehungsweise Nachheizmodus wird die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft abgekühlt, dabei entfeuchtet und anschließend zumindest geringfügig wieder aufgeheizt. In diesem Betriebsmodus ist die erforderliche Nachheizleistung meist geringer als die erforderliche Kälteleistung zum Kühlen und Entfeuchten der Luft.In the so-called "reheat" or post-heating mode, the air supplied to the passenger compartment is cooled, dehumidified, and then reheated at least slightly. In this operating mode, the required post-heating power is usually lower than the cooling power required to cool and dehumidify the air.
Speziell bei einem Kaltstart des Kraftfahrzeugs besteht die Möglichkeit, auch bei sehr geringen Temperaturen der Umgebungsluft, die Zuluft durch den Betrieb des Kältemittelkreislaufs in einem sogenannten Dreiecksprozess, auch als Heißgasmodus bezeichnet, zu erwärmen. Dabei werden mit dem Verdichter, einem zum Beheizen der Zuluft für den Fahrgastraum als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager und einem Expansionsorgan im Wesentlichen lediglich drei Komponenten des Kältemittelkreislaufs mit Kältemittel beaufschlagt.
Nach dem Austreten aus dem Kondensator/Gaskühler wird das Kältemittel im Expansionsorgan auf ein Niederdruckniveau expandiert C und vom Verdichter angesaugt.After leaving the condenser/gas cooler, the refrigerant is expanded in the expansion device to a low pressure level C and sucked in by the compressor.
Mit dem Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Dreiecksprozess beziehungsweise im Heißgasmodus kann die Zuluft des Fahrgastraums mit ähnlicher Effizienz erwärmt werden, wie mit einer elektrischen Widerstandsheizung, ohne dabei jedoch auf zusätzliche Komponenten angewiesen zu sein.By operating the refrigerant circuit in the triangular process or in hot gas mode, the supply air of the passenger compartment can be heated with similar efficiency as with an electric resistance heater, but without having to rely on additional components.
Wenn das Kältemittel bei unterkritischem Betrieb des Kältemittelkreislaufs, wie zum Beispiel mit dem Kältemittel R134a oder bei bestimmten Umgebungsbedingungen mit Kohlendioxid verflüssigt wird, wird der Wärmeübertrager als Kondensator bezeichnet. Ein Teil der Wärmeübertragung findet bei konstanter Temperatur statt. Bei überkritischem Betrieb beziehungsweise bei überkritischer Wärmeabgabe im Wärmeübertrager nimmt die Temperatur des Kältemittels stetig ab. In diesem Fall wird der Wärmeübertrager auch als Gaskühler bezeichnet. Überkritischer Betrieb kann unter bestimmten Umgebungsbedingungen oder Betriebsweisen des Kältemittelkreislaufs zum Beispiel mit dem Kältemittel Kohlendioxid auftreten.When the refrigerant is liquefied during subcritical operation of the refrigerant circuit, such as with the refrigerant R134a or, under certain ambient conditions, with carbon dioxide, the heat exchanger is referred to as a condenser. Part of the heat transfer takes place at a constant temperature. During supercritical operation, or with supercritical heat dissipation in the heat exchanger, the temperature of the refrigerant decreases continuously. In this case, the heat exchanger is also referred to as a gas cooler. Supercritical operation can occur under certain ambient conditions or operating modes of the refrigerant circuit, for example, with the refrigerant carbon dioxide.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Betriebsmodi eines Kältemittelkreislaufs in einem Dreiecksprozess wird auf der Niederdruckseite entweder kein Wärmeübertrager oder der als Verdampfer für das Kältemittel betriebene Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Konditionieren der Zuluft für den Fahrgastraum mit Kältemittel beaufschlagt, sodass saugseitig entweder kein definiertes Temperaturniveau vorgegeben ist oder das Temperaturniveau von der den Verdampfer beaufschlagenden Zuluft, wie der Umgebungsluft, definiert wird, welches den Saugdruck des im Zwei-Phasen-Gebiet vorliegenden Kältemittels bestimmt.In the operating modes of a refrigerant circuit in a triangular process known from the state of the art, either no heat exchanger is used on the low-pressure side or the refrigerant-air heat exchanger operated as an evaporator for the refrigerant is charged with refrigerant to condition the supply air for the passenger compartment, so that on the suction side either no defined temperature temperature level is predetermined or the temperature level is defined by the supply air acting on the evaporator, such as the ambient air, which determines the suction pressure of the refrigerant present in the two-phase region.
Wenn einerseits während des Betriebs des Kältemittelkreislaufs im Dreiecksprozess auf der Niederdruckseite kein Temperaturniveau und damit auch kein Druckniveau vorgegeben ist oder wenn andererseits das Temperaturniveau und damit das Druckniveau des Kältemittels durch die Temperatur der Zuluft für den Fahrgastraum, speziell der Umgebungsluft mit geringer Temperatur, bestimmt ist, sinkt jeweils insbesondere während des Kaltstarts des Kraftfahrzeugs der Saugdruck pS gemäß
Zudem sind herkömmliche Klimageräte derart ausgebildet, dass der als Verdampfer betriebene Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager luftseitig nicht abgesperrt werden kann. Der Verdampfer des Kältemittels wird folglich stets mit Luft beaufschlagt. Aus dem Stand der Technik bekannte Klimageräte bieten lediglich die Möglichkeit, einen Teilluftmassenstrom durch einen sogenannten Bypass am Verdampfer vorbeizuleiten.In addition, conventional air conditioning units are designed in such a way that the refrigerant-to-air heat exchanger, which operates as an evaporator, cannot be shut off on the air side. Consequently, the refrigerant evaporator is always exposed to air. State-of-the-art air conditioning units only offer the option of diverting a partial air mass flow past the evaporator through a so-called bypass.
Des Weiteren sind Kältemittelkreisläufe von Klimatisierungssystemen bekannt, bei welchen der Verdampfer kältemittelseitig abgesperrt werden kann. Die Kältemittelkreisläufe weisen dabei einen als Bypass um den Verdampfer ausgebildeten Strömungspfad auf, durch welchen der gesamte Massenstrom des Kältemittels leitbar ist. Der Kältemittelkreislauf weist mit dem Bypass und dazugehöriger Peripherie, wie Ventile und Kältemittelleitungen, jedoch zusätzliche Komponenten auf, insbesondere auch um den Betrieb im Heißgasmodus zu gewährleisten. Die zusätzlichen Komponenten benötigen weiteren Bauraum und verursachen Mehrkosten, insbesondere bei der Herstellung und Montage.Furthermore, refrigerant circuits in air conditioning systems are known in which the evaporator can be shut off on the refrigerant side. These refrigerant circuits feature a flow path designed as a bypass around the evaporator, through which the entire mass flow of the refrigerant can be conducted. However, the refrigerant circuit, with the bypass and associated peripherals such as valves and refrigerant lines, requires additional components, particularly to ensure operation in hot gas mode. These additional components require additional installation space and incur additional costs, particularly during manufacturing and assembly.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, ein Klimatisierungssystem für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, welches sowohl im Kälteanlagenmodus, im Wärmepumpenmodus, speziell im Nachheizmodus, sowie im Heißgasmodus effizient betrieben werden kann. Das Klimatisierungssystem, insbesondere der Kältemittelkreislauf, sollen dabei mit einer minimal notwendigen Anzahl an Komponenten konstruktiv einfach aufgebaut sein, beispielsweise ohne Zuheizmaßnahmen, um lediglich minimale Betriebskosten, Herstellungskosten und Wartungskosten zu verursachen sowie einen minimalen Bauraumbedarf aufzuweisen. Der Kältemittelkreislauf soll zudem derart ausgebildet sein, beim Kaltstart des Kraftfahrzeugs mit maximaler Leistung, insbesondere beim Betrieb im Heißgasmodus, vor allem die Zuluft für den Fahrgastraum effizient zu beheizen.The object of the invention is to provide an air conditioning system for a motor vehicle that can be operated efficiently in refrigeration system mode, heat pump mode, especially in reheating mode, and hot gas mode. The air conditioning system, in particular the refrigerant circuit, should be structurally simple with a minimal number of components, for example, without additional heating measures, in order to incur only minimal operating, manufacturing, and maintenance costs, as well as to have a minimal installation space requirement. The refrigerant circuit should also be designed to efficiently heat, above all, the supply air for the passenger compartment during a cold start of the motor vehicle at maximum power, in particular when operating in hot gas mode.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand und das Verfahren mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.The problem is solved by the subject matter and the method having the features of the independent patent claims. Further developments are specified in the dependent patent claims.
Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Klimatisierungssystem zum Konditionieren der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf und einem Klimagerät gelöst.The object is achieved by an air conditioning system according to the invention for conditioning the air of a passenger compartment of a motor vehicle with a refrigerant circuit and an air conditioning unit.
Der Kältemittelkreislauf weist einen Verdichter, einen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft, ein Expansionsorgan sowie einen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Konditionieren der Zuluft für den Fahrgastraum auf. Der Kältemittelkreislauf weist zudem einen Strömungspfad auf, welcher sich von einer an einem Austritt des Verdichters ausgebildeten Abzweigstelle bis zu einer zwischen dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und dem Expansionsorgan ausgebildeten Mündungsstelle erstreckt. Innerhalb des Strömungspfades ist ein weiterer Wärmeübertrager angeordnet.The refrigerant circuit includes a compressor, a first refrigerant-to-air heat exchanger for heat transfer between the refrigerant and ambient air, an expansion element, and a second refrigerant-to-air heat exchanger for conditioning the supply air for the passenger compartment. The refrigerant circuit also includes a flow path extending from a branch point formed at an outlet of the compressor to a mouth point formed between the first refrigerant-to-air heat exchanger and the expansion element. A further heat exchanger is arranged within the flow path.
Das Klimagerät weist ein Gehäuse zum Leiten und Verteilen der Zuluft für den Fahrgastraum mit einem ersten Strömungskanal und einem zweiten Strömungskanal auf. Innerhalb des ersten Strömungskanals ist der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs angeordnet. Der zweite Strömungskanal ist als ein Bypass um den zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager ausgebildet.The air conditioning unit has a housing for directing and distributing the supply air for the passenger compartment, with a first flow channel and a second flow channel. The second refrigerant-to-air heat exchanger of the refrigerant circuit is arranged within the first flow channel. The second flow channel is designed as a bypass around the second refrigerant-to-air heat exchanger.
Nach der Konzeption der Erfindung weist das Klimagerät eine Strömungsleiteinrichtung zum Verschließen und Öffnen des ersten Strömungskanals auf, sodass der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs zum Konditionieren der Zuluft für den Fahrgastraum luftseitig vollständig absperrbar ist.According to the concept of the invention, the air conditioning unit has a flow guide device for closing and opening the first flow channel, so that the second refrigerant-air heat exchanger of the refrigerant circuit can be completely shut off on the air side for conditioning the supply air for the passenger compartment.
Die Querschnittsfläche des ersten Strömungskanals des Klimagerätes ist bevorzugt vollständig vom ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs abgedeckt, um Störströmungen zu vermeiden.The cross-sectional area of the first flow channel of the air conditioning unit is preferably completely covered by the first refrigerant-air heat transfer ger of the refrigerant circuit to avoid disruptive flows.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Strömungsleiteinrichtung in Strömungsrichtung der Zuluft für den Fahrgastraum vor dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager angeordnet. Die Strömungsleiteinrichtung ist vorteilhaft als eine Luftklappe ausgebildet. Die Strömungsleiteinrichtung ist zudem bevorzugt zwischen zwei Endstellungen „vollständig geöffnet“ und „vollständig geschlossen“ stufenlos verstellbar.According to a further development of the invention, the flow guide device is arranged upstream of the second refrigerant-to-air heat exchanger in the direction of flow of the supply air for the passenger compartment. The flow guide device is advantageously designed as an air flap. Furthermore, the flow guide device is preferably continuously adjustable between two end positions: "fully open" and "fully closed."
Bei einem ersten konzeptionsgemäßen Klimatisierungssystem ist der sich innerhalb des von der am Austritt des Verdichters ausgebildeten Abzweigstelle bis zur zwischen dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und dem Expansionsorgan ausgebildeten Mündungsstelle erstreckenden Strömungspfades des Kältemittelkreislaufs angeordnete Wärmeübertrager als ein Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Erwärmen der Zuluft ausgebildet. Der Wärmeübertrager ist dabei innerhalb des Klimagerätes in Strömungsrichtung der Zuluft nach dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, insbesondere nach einem Austritt des ersten Strömungskanals, angeordnet.In a first conceptual air conditioning system, the heat exchanger arranged within the flow path of the refrigerant circuit extending from the branch point formed at the compressor outlet to the outlet point formed between the first refrigerant-to-air heat exchanger and the expansion element is designed as a refrigerant-to-air heat exchanger for heating the supply air. The heat exchanger is arranged within the air conditioning unit downstream of the second refrigerant-to-air heat exchanger in the flow direction of the supply air, in particular downstream of an outlet of the first flow channel.
Bei einem zweiten konzeptionsgemäßen Klimatisierungssystem ist der sich innerhalb des von der am Austritt des Verdichters ausgebildeten Abzweigstelle bis zur zwischen dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und dem Expansionsorgan ausgebildeten Mündungsstelle erstreckenden Strömungspfades des Kältemittelkreislaufs angeordnete Wärmeübertrager als ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager eines Kühlmittelkreislaufs ausgebildet. Dabei weist der Kühlmittelkreislauf zudem einen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager auf, welcher innerhalb des mit Zuluft für den Fahrgastraum durchströmbaren Klimagerätes angeordnet ist. Der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager des Kühlmittelkreislaufs ist innerhalb des Klimagerätes in Strömungsrichtung der Zuluft nach dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs, insbesondere nach dem Austritt des ersten Strömungskanals, angeordnet.In a second air conditioning system according to the concept, the heat exchanger arranged within the flow path of the refrigerant circuit extending from the branch point formed at the compressor outlet to the mouth point formed between the first refrigerant-to-air heat exchanger and the expansion element is designed as a refrigerant-to-coolant heat exchanger of a coolant circuit. The coolant circuit also has a coolant-to-air heat exchanger arranged within the air conditioning unit through which supply air for the passenger compartment flows. The coolant-to-air heat exchanger of the coolant circuit is arranged within the air conditioning unit in the flow direction of the supply air downstream of the second refrigerant-to-air heat exchanger of the refrigerant circuit, in particular downstream of the outlet of the first flow channel.
Der innerhalb des Strömungspfades angeordnete Wärmeübertrager ist erfindungsgemäß parallel zum ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft oder anstelle des ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers von Kältemittel durchströmbar. Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die Abzweigstelle des Strömungspfades des Kältemittelkreislaufs als ein Drei-Wege-Ventil ausgebildet.According to the invention, the heat exchanger arranged within the flow path can be flowed through by refrigerant parallel to the first refrigerant-to-air heat exchanger for heat transfer between the refrigerant and ambient air, or instead of the first refrigerant-to-air heat exchanger. According to a first alternative embodiment of the invention, the branch point of the flow path of the refrigerant circuit is designed as a three-way valve.
Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die Abzweigstelle des Strömungspfades des Kältemittelkreislaufs als eine Ventilanordnung mit einem T-Stück, einem ersten Ventil und einem zweiten Ventil ausgebildet. Dabei ist das erste Ventil dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgelagert, insbesondere zwischen dem T-Stück und dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, angeordnet. Das zweite Ventil ist innerhalb des Strömungspfades, insbesondere dem innerhalb des Strömungspfades ausgebildeten Wärmeübertrager vorgelagert, angeordnet.According to a second alternative embodiment of the invention, the branch point of the flow path of the refrigerant circuit is designed as a valve arrangement with a T-piece, a first valve, and a second valve. The first valve is arranged upstream of the first refrigerant-to-air heat exchanger in the direction of refrigerant flow, in particular between the T-piece and the refrigerant-to-air heat exchanger. The second valve is arranged within the flow path, in particular upstream of the heat exchanger formed within the flow path.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist innerhalb des Kältemittelkreislaufs in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Verdichter ein Akkumulator als Kältemittelspeicher vorgesehen. Zudem oder alternativ kann in Strömungsrichtung des Kältemittels dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager nachgeordnet ein Sammler ausgebildet sein. Ebenso ist eine Ausbildung des Kältemittelkreislaufs ohne Sammler und Akkumulator möglich.According to a further development of the invention, an accumulator is provided as a refrigerant storage device within the refrigerant circuit upstream of the compressor in the direction of refrigerant flow. Additionally or alternatively, a collector can be provided downstream of the first refrigerant-to-air heat exchanger in the direction of refrigerant flow. A refrigerant circuit can also be designed without a collector and accumulator.
Das Klimagerät weist erfindungsgemäß eine Strömungsleiteinrichtung zum Verschließen und Öffnen des als Bypass um den zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager ausgebildeten zweiten Strömungskanals auf. Die Strömungsleiteinrichtung des zweiten Strömungskanals ist vorteilhaft als eine Luftklappe ausgebildet und ist zudem bevorzugt zwischen zwei Endstellungen „vollständig geöffnet“ und „vollständig geschlossen“ stufenlos verstellbar.According to the invention, the air conditioning unit comprises a flow guide device for closing and opening the second flow channel, which is designed as a bypass around the second refrigerant-to-air heat exchanger. The flow guide device of the second flow channel is advantageously designed as an air flap and is also preferably continuously adjustable between two end positions: "fully open" and "fully closed."
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf und einem Klimagerät für einen Betrieb in einem Kälteanlagenmodus, in einem Wärmepumpenmodus, insbesondere in einem Nachheizmodus, und in einem Heißgasmodus für die zu konditionierende Zuluft des Fahrgastraums gelöst.The object of the invention is also achieved by a method according to the invention for operating an air conditioning system of a motor vehicle with a refrigerant circuit and an air conditioning unit for operation in a refrigeration system mode, in a heat pump mode, in particular in a reheating mode, and in a hot gas mode for the supply air of the passenger compartment to be conditioned.
Der Kälteanlagenmodus dient vor allem dem Kühlen, der Wärmepumpenmodus sowie der Heißgasmodus dem Erwärmen und der Nachheizmodus dem Abkühlen und/oder Entfeuchten sowie dem Nachheizen der Zuluft des Fahrgastraums.The refrigeration system mode is primarily used for cooling, the heat pump mode and the hot gas mode for heating, and the reheating mode for cooling and/or dehumidifying as well as reheating the supply air of the passenger compartment.
Das Verfahren zum Betreiben des Klimatisierungssystems weist beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Heißgasmodus zum Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums folgende Schritte auf:
- - Leiten eines aus einem Verdichter ausströmenden Kältemittels auf einem Hochdruckniveau durch einen Strömungspfad und einen als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager, wobei Wärme vom Kältemittel abgegeben wird,
- - Leiten des aus dem Wärmeübertrager austretenden Kältemittels durch ein Expansionsorgan, wobei das Kältemittel auf ein Niederdruckniveau entspannt wird,
- - Leiten des aus dem Expansionsorgan austretenden Kältemittels durch einen in einem ersten Strömungskanal des Klimagerätes angeordneten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und
- - Ansaugen des Kältemittels durch den Verdichter.
- - passing a refrigerant flowing out of a compressor at a high pressure level through a flow path and a heat exchanger operated as a condenser/gas cooler, whereby heat is released from the refrigerant,
- - Passing the refrigerant leaving the heat exchanger through an expansion device, whereby the refrigerant is expanded to a low pressure level,
- - guiding the refrigerant emerging from the expansion element through a refrigerant-air heat exchanger arranged in a first flow channel of the air conditioning unit and
- - Suction of the refrigerant by the compressor.
Dabei ist eine in Strömungsrichtung der Zuluft im ersten Strömungskanal vor dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager angeordnete Strömungsleiteinrichtung vollständig geschlossen und die Zuluft wird vollständig durch einen geöffneten zweiten Strömungskanal um den Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager herumgeführt, sodass die im Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager übertragene Wärme Null ist.In this case, a flow guide device arranged in the flow direction of the supply air in the first flow channel upstream of the refrigerant-air heat exchanger is completely closed and the supply air is completely guided around the refrigerant-air heat exchanger through an open second flow channel so that the heat transferred in the refrigerant-air heat exchanger is zero.
Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird im als Kondensator/Gaskühler betriebenen und als ein Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager ausgebildeten Wärmeübertrager, welcher innerhalb des Klimagerätes zum Leiten und Verteilen der Zuluft für den Fahrgastraum angeordnet ist, Wärme vom Kältemittel an die Zuluft des Fahrgastraums übertragen.According to a first alternative embodiment of the invention, heat is transferred from the refrigerant to the supply air of the passenger compartment in the heat exchanger operated as a condenser/gas cooler and designed as a refrigerant-air heat exchanger, which is arranged within the air conditioning unit for guiding and distributing the supply air for the passenger compartment.
Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird im als Kondensator/Gaskühler betriebenen und als ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildeten Wärmeübertrager Wärme vom Kältemittel an ein Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs übertragen. Die vom Kühlmittel aufgenommene Wärme wird anschließend in einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager, welcher innerhalb des Klimagerätes zum Leiten und Verteilen der Zuluft für den Fahrgastraum angeordnet ist, vom Kühlmittel an die Zuluft des Fahrgastraums übertragen.According to a second alternative embodiment of the invention, heat is transferred from the refrigerant to a coolant of a coolant circuit in the heat exchanger, which operates as a condenser/gas cooler and is designed as a refrigerant-to-coolant heat exchanger. The heat absorbed by the coolant is then transferred from the coolant to the passenger compartment's supply air in a coolant-to-air heat exchanger, which is arranged within the air conditioning unit for directing and distributing the supply air to the passenger compartment.
Das erfindungsgemäße Klimatisierungssystem bietet die Möglichkeit zum Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums über einen Betrieb des Kältemittelkreislaufs in einem Dreiecksprozess, bei welchem der beim Betrieb in anderen Modi als Verdampfer betriebene zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager luftseitig vollständig abgesperrt werden kann, sodass der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager nicht mit Luft beaufschlagt beziehungsweise überströmt wird. Durch das luftseitige Absperren des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers ist der Saugdruck des Kältemittelkreislaufs während des Betriebs im Dreiecksprozess nicht von der Temperatur der ansonsten den Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager überströmenden Luft, insbesondere der Umgebungsluft, abhängig. Folglich kann das Saugdruckniveau des Kältemittelkreislaufs angehoben werden, was zu einer Vergrößerung der Wärmeleistung zum Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum führt und das Risiko, den Verdichter durch zu geringe Saugdrücke zu beschädigen, verringert werden.The air conditioning system according to the invention offers the possibility of heating the supply air of the passenger compartment by operating the refrigerant circuit in a triangular process, in which the second refrigerant-to-air heat exchanger, which operates as an evaporator during operation in other modes, can be completely shut off on the air side, so that the refrigerant-to-air heat exchanger is not exposed to or overflowed by air. By shutting off the refrigerant-to-air heat exchanger on the air side, the suction pressure of the refrigerant circuit during operation in the triangular process is not dependent on the temperature of the air otherwise flowing over the refrigerant-to-air heat exchanger, in particular the ambient air. Consequently, the suction pressure level of the refrigerant circuit can be raised, which leads to an increase in the heat output for heating the supply air for the passenger compartment and reduces the risk of damaging the compressor due to excessively low suction pressures.
Das erfindungsgemäße Klimatisierungssystem zum Konditionieren der Luft eines Fahrgastraums von Kraftfahrzeugen weist zusammenfassend diverse Vorteile auf:
- - Klimatisieren, insbesondere Kühlen, Entfeuchten und/oder Heizen der Zuluft des Fahrgastraums mit minimalem Energieeinsatz,
- - Bereitstellen eines ausreichenden Komforts innerhalb des Fahrgastraums, insbesondere beim Betrieb im Heißgasmodus bei geringen Temperaturen der Umgebungsluft, durch Steigerung der Heizleistung und damit Aufheizen der Luft in sehr kurzer Zeit,
- - erhöhte Lebensdauer, da auch eine Schädigung des Verdichters durch einen zu geringen Saugdruck vermieden wird,
- - Kältemittelkreislauf, welcher zum Einsatz in bekannten Schemata und vorhandenen Bauräumen bestehender Kraftfahrzeuge integrierbar ist, sowie
- - minimale Anzahl von Komponenten im Kältemittelkreislauf, dadurch minimaler Bauraum, minimale Herstellungskosten und Wartungskosten auch durch Verzicht auf zusätzliche Komponenten im Klimatisierungssystem, wie elektrische Widerstandsheizungen.
- - Air conditioning, in particular cooling, dehumidifying and/or heating the supply air of the passenger compartment with minimal energy consumption,
- - Providing sufficient comfort within the passenger compartment, particularly when operating in hot gas mode at low ambient air temperatures, by increasing the heating power and thus heating the air in a very short time,
- - increased service life, as damage to the compressor due to insufficient suction pressure is also avoided,
- - Refrigerant circuit, which can be integrated into known schemes and existing installation spaces of existing motor vehicles, as well as
- - minimal number of components in the refrigerant circuit, thus minimal installation space, minimal manufacturing costs and maintenance costs, also by eliminating additional components in the air conditioning system, such as electrical resistance heaters.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, in welchen Klimatisierungssysteme jeweils mit einem Klimagerät, einem Kühlmittelkreislauf und einem Kältemittelkreislauf, aufweisend einen Verdichter, einen ersten und einen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager sowie ein Expansionsorgan dargestellt sind. Es zeigen
-
2 : ein Klimagerät mit dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs und einem Heizwärmeübertrager des Kühlmittelkreislaufs aus dem Stand der Technik sowie -
3a und3b : ein erfindungsgemäßes Klimagerät mit dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs und dem Heizwärmeübertrager des Kühlmittelkreislaufs mit alternativen Ausführungsformen des Kältemittelkreislaufs.
-
2 : an air conditioning unit with the second refrigerant-air heat exchanger of the refrigerant circuit and a heating heat exchanger of the coolant circuit from the state of the art and -
3a and3b : an air conditioning unit according to the invention with the second refrigerant-air heat exchanger of the refrigerant circuit and the heating heat exchanger of the coolant circuit with alternative embodiments of the refrigerant circuit.
Aus
Der Kältemittelkreislauf 2' weist einen Verdichter 4, einen ersten, insbesondere als Kondendsator/Gaskühler betreibbaren Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft mit einem Sammler 6 zum Abscheiden und Sammeln von Kältemittelflüssigkeit, ein Expansionsorgan 7 sowie einen zweiten, insbesondere als Verdampfer betreibbaren Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 8 zum Konditionieren der Zuluft für den Fahrgastraum auf. Der Sammler 6 ist hochdruckseitig nach dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 und damit zwischen dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 und dem Expansionsorgan 7 angeordnet.The refrigerant circuit 2' comprises a
Der Kältemittelkreislauf 2' ist zudem mit einem Akkumulator 9 zum Abscheiden und Sammeln von Kältemittelflüssigkeit ausgebildet, welcher in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Verdichter 4 und damit niederdruckseitig zwischen dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 8 und dem Verdichter 4 angeordnet ist. Der Verdichter 4 saugt gasförmiges Kältemittel aus dem Akkumulator 9 an. Der Kältemittelkreislauf 2' kann dabei alternativ entweder mit dem hochdruckseitig angeordneten Sammler 6 oder dem niederdruckseitig angeordneten Akkumulator 9 ausgebildet sein.The refrigerant circuit 2' is also designed with an
Der Kältemittelkreislauf 2' weist einen ersten Strömungspfad 10 auf, welcher sich ausgehend von einer Abzweigstelle 12 bis zu einer Mündungsstelle 13 erstreckt. Die Abzweigstelle 12 ist in Strömungsrichtung des Kältemittels am beziehungsweise nach dem Austritt aus dem Verdichter 4 angeordnet. Die Mündungsstelle 13 des ersten Strömungspfades 10 ist dabei zwischen dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 und dem Expansionsorgan 7, speziell zwischen dem Sammler 6 und dem Expansionsorgan 7, ausgebildet. Innerhalb des ersten Strömungspfades 10 ist ein insbesondere als ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildeter Wärmeübertrager 11 zum Übertragen von Wärme vom Kältemittel an ein Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs 3 angeordnet. Die Abzweigstelle 12 ist als ein Drei-Wege-Ventil 14, insbesondere als ein 3/2-Wege-Absperrventil, ausgebildet, sodass das Kältemittel je nach Bedarf durch den ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 zum Übertragen von Wärme vom Kältemittel an Umgebungsluft und/oder durch den ersten Strömungspfad 10 mit dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 11 zum Übertragen von Wärme vom Kältemittel an das Kühlmittel in Teilmassenströme aufteilbar ist. Der Massenstrom des Kältemittels kann dabei zwischen 0 und 100 % auf die Wärmeübertrager 5, 11 geteilt werden. Die Teilmassenströme des Kältemittels werden an der Mündungsstelle 13 wieder vermischt.The refrigerant circuit 2' has a
Der Kältemittelkreislauf 2' ist zudem mit einem zweiten Strömungspfad 15 ausgebildet, welcher sich ausgehend von einer Abzweigstelle 16 bis zu einer Mündungsstelle 17 erstreckt. Die Abzweigstelle 16 ist dabei zwischen dem Expansionsorgan 7 und dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 8 angeordnet und vorteilhaft als ein Drei-Wege-Ventil 16, insbesondere als ein 3/2-Wege-Absperrventil, ausgebildet. Die Mündungsstelle 17 des zweiten Strömungspfades 15 ist zwischen dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 8 und dem Akkumulator 9 angeordnet. Der zweite Strömungspfad 15 wird je nach Bedarf als ein Bypass um den Verdampfer 8 betrieben, wobei das Kältemittel zumindest in einem Teilmassenstrom um den Verdampfer 8 herumleitbar ist. Das Kältemittel kann durch den zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 8 zum Übertragen von Wärme von der Zuluft für den Fahrgastraum an das Kältemittel und/oder durch den zweiten Strömungspfad 15 in Teilmassenströme aufgeteilt werden. Der Massenstrom des Kältemittels ist dabei zwischen 0 und 100 % aufteilbar. Die Teilmassenströme des Kältemittels werden an der Mündungsstelle 17 wieder vermischt.The refrigerant circuit 2' is also formed with a
Der Kühlmittelkreislauf 3 weist neben dem Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 11, welcher als eine thermische Verbindung zum Kältemittelkreislauf 2' ausgebildet ist, einen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 18 zum Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum, im Weiteren auch als Heizwärmeübertrager 18 bezeichnet, auf. Zudem ist innerhalb des Kühlmittelkreislaufs 3 eine Fördervorrichtung 19, insbesondere eine Pumpe, zum Fördern des Kühlmittels durch den Kühlmittelkreislauf 3 vorgesehen.In addition to the refrigerant-to-
Das Klimagerät 20' des Klimatisierungssystems 1' zum Konditionieren, Leiten und Verteilen der Zuluft für den Fahrgastraum weist ein Gehäuse mit einem ersten Strömungskanal 21 auf. Innerhalb des ersten Strömungskanals 21 ist der als Verdampfer für das Kältemittel betriebene zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 8 zum Übertragen von Wärme von der Zuluft an das Kältemittel angeordnet. Der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 18 zum Erwärmen der Zuluft ist innerhalb des Gehäuses des Klimagerätes 20' in Strömungsrichtung 24, 25 der Zuluft nach dem als Verdampfer 8 zum Abkühlen und/oder Entfeuchten der Zuluft, insbesondere nach dem Austritt des ersten Strömungskanals 21, angeordnet. Die Zuluft wird in Strömungsrichtung 26 in den Fahrgastraum eingeleitet.The air conditioning unit 20' of the air conditioning system 1' for conditioning, directing, and distributing the supply air for the passenger compartment has a housing with a
Da der erste Strömungskanal 21 mit dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 8 innerhalb des Klimagerätes 20' luftseitig nicht absperrbar ist, wird der Wärmeübertrager 8 stets mit in Strömungsrichtung 24 strömender Luft, insbesondere Umgebungsluft, angeströmt.Since the
Das Klimagerät 20' weist zudem einen zweiten Strömungskanal 22 auf, welcher als ein Bypass zum ersten Strömungskanal 21 zur Aufnahme eines Teilluftmassenstroms ausgebildet ist. Ein durch den Bypass 22 geleiteter erster Teilluftmassenstrom wird luftseitig am Verdampfer 8 vorbeigeleitet, wobei ein zweiter Teilluftmassenstrom durch den ersten Strömungskanal 21 zum Verdampfer 8 geleitet wird. Der als Bypass ausgebildete zweite Strömungskanal 22 des Klimagerätes 20' ist mittels einer insbesondere als Luftklappe ausgebildeten Strömungsleiteinrichtung 23 vollständig verschließbar, sodass bei geöffneter Luftklappe 23 ein Teilluftmassenstrom durch den Bypass 22 und ein Teilluftmassenstrom über die Wärmeübertragungsfläche des Verdampfers 8 geleitet werden. Bei geschlossener Luftklappe 23 und damit geschlossenem zweiten Strömungskanal 22 wird der gesamte Luftmassenstrom durch den ersten Strömungskanal 21 und über die Wärmeübertragungsfläche des Verdampfers 8 geführt.The air conditioning unit 20' also has a
Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2' im Kälteanlagenmodus zum Abkühlen der Zuluft des Fahrgastraums wird die im Verdampfer 8 vom Kältemittel aufgenommene Wärme und im Verdichter 4 aufgenommene Leistung beim Durchströmen des als Kondensator/Gaskühler betriebenen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers 5 an die Umgebungsluft und/oder im als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 11 an das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs 3 übertragen. In einem nicht dargestellten Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager kann die Wärme anschließend vom Kühlmittel an die Umgebungsluft oder eine andere Wärmesenke abgegeben werden. Der Heizwärmeübertrager 18 wird nicht mit Kühlmittel oder nicht mit Zuluft für den Fahrgastraum beaufschlagt, sodass im Heizwärmeübertrager 18 keine Wärme übertragen wird. Der Bypass 15 des Kältemittelkreislaufs 2' wird nicht mit Kältemittel beaufschlagt.When the refrigerant circuit 2' is operated in refrigeration system mode to cool the supply air to the passenger compartment, the heat absorbed by the refrigerant in the
Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2' im Nachheizmodus zum Abkühlen und/oder Entfeuchten sowie Nachheizen der Zuluft des Fahrgastraums wird die im Verdampfer 8 vom Kältemittel aufgenommene Wärme und im Verdichter 4 aufgenommene Leistung beim Durchströmen des als Kondensator/Gaskühler betriebenen Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertragers 11 an das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs 3 übertragen. Der erste Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 5 wird nicht mit Kältemittel durchströmt. Die vom Kühlmittel aufgenommene Wärme wird anschließend im Heizwärmeübertrager 18 an die Zuluft für den Fahrgastraum abgegeben, sodass die zuvor beim Überströmen der Wärmeübertragerfläche des Verdampfers 8 abgekühlte und/oder entfeuchtete Zuluft beim Überströmen der Wärmeübertragerfläche des Heizwärmeübertragers 18 wieder erwärmt wird.When the refrigerant circuit 2' is operated in reheating mode for cooling and/or dehumidifying as well as reheating the supply air of the passenger compartment, the heat absorbed by the refrigerant in the
Der Bypass 22 um den Verdampfer 8 kann geöffnet sein.The
Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2' im Heißgasmodus, insbesondere zum schnellen Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums bei sehr geringen Temperaturen der Umgebungsluft, wird das Kältemittel im Verdichter 4 vom Niederdruckniveau auf das Hochdruckniveau A, gemäß
Nach dem Austreten aus dem ersten Strömungspfad 10 strömt das Kältemittel durch das Expansionsorgan 7 und wird auf Niederdruckniveau und damit den Saugdruck in das Zwei-Phasengebiet aus Flüssigkeit und Dampf entspannt C. Das niederdruckseitig aus dem Wärmeübertrager 8 beziehungsweise aus dem Bypass 15 ausströmende Kältemittel wird in den Akkumulator 9 geleitet und anschließend im gasförmigen Zustand vom Verdichter 4 angesaugt. Der Kältemittelkreislauf 2' ist geschlossen.After exiting the
Der Kältemittelkreislauf 2' wird bei sehr geringen Temperaturen der Umgebungsluft im Heißgasmodus betrieben, um eine hohe Heizleistung bereitzustellen und damit den Fahrgastraum in sehr kurzer Zeit auf ein komfortables Temperaturniveau aufzuheizen.The refrigerant circuit 2' is operated in hot gas mode at very low ambient air temperatures in order to provide high heating output and thus heat the passenger compartment to a comfortable temperature level in a very short time.
Beim Durchströmen des Kältemittels durch den Bypass 15 um den Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 8 wird auf der Niederdruckseite des Kältemittels kein Wärmeübertrager beaufschlagt, sodass saugseitig kein definiertes Temperaturniveau vorgegeben ist, welches den Saugdruck des im Zwei-Phasen-Gebiet vorliegenden Kältemittels bestimmt. Wenn jedoch auf der Niederdruckseite kein Temperaturniveau und damit auch kein Druckniveau vorgegeben ist, sinkt insbesondere während des Kaltstarts des Kraftfahrzeugs der Saugdruck pS, gemäß
Beim Durchströmen des Kältemittels durch den Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 8 wird das Temperaturniveau des Kältemittels von der den Wärmeübertrager 8 beaufschlagenden Zuluft, wie der Umgebungsluft, definiert, welches ebenfalls den Saugdruck des im Zwei-Phasen-Gebiet vorliegenden Kältemittels bestimmt. Wenn das Temperaturniveau und damit das Druckniveau des Kältemittels durch die geringe Temperatur der Umgebungsluft als Zuluft für den Fahrgastraum bestimmt ist, sinkt ebenfalls insbesondere während des Kaltstarts des Kraftfahrzeugs der Saugdruck pS, gemäß
In den
Der Kältemittelkreislauf 2a, 2b weist, wie der Kältemittelkreislauf 2' aus
Der Kältemittelkreislauf 2a, 2b weist wiederum einen sich von einer Abzweigstelle 12 bis zu einer Mündungsstelle 13 erstreckenden Strömungspfad 10 auf, wobei innerhalb des Strömungspfades 10 ein insbesondere als ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildeter Wärmeübertrager 11 zum Übertragen von Wärme vom Kältemittel an das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs 3 angeordnet ist.The
Bei der ersten Ausführungsform des Klimatisierungssystems 1a nach
Bei der zur ersten alternativen zweiten Ausführungsform des Klimatisierungssystems 1b nach
Mit der Ausbildung der Abzweigstelle 12 als ein Drei-Wege-Ventil 14 nach
Im Unterschied zum Kältemittelkreislauf 2' aus
Der Kühlmittelkreislauf 3 der Ausführungsformen der Klimatisierungssysteme 1a, 1b gemäß den
Das Klimagerät 20 des Klimatisierungssystems 1a, 1b zum Konditionieren, Leiten und Verteilen der Zuluft für den Fahrgastraum weist innerhalb des ersten Strömungskanals 21 den als Verdampfer für das Kältemittel betriebenen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 8 zum Abkühlen und/oder Entfeuchten der Zuluft und damit zum Übertragen von Wärme von der Zuluft an das Kältemittel sowie in Strömungsrichtung 24, 26 der Zuluft nach dem Verdampfer 8, insbesondere nach dem Austritt des ersten Strömungskanals 21, den Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager 18 zum Erwärmen der Zuluft auf. Nach dem Passieren des Heizwärmeübertragers 18 wird die Zuluft in Strömungsrichtung 26 in den Fahrgastraum geleitet.The
Im Vergleich zum Klimagerät 20' des Klimatisierungssystems 1' aus
Da das Klimagerät 20 zudem einen zweiten Strömungskanal 22 aufweist, welcher als ein Bypass zum Leiten eines Luftmassenstroms um den Wärmeübertrager 8 herum ausgebildet ist, kann der gesamte durch das Klimagerät 20 geleitete Luftmassenstrom durch den Bypass 22 und damit am Wärmeübertrager 8 vorbei und zum Heizwärmeübertrager 18 geführt werden. Der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 8 wird dann nicht mit Luft, speziell mit Zuluft, beaufschlagt.Since the
Auch innerhalb des zweiten Strömungskanals 22 ist eine insbesondere als eine Luftklappe ausgebildete Strömungsleiteinrichtung 23 vorgesehen, mit welcher der zweite Strömungskanal 22 vollständig geöffnet oder vollständig geschlossen werden kann.Also provided within the
Zu den Betriebsweisen des Kältemittelkreislaufs 2a, 2b im Kälteanlagenmodus zum Abkühlen der Zuluft des Fahrgastraums und im Nachheizmodus zum Abkühlen und/oder Entfeuchten sowie Nachheizen der Zuluft des Fahrgastraums wird auf die Ausführungen zu
Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2a, 2b im Heißgasmodus, insbesondere zum schnellen Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums bei sehr geringen Temperaturen der Umgebungsluft, wird das Kältemittel im Verdichter 4 vom Niederdruckniveau auf das Hochdruckniveau A, gemäß
Nach dem Austreten aus dem Strömungspfad 10 strömt das Kältemittel durch das Expansionsorgan 7 und wird auf Niederdruckniveau und damit den Saugdruck in das Zwei-Phasengebiet aus Flüssigkeit und Dampf entspannt C. Das auf dem Niederdruckniveau aus dem Expansionsorgan 7 austretende Kältemittel wird vollständig durch den Wärmeübertrager 8 in den Akkumulator 9 geleitet und anschließend im gasförmigen Zustand vom Verdichter 4 angesaugt. Der Kältemittelkreislauf 2a, 2b, welcher insbesondere bei sehr geringen Temperaturen der Umgebungsluft im Heißgasmodus betrieben wird, um eine hohe Heizleistung bereitzustellen und damit den Fahrgastraum in sehr kurzer Zeit auf ein komfortables Temperaturniveau aufzuheizen, ist geschlossen.After exiting the
Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2a, 2b im Heißgasmodus sind die in der Strömungsrichtung 24 vor dem Wärmeübertrager 8 angeordnete Luftklappe 29 und damit der erste Strömungskanal 21 geschlossen. Die Zuluft wird vollständig durch den geöffneten zweiten Strömungskanal 22 um den Wärmeübertrager 8 herumgeführt. Damit wird im Wärmeübertrager 8 keine Wärme vom Kältemittel an die Zuluft übertragen, das durch den Wärmeübertrager 8 geleitete Kältemittel wird nicht abgekühlt, was den Saugdruck des Kältemittels absenken würde. Das Kältemittel weist am Eintritt und am Austritt des Wärmeübertragers 8 das gleiche Temperaturniveau und damit das gleiche Druckniveau auf. Die am Wärmeübertrager 8 vorbeigeführte Zuluft für den Fahrgastraum wird direkt zum Heizwärmeübertrager 18 geführt und im Heizwärmeübertrager 18 erwärmt.When the
Die luftseitige Absperrung des Wärmeübertragers 8 ermöglicht es zudem, das Saugdruckniveau des Kältemittels im Vergleich zum Betrieb des Klimatisierungsystems 1' nach
Bei einem Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2a, 2b auf höheren Druckniveaus, insbesondere mit höherem Hochdruckniveau, wird eine größere Wärmemenge zum Erwärmen des Kühlmittels im Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager 11 bereitgestellt, sodass auch eine größere Wärmemenge zum Erwärmen der Zuluft im Heizwärmeübertrager 18 zur Verfügung steht und die Zuluft in kürzerer Zeit auf eine bestimmte Temperatur aufgewärmt werden kann.When the
Mit dem Betrieb des Klimatisierungssystem 1a, 1b im Heißgasmodus ist es neben dem Stabilisieren des Saugdruckniveaus sowie dem Einstellen eines bestimmten Niedertemperaturniveaus und damit eines definierten Saugdrucks möglich, auch bei sehr geringen Temperaturen der Umgebungsluft beim Kaltstart des Kraftfahrzeugs eine ausreichend hohe Leistung zum Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum bereitzustellen und somit die Anforderungen des thermischen Komforts ohne eine zusätzliche elektrische Widerstandsheizung zu erfüllen.By operating the
Mit dem Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Heißgasmodus kann die Zuluft des Fahrgastraums mit ähnlicher Effizienz erwärmt werden, wie mit einer elektrischen Widerstandsheizung, ohne dabei jedoch auf zusätzliche Komponenten angewiesen zu sein. Gleichzeitig wird das Risiko, den Verdichter durch zu geringe Saugdrücke zu beschädigen, minimiert.By operating the refrigerant circuit in hot gas mode, the passenger compartment's supply air can be heated with similar efficiency to an electric resistance heater, but without the need for additional components. At the same time, the risk of compressor damage due to insufficient suction pressure is minimized.
Der Kältemittelkreislauf und die Betriebsmodi sind für jedes Kältemittel verwendbar, welches niederdruckseitig einen Phasenübergang von flüssig nach gasförmig durchläuft. Hochdruckseitig gibt das Medium durch Gaskühlung/Kondensation und Unterkühlung die aufgenommene Wärme an eine Wärmesenke ab. Als Kältemittel sind natürliche Stoffe, wie R744, R717 und ähnliche, brennbare Stoffe, wie R290, R600, R600a und ähnliche, chemische Stoffe, wie R134a, R152a, HFO-1234yf, sowie diverse Kältemittelgemische verwendbar.The refrigerant circuit and operating modes are suitable for any refrigerant that undergoes a phase transition from liquid to gas on the low-pressure side. On the high-pressure side, the medium releases the absorbed heat to a heat sink through gas cooling/condensation and subcooling. Suitable refrigerants include natural substances such as R744, R717 and similar; flammable substances such as R290, R600, R600a; and similar chemical substances such as R134a, R152a, HFO-1234yf; as well as various refrigerant blends.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1', 1a, 1b1', 1a, 1b
- KlimatisierungssystemAir conditioning system
- 2', 2a, 2b2', 2a, 2b
- KältemittelkreislaufRefrigerant circuit
- 33
- Kühlmittelkreislaufcoolant circuit
- 44
- Verdichtercompressor
- 55
- Wärmeübertrager, erster Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, Kondensator/GaskühlerHeat exchanger, first refrigerant-to-air heat exchanger, condenser/gas cooler
- 66
- Sammlercollector
- 77
- Expansionsorganexpansion organ
- 88
- Wärmeübertrager, zweiter Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, VerdampferHeat exchanger, second refrigerant-air heat exchanger, evaporator
- 99
- Akkumulatoraccumulator
- 1010
- (erster) Strömungspfad(first) flow path
- 1111
- Wärmeübertrager, Kältemittel-Kühlmittel-WärmeübertragerHeat exchanger, refrigerant-to-coolant heat exchanger
- 1212
- AbzweigstelleJunction point
- 1313
- MündungsstelleMouth
- 1414
- Drei-Wege-VentilThree-way valve
- 1515
- zweiter Strömungspfad, Bypasssecond flow path, bypass
- 1616
- Abzweigstelle, Drei-Wege-VentilBranch point, three-way valve
- 1717
- MündungsstelleMouth
- 1818
- Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager, HeizwärmeübertragerCoolant-air heat exchanger, heating heat exchanger
- 1919
- Fördervorrichtung, Pumpeconveying device, pump
- 20', 2020', 20
- Klimagerätair conditioner
- 2121
- erster Strömungskanalfirst flow channel
- 2222
- zweiter Strömungskanal, Bypasssecond flow channel, bypass
- 2323
-
Strömungsleiteinrichtung, Luftklappe Strömungskanal 22Flow guide device, air
flap flow channel 22 - 2424
-
Strömungsrichtung Zuluft Anströmung Verdampfer 8Flow direction supply
air flow evaporator 8 - 2525
-
Strömungsrichtung Zuluft Anströmung Heizwärmeübertrager 18Flow direction supply air flow
heating heat exchanger 18 - 2626
- Strömungsrichtung Zuluft FahrgastraumFlow direction supply air passenger compartment
- 2727
-
erstes Ventil, Absperrventil Abzweigstelle 12first valve, shut-off
valve branch point 12 - 2828
-
zweites Ventil, Absperrventil Abzweigstelle 12second valve, shut-off
valve branch point 12 - 2929
-
Strömungsleiteinrichtung, Luftklappe Anströmung Verdampfer 8Flow guide device, air
flap inflow evaporator 8 - A, B, CA, B, C
- Zustandsänderung KältemittelChange in state of refrigerant
Claims (11)
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