DE102008048509A1

DE102008048509A1 - Kühlsystem mit einer Wärmepumpe und verschiedenen Betriebsmoden

Info

Publication number: DE102008048509A1
Application number: DE102008048509A
Authority: DE
Inventors: Jiam-min Racine Yin; Michael J. Racine Wilson; Stephen B. Kenosha Memory; Samuel J. Collier; Todd M. Racine Bandhauer
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2007-06-08
Filing date: 2008-09-23
Publication date: 2009-06-10
Also published as: US20080302113A1; JP2009008383A; DE102008027448A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Kühlsystem bereit, welches einen ersten Kältemittelkreislauf umfasst, welcher einen ersten Wärmetauscher umfasst zum Übertragen von Wärme von dem Kältemittel, einen zweiten Kältemittelkreislauf, welcher einen zweiten Wärmetauscher umfasst zum Übertragen von Wärme auf das Kältemittel, und einen dritten Kältemittelkreislauf. Der dritte Kältemittelkreislauf umfassen einen Kompressor, einen Kondensator, welcher verbunden ist mit dem ersten Kältemittelkreislauf, sodass Wärmetausch auftreten kann zwischen den Kältemitteln des ersten Kältemittelkreislaufs und Kältemittelkreisläufen, eine Expansionsvorrichtung und einen Verdampfer, welcher verbunden ist mit dem zweiten Kältemittelkreislauf, sodass Wärmetausch auftreten kann zwischen dem Kältemittel der zweiten und dritten Kältemittelkreisläufe. Das Kältemittel kann sich entlang des dritten Kältemittelkreislaufs bewegen in einer gemeinsamen Richtung während des Betriebs in sowohl dem Heiz- als auch dem Kühlmodus. Das Kältemittel kann daran gehindert werden, sich während des Betriebs in den Heiz- und den Kühlmoden zwischen den ersten, zweiten und dritten Kältemittelkreisläufen zu bewegen.

Description

VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der US Provisional Patentanmeldung mit der Seriennummer 60/933713 welche am 8. Juni 2007 eingereicht wurde, wobei der gesamte Inhalt dieser Anmeldung hierin unter Bezugnahme aufgenommen wird.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kühlsystem und ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlsystems und insbesondere auf ein Kühlsystem welches sowohl einen Luftheizungs- oder Wärmepumpenmodus aufweist als auch einen Airconditioning- oder Kühlungsmodus.
ZUSAMMENFASSUNG
Prinzipiell kann ein CO₂ Wärmepumpensystem umgeschaltet werden von einem Wärmepumpen oder Heizmodus (HP) zu einem Airconditioning- oder Kühl-(A/C)-Modus durch Ändern der Strömungsrichtung in dem Systemzyklus sodass der A/C-Modus Verdampfer betrieben wird als ein HP-Modus Gaskühler, und wobei der A/C-Modus Gaskühler betrieben wird als ein HP-Modus Verdampfer. Es gibt jedoch praktische Begrenzungen für dieses Verfahren, welche umfassen aber nicht beschränkt sind auf das Erfordernis von Ventilen welche in der Lage sind CO, unter Hochdruck aufzunehmen, geeignet dimensionierte Akkumulatoren, und Wärmetauscher in einem solchen System welche in der Lage sind höheren Systemdrücken für ein vollständig reversibles System zu widerstehen.
In Übereinstimmung mit einem Merkmal der vorliegenden Erfindung wird ein Kühlsystem bereitgestellt welches betrieben werden kann sowohl in einem HP als auch in einem A/C-Modus ohne dass die generelle Richtung des Kältemittelstroms durch das System verändert wird. Dies wird erreicht durch den Einsatz von zwei sekundären Kühlschleifen und das Hinzufügen eines zusätzlichen Wärmetauschers. Eine gewünschte Anwendung für dieses System ist die Kabinenheizung und Kühlung welche erforderlich ist für einen LKW im Standbetrieb. In solchen Ausführungsformen kann das CO₂ verwendet werden als ein Kältemittel in zumindest einem Kältemittelkreislauf.
In manchen Ausführungsformen stellt die Erfindung ein Kältemittelsystem bereit mit sowohl einem Heizmodus zur Bereitstellung von Wärme für einen Laderaum als auch einem Kühlungsmodus zum Abführen von Wärme aus dem Laderaum. Das System kann einen ersten Kältemittelkreislauf umfassen welcher einen ersten Wärmetauscher umfasst zum Übertragen von Wärme von dem Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs auf Luft, einen zweiten Kältemittelkreislauf welcher einen zweiten Wärmetauscher umfasst zum Übertragen von Wärme von der Luft auf Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs, und einen dritten Kältemittelkreislauf. Der dritte Kältemittelkreislauf kann einen Kompressor umfassen zum Erhöhen des Drucks des Kältemittels des dritten Kältemittelkreislaufs, einen Kondensator welcher verbunden ist mit dem Kompressor zum Empfangen des Kältemittels von dem Kompressor und welcher verbunden ist mit dem ersten Kältemittelkreislauf, sodass Wärmeaustausch auftreten kann zwischen dem Kältemittel welches sich durch den ersten Kältemittelkreislauf bewegt und dem Kältemittel welches sich durch den dritten Kältemittelkreislauf bewegt, eine Expansionsvorrichtung zur Verminderung des Drucks des Kältemittels des dritten Kältemittelkreislaufs und einen Verdampfer welcher verbunden ist mit der Expansionsvorrichtung und welcher verbunden ist mit dem zweiten Kältemittelkreislaufs, sodass Wärmeaustausch auftreten kann zwischen dem Kältemittel welches sich durch den zweiten Kältemittelkreislauf bewegt und dem Kältemittel welches sich durch den dritten Kältemittelkreislauf bewegt. Das Kältemittel kann sich entlang des Kältemittelkreislaufs bewegen in einer gemeinsamen Richtung während des Betriebs in sowohl dem Heizmodus als auch dem Kühlmodus. Das Kältemittel kann daran gehindert werden sich zwischen dem ersten Kältemittelkreislauf, dem zweiten Kältemittelkreislauf und dem dritten Kältemittelkreislauf zu bewegen während des Betriebs in den Heiz- und Kühlmoden.
In manchen Ausführungsformen stellt die vorliegende Erfindung ein Kältemittelsystem bereit welches sowohl einen Heizmodus zur Bereitstellung von Wärme für einen Laderaum aufweist als auch einen Kühlmodus zum Entfernen von Wärme aus dem Laderaum. Das Kältemittelsystem kann einen Kältemittelkreislauf aufweisen welches sich erstreckt zwischen einem Kompressor, einem Verdampfer, einer Expansionsvorrichtung und einem Kondensator. Der erste Kältemittelkreislauf kann einen Strömungspfad definieren für ein Kältemittel welches sich in einer Richtung entlang des Kältemittelkreislaufs bewegt während des Betriebs des Kältemittelsystems in dem Heizmodus und dem Kühlmodus. Das Kühlsystem kann auch einen zweiten Kältemittelkreislauf umfassen welcher sich zwischen dem Kondensator und einem Wärmetauscher erstreckt, wobei der zweite Kältemittelkreislauf eine erste Kältemittelpumpe umfasst, und ein dritter Kältemittelkreislauf erstreckt sich zwischen dem Verdampfer und dem Wärmetauscher. Der dritte Kältemittelkreislauf kann eine zweite Kältemittelpumpe umfassen. Die zweite Kältemittelpumpe kann während des Betriebs im Heizmodus betrieben werden und kann während des Betriebs im Kühlmodus im Leerlauf sein.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren bereit zum Betreiben eines Kühlsystems. Das Verfahren kann die Schritte umfassen des Leitens eines Kältemittels entlang eines Kältemittelkreislaufs in einer Richtung zwischen einem Kompressor, einem Verdampfer, einer Expansionsvorrichtung und einem Kondensator während des Betriebs des Kältemittelsystems in einem Kühlmodus, das Betreiben einer ersten Pumpe wenn das Kühlsystem in dem Kühlmodus betrieben wird, um Kältemittel durch einen Wärmetauscher zu zirkulieren, und Übertragen von Wärme von einem Laderaum auf das Kältemittel in dem Kältemittelkreislauf während das Kältemittelsystem in dem Kühlmodus betrieben wird. Das Verfahren kann auch die Schritte umfassen des Stoppens der ersten Pumpe wenn das Kältemittelsystem in einem Heizmodus betrieben wird, Leiten des Kältemittels entlang des Kältemittelkreislaufs in der Richtung während des Betriebs des Kältemittelsystems in dem Heizmodus, Betreiben einer zweiten Pumpe wenn das Kühlsystem in dem Heizmodus betrieben wird um Kältemittel durch den Wärmetauscher in Wärmetauschbeziehung mit dem Kältemittel des Kältemittelkreislaufs zu zirkulieren, und Übertragen von Wärme auf den Laderaum von dem Kältemittel in dem Kältekreislauf wenn das Kühlsystem in dem Heizmodus betrieben wird.
Andere Aspekte der Erfindung werden offensichtlich bei der Betrachtung der detaillierten Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A ist eine schematische Darstellung eines Kühlsystems in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und zeigt das Kühlsystem in einem Kühlmodus.
1B ist eine schematische Darstellung des Kühlsystems gemäß 1A und zeigt das Kühlsystem in einem Heizmodus.
2A ist eine schematische Darstellung eines Kühlsystems in Übereinstimmung mit einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und zeigt das Kühlsystem in einem Kühlmodus.
2B ist eine schematische Darstellung des Kühlsystems gemäß 2A und zeigt das Kühlsystem in einem Heizmodus.
3A ist eine schematische Darstellung eines Kühlsystems in Übereinstimmung mit einer anderen alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und zeigt das Kühlsystem in einem Kühlmodus.
3B ist eine schematische Darstellung des Kühlsystems gemäß 3A und zeigt das Kühlsystem in einem Heizmodus.
4A ist eine schematische Darstellung eines Kühlsystems in Übereinstimmung mit noch einer anderen alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und zeigt das Kühlsystem in einem Kühlmodus.
4B ist eine schematische Darstellung des Kühlsystems gemäß 4A und zeigt das Kühlsystem in einem Heizmodus.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Bevor irgendwelche Ausführungsformen der Erfindung im Detail erläutert werden sollte verstanden werden dass die Erfindung nicht beschränkt wird in ihrer Anwendung auf die Details der Konstruktion und der Anordnung der Komponenten wie sie in der nachfolgenden Beschreibung erläutert wird oder in den folgenden Zeichnungen veranschaulicht wird. Die Erfindung umfasst andere Ausführungsformen und kann praktiziert oder ausgeführt werden auf verschiedene Arten und Weisen. Es soll auch Verstanden werden dass die Ausdrucksweise und die Terminologie welche hier verwendet wird zum Zwecke der Beschreibung dienen und nicht als einschränkend betrachtet werden sollten. Die Verwendung der Begriffe „umfassen", „aufweisen" oder „mit" und Variationen dieser Begriffe sind hier so zu verstehen dass sie die Gegenstände umfassen welche danach aufgelistet werden und Äquivalente davon sowie zusätzliche Gegenstände. Soweit nicht spezifiziert oder anderweitig begrenzt werden die Begriffe „befestigt", „verbunden", „gelagert" und „gekoppelt" und Variationen davon breit verwendet und umfassen sowohl direkte als auch indirekte Befestigungen, Verbindungen, Lagerungen und Kupplungen. Des Weiteren sind die Begriffe „verbunden", „gekoppelt" nicht beschränkt auf physikalische oder mechanische Verbindungen oder Kopplung.
Es sollte auch verstanden werden, dass die Ausdrucksweise und die Terminologie welche hierin verwendet werden unter Bezugnahme auf die Vorrichtungs- oder Teilausrichtung (wie beispielsweise Begriffe wie „zentral", „obere", „untere", „Vorder-, „Hinter-„ und Ähnliche) nur verwendet werden, um die Beschreibung der vorliegenden Erfindung zu vereinfachen und nicht alleine andeuten oder implizieren dass die Vorrichtung oder das Teil welches bezeichnet wird eine bestimmte Ausrichtung haben muss. Zusätzlich werden Begriffe wie „erstes", „zweites" und „drittes" hier zum Zwecke der Beschreibung verwendet und beabsichtigen nicht eine relative Wichtigkeit oder Signifikanz anzudeuten oder zu implizieren.
Die 1A und 1B zeigen eine schematische Darstellung eines Kühlsystems 10 in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Während des Betriebs in einem Airconditioning- oder Kühl-(A/C)-Modus, verlässt ein Kältemittel wie beispielsweise CO₂ ein Kompressor 12 und tritt ein in einen ersten Verdampfer, welcher in der veranschaulichten Ausführungsform gemäß den 1A und 1B ein luftgekühlter Gaskühler 14 ist. In der Ausführungsform welche in 1A gezeigt wird, wird der Strom des Kältemittels durch drei durchgezogene Pfeile gezeigt. In Abhängigkeit von einer oder mehreren der Betriebsbedingungen, der angestrebten Heiz- oder Kühlleistung, und dem Typ von Kältemittel welches verwendet wird, kann das Kältemittel in einem superkritischen Zustand aus dem Kompressor austreten.
Während hierin Bezug genommen wird auf die Verwendung von CO₂ als Kältemittel, können in manchen Ausführungsformen andere Kältemittel verwendet werden welche umfassen aber nicht begrenzt sind auf Wasser, R12, Motorkühlmittel und andere organische Kältemittel, R245fa, Glykol, Luft und Ähnliches können auch oder alternativ verwendet werden. Wie in 1A gezeigt kann ein Gebläse 16 positioniert werden neben oder entlang eines Luftstrompfads welches sich auf den luftgekühlten Gaskühler 14 öffnet, um Wärme aus dem Gaskühler 14 abzugeben an die Umgebung mittels eines Transfers von Wärme von dem Kältemittel an einen Umgebungsluftstrom welcher durch das Gebläse 16 bereitgestellt wird.
Das Kältemittel kann dann eintreten in einen zweiten Verdampfer, welcher, in der veranschaulichten Ausführungsform gemäß 1A, ein flüssigkeitsgekühlter Gaskühler 18 ist welcher gekühlt wird durch eine zweite Hochtemperatur-Kühlschleife 19. In der dargestellten Ausführungsform gemäß 1A, strömt ein flüssiges Kühlmittel durch die Schleife 19 während des A/C-Betriebs (möglicherweise bei einer niedrigeren Massenstromrate als das Kältemittel von dem luftgekühlten Gaskühler 14) um weiter die Temperatur des Kältemittels zu reduzieren jedoch kann im Vergleich zu dem luftgekühlten Gaskühler 14 die Wärmeleistung des flüssigkeitsgekühlten Gaskühlers 18 die Wärmeleistung des flüssigkeitsgekühlten Gaskühlers 18 klein sein. In anderen Ausführungsformen kann die Wärmebelastung des flüssigkeitsgekühlten Gaskühlers 18 im Wesentlichen gleich oder größer sein als die Wärmebelastung welche der luftgekühlte Gaskühler 14 aufweist, in Abhängigkeit von einer oder mehrerer der relativen Größen und Kühlkapazitäten des luftgekühlten Gaskühlers 14 und des flüssigkeitsgekühlten Gaskühlers 18, wobei die Massenstromraten der Kältemittel- und Kühlmittelströme durch und über den luftgekühlten Gaskühler 14 und den flüssigkeitsgekühlten Gaskühler 18, dem Vorhandensein oder der Abwesenheit eines Gebläses 16 für den luftgekühlten Gaskühler 14, und den Typen und Kühlkapazitäten der Kühlmittel welche in dem luftgekühlten Gaskühler 14 und dem flüssigkeitsgekühlten Gaskühler 18 verwendet werden.
Wie in 1A gezeigt, kann von dem flüssigkeitsgekühlten Gaskühler das Kältemittel eintreten in die Hochdruckseite eines Saugleitungswärmetauschers (SLHX) 20 für noch mehr Kühlung bevor es durch eine Expansionsvorrichtung oder ein Ventil 22 hindurchgeht. Nachdem das Kältemittel aus dem Expansionsventil 22 austritt, kann das Kältemittel in einen Luft-zu-Kältemittelverdampfer 24 eintreten. Ein Gebläse (nicht gezeigt) kann positioniert werden neben oder entlang eines Luftstrompfads welcher sich auf den Verdampfer 24 öffnet. In manchen Ausführungsformen kann das Gebläse abgeschaltet werden während Perioden mit vermindertem Kühlmittelbedarf und/oder um den Stromverbrauch zu reduzieren und die Effektivität des Kühlsystems 10 zu erhöhen. In Ausführungsformen in denen das Gebläse abgeschaltet werden kann oder bei einer verminderten Geschwindigkeit betrieben werden kann, kann die Heizleistung des Verdampfers 24 vermindert sein auf weniger als die Wärmeleistung des Flüssigkeit-zu-Kältemittel Verdampfers 26 welcher das Kältemittel von dem Wärmetauscher 24 empfängt.
In dem Flüssigkeit-zu-Kältemittel Verdampfer 26 kann das Kältemittel verdampfen wobei es Wärmeenergie aufnimmt von und dadurch ein Kühlmittel (z. B. Glykol, Wasser, R12, Motorkühlmittel, jegliches organisches Kältemittel, R245fa, Luft, und Ähnliches) herunterkühlt, welches durch den Flüssigkeit-zu-Kältemittel Verdampfer 26 strömt von einer anderen zweiten Niedrigtemperatur Kühlmittelschleife 28. Es sollte festgehalten werden dass der luftgeheizte Verdampfer 24 platziert werden kann entweder stromaufwärts oder stromabwärts von dem flüssigkeitsgeheizten Verdampfer 24 bezüglich des Stroms des Kältemittels. Das gleiche gilt für den flüssigkeitsgekühlten Gaskühler 18 bezüglich des luftgekühlten Gaskühlers 14. Es kann jedoch wünschenswert sein ein übermäßiges Heizen und/oder Kochen der sich langsam bewegenden oder stagnierenden Flüssigkeit in dem flüssigkeitsgekühlten Gaskühler 18 während des Betriebs des Kältemittelsystems 10 in dem A/C-Modus zu vermeiden.
Nach dem Durchströmen des Verdampfers 26 kann das Kältemittel Wärme aus dem Hochdruckkältemittel in dem SLHX 20 abziehen. Ein Akkumulator (nicht gezeigt in den 1A–2B) kann stromaufwärts von dem SLHX 20 positioniert werden auf der Niedrigdruckseite. Der Akkumulator kann eine separate Einheit sein, oder alternativ kann er direkt integriert sein in dem SLHX 20.
Zusätzlich zu dem flüssigen Kältemittelverdampfer 26, kann die Niedrigtemperatur Kühlmittelschleife 28 eine Pumpe 29 umfassen zum Bewegen des flüssigen Kühlmittels durch die Flüssigkeitsleitung des Verdampfers 26. Während Wärme von dem Kühlmittel auf das Kältemittel in dem Verdampfer 26 übertragen wird, kann ein Wärmetauscherkühlerkern 30 welcher in einem Innenraum 32 befestigt sein kann, wie beispielsweise der Kabine eines Lastkraftwagens oder eines anderen Fahrzeugs, betrieben werden, um Wärme abzuführen von dem Niedrigtemperaturkühlmittel in der Kühlschleife 28. Der Kühlerkern 30 kann ausgestattet sein mit einem Luftbeweger 34, wie beispielsweise einem Propeller oder Gebläse, und kann die Luft innerhalb des Raums 32 herunterkühlen und/oder Feuchtigkeit aus der Luft in dem Raum 32 entfernen. In manchen Ausführungsformen kann, wenn der Luftstrom durch oder über den Wärmetauscher 30 unterhalb dem Taupunkt gekühlt wird, eine kleine Menge an flüssigen Kühlmittel zirkuliert werden durch die heiße Kühlmittelschleife 19 um die Luft wieder aufzuheizen welche eintritt in die Kabine (wie durch die drei gestrichelten Pfeile gezeigt).
1B zeigt eine schematische Darstellung des Kühlsystems 10 während des Betriebs in dem Heiz(HP)-Modus. Wie mittels der drei durchgezogenen Pfeile gezeigt, strömt das Kältemittel durch das System 10 in derselben Richtung wie oben beschrieben mit Bezug auf den Betrieb im A/C-Modus. Das Gebläse 16 neben dem luftgekühlten Gaskühler 14 ist jedoch deaktiviert und Hochtemperaturflüssig-Kühlmittel wird mittels einer Pumpe 35 durch die Hochtemperaturkühlmittelschleife 19 gepumpt, um eine Kühlung bereitzustellen für das Kältemittel in dem flüssigkeitsgekühlten Gaskühler 18. In der kalten Temperaturschleife 28 wird die Kältepumpe 29 abgeschaltet und das Luft-zu-Kältemittel Gebläse 34 kann aktiviert werden. Dies gestattet ein zusätzliches Heizen innerhalb des Raums 32 durch den Transfer von Wärme von dem Hochtemperaturkühlmittel auf den Luftstrom in einem Luft-zu-Kühlmittel Wärmetauscherheizerkern 36. Um den Leistungskoeffizient (COP) des Systems 10 zu erhöhen wenn bei kühlem Wetter im HP-Modus gearbeitet wird, kann ein Abwärmeluftstrom 40 von einer Abwärmequelle 42, wie beispielsweise einem Kühlsystem 43 für eine Hilfsleistungseinheit 44, durch den Luft-zu-Kältemittel Verdampfer 24 geleitet werden.
In anderen Ausführungsformen kann die Abwärmequelle 42 und/oder eine andere Abwärmequelle 42 auch oder alternativ Wärme bereitstellen für einen Flüssigkeit-zu-Wärmetauscher Verdampfer oder einen integrierten Hilfsleistungseinheit-(APU)Stapelkühler oder eine Verdampferkühlmittelschleife. Im letzteren Fall, kann die Abwärmequelle 42 die Notwendigkeit für einen extra luftgeheizten Verdampfer beseitigen und der „Kühler"-Kern kann Wärme an die Raumluft liefern.
Die 2A und 2B veranschaulichen eine alternative Ausführungsform eines Kühlsystems 10 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Das Kühlsystem welches in den 2A und 2B gezeigt wird ist ähnlich in vielen Belangen zu den veranschaulichten Ausführungsformen gemäß den 1A und 1B welche oben beschrieben wurden. Demgemäß wird, mit Ausnahme von wechselseitig inkonsistenten Merkmalen und Elementen zwischen den Ausführungsformen gemäß den 2A und 2B und den Ausführungsformen gemäß den 1A und 1B hierin Bezug genommen auf die Beschreibung oben welche die Ausführungsformen der 1A und 1B betrifft für eine vollständigere Beschreibung der Merkmale und Elemente (und die Alternativen zu den Merkmalen und Elementen) der Ausführungsformen gemäß den 2A und 2B.
Die 2A illustriert eine einfache Version des Kühlsystems 10. In dieser Ausführungsform des Kühlsystems 10, sind die Niedrigtemperaturfluidschleife 28, die Hochtemperaturschleife 19 und die Kühlmittelleitungen 46 eines APU-Kühlmittelsystems 43 direkt ineinander verlötet und lediglich eine Flüssigkeitspumpe 47 (nicht in der APU-Kühlmittelschleifenpumpe enthalten) ist erforderlich für die Schleifen 19 und 28.
Wie in 2A gezeigt, kann eine Matrix 48 von Flüssigkeitsventilen 50, 52, 54, 56, 58 und 59 verwendet werden, um die Kühlmittelströme zu der gewünschten Stelle während der HP und A/C-Moden zu leiten. Dies gestattet die Entfernung des Luft-zu-Kältemittel Verdampfers 24 und dass die Funktionen der Kühler und Heizerkerne 30 und 36 kombiniert werden in einem Wärmetauscher in der Form eines Heizer/Kühlerkerns 60.
Beispielsweise wird während des Betriebs in einem A/C-Modus, durch Öffnen des Ventils 59 (nicht schattiert gezeigt), Schließen der Ventile 56 und 58 (schattiert gezeigt), Öffnen der Ventile 52 und 54 und Schließen des Ventils 50, das APU-Kühlmittel nicht in die Niedrigtemperaturschleife 28 eintreten (welche den Verdampfer 26 heizt), und kein Kühlmittel wird über die Hochtemperaturschleife 19 zu dem flüssigkeitsgekühlten Gaskühler 18 geleitet, während das Kühlmittel in der Niedrigtemperaturschleife 28 Wärme an das Kältemittel in dem Verdampfer 26 abführt und Wärme von dem Luftstrom aufnimmt welcher durch den Heizer/Kühlerkern 60 hindurchgeht. In manchen Anwendungen kann es wünschenswert sein dass eine kleine Menge an gekühlter Flüssigkeit durch das Ventil 50 und den flüssigkeitsgekühlten Gaskühler 18 hindurchgeht. Dies kann der Kältemitteltemperatur gestatten unter die Umgebungstemperatur zu fallen, wodurch das System COP potenziell verbessert wird.
Wie in 2B gezeigt, kann in dem HP-Modus, durch Schließen oder Modulieren des Ventils 52 (nicht schattiert gezeigt), Öffnen der Ventile 56 und 58 (nun unschattiert gezeigt), Schließen der Ventile 52 und 54 und Öffnen des Ventil 50, das APU-Kühlmittel geleitet werden zu dem Flüssigkeit-zu-Kältemittel Verdampfer 26, und anschließend direkt zurück zu dem APU 44 zirkuliert werden ohne durch den kombinierten Heizer/Kühlerkern 60 hindurch zu gehen, während das Kühlmittel in der Hochtemperaturschleife 19 durch den flüssigkeitsgekühlten Gaskühler 18 hindurch zirkuliert, um Wärme aufzunehmen von dem Kältemittel und anschließend durch den Heizer/Kühlerkern 60 um Wärme abzuleiten von dem Luftstrom welcher durch diesen hindurchgeht.
Die 3A und 3B veranschaulichen eine alternative Ausführungsform eines Kühlsystems 10 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Das Kühlsystem welches in den 3A und 3B gezeigt wird ist ähnlich in vieler Hinsicht zu den veranschaulichten Ausführungsformen der 1A–2B welche oben beschrieben wurden. Demgemäß, wird mit Ausnahme der wechselseitig inkonsistenten Merkmale und Elemente zwischen der Ausführungsform gemäß den 3A und 3B und den Ausführungsformen der 1A–2B hierin Bezug genommen auf die Beschreibung oben, welche die Ausführungsformen der 1A–2B umfasst im Hinblick auf eine vollständigere Beschreibung der Merkmale und Elemente (und der Alternativen zu den Merkmalen und Elementen) der Ausführungsformen gemäß den 3A und 3B.
Das Kühlsystem 10 gemäß den 3A und 3B unterscheidet sich von demjenigen der 1A und 1B darin dass der Luft-zu-Kältemittelverdampfer 24 beseitigt und ersetzt wurde durch einen luftgeheizten Kühlmittelwärmetauscher 66 welcher eingesetzt wurde in einen Bypass 68 in der Niedrigtemperaturfluidschleife 28, wobei ein Dreiwegeventil 70 (oder eine Serie von zwei Wegeventilen) den Strom des Kühlmittels durch den Kühlerkern 30 steuert und den umgebungsluftgeheizten Kühlmittelwärmetauscher 66.
Wie in 3A gezeigt, kann während des Betriebs des A/C-Modus das Ventil 70 Kühlmittel durch den Kühlerkern 30 leiten eher als durch den Wärmetauscher 66, sodass das Kühlmittel welches in der Niedrigtemperaturschleife 28 fließt Wärme absorbieren kann von dem Luftstrom welcher durch den Kühlerkern 30 hindurchgeht. Der Betrieb der Hochtemperaturschleife kann im Wesentlichen ähnlich sein wie bei der Version des Systems in den 1A und 1B. Es sollte gewürdigt werden, dass der Wärmetauscher 66 ersetzt werden könnte durch jeden anderen Typ von Wärmetauscher welcher jede andere Wärmequelle verwenden würde wie beispielsweise einen Flüssigkeitsabwärmestrom von einem Generator.
Wie in 3B gezeigt wird während des Betriebs in dem HP-Modus das Ventil 70 verwendet um das Kühlmittel durch den Wärmetauscher 66 zu leiten eher als durch den Kühlerkern 30, sodass Wärme von der Umgebungsluft welche durch den Wärmetauscher 66 hindurchgeht übertragen wird auf das Kühlmittel welches in der Niedrigtemperaturschleife 28 strömt.
Die 4A und 4B veranschaulichen eine alternative Ausführungsform eines Kühlsystems in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung. Das Kühlsystem welches in den 4A und 4B gezeigt wird ist ähnlich in vielerlei Hinsicht zu demjenigen welches in den Ausführungsformen gemäß den 1A–3B veranschaulicht wird welche oben beschrieben wurden. Demgemäß wird, mit Ausnahme von wechselseitig inkonsistenten Merkmalen und Elementen zwischen den Ausführungsformen gemäß den 4A und 4B und den Ausführungsformen gemäß den 1A–3B hierin Bezug genommen auf die obige Beschreibung welche die Ausführungsformen gemäß den 1A–3B umfasst im Hinblick auf eine vollständigere Beschreibung der Merkmale und Elemente (und der Alternativen der Merkmale und Elemente) der Ausführungsformen gemäß den 4A und 4B.
Wie in den 4A und 4B gezeigt unterscheidet sich das System 10 von demjenigen gemäß den 1A und 1B dadurch, dass der flüssigkeitsgekühlte Gaskühler 14 und der Luft-zu-Kältemittelverdampfer 24 jeweils entfernt wurden, wobei die Funktion des Kühlers und der Wärmetauscherkerne 30 und 36 kombiniert wurden in einem Heizer/Kühlerkern 60 wie es im Zusammenhang mit den 2A und 2B diskutiert wurde, und ein luftgeheizter Kühlmittelwärmetauscher 66, wie er in Zusammenhang mit den 3A und 3B diskutiert wurde, wurde verlötet in sowohl die Hochtemperaturschleife 19 als auch die Niedrigtemperaturschleife 28 mit einem Dreiwegeventil 74 (oder einer Serie von Zweiwegeventilen) welche bereitgestellt werden in der Hochtemperaturschleife 19 und einem Dreiwegeventil 78, welches in der Niedrigtemperaturschleife 28 bereitgestellt wird, um den Kühlmittelstrom in beiden Schleifen 19 und 20 durch die Wärmetauscher 60 und 66 zu steuern.
Wie in 4A gezeigt leitet während des Betriebs in dem A/C-Modus das Ventil 78 das Kühlmittel in der Niedrigtemperaturschleife 19 durch den Kern 60, eher als durch den Wärmetauscher 66 um Wärme abzuführen aus der Kabine 32 und das Ventil 74 leitet das Kühlmittel von der Hochtemperaturschleife 19 durch den Wärmetauscher 66 eher als durch den Kern 60 um Wärme abzugeben welche absorbiert wird durch das Kühlmittel von dem Gaskühler 18 an den Umgebungsluftstrom durch den Wärmetauscher 66.
Wie in 4B gezeigt wird während des Betriebs in dem HP-Modus das Kühlmittel in der Hochtemperaturschleife 19 von dem Ventil 74 durch den Heizer/Kühlerkern 60 geleitet, eher als durch den Wärmetauscher 66, während das Ventil 78 in der Niedrigtemperaturschleife 28 das Kühlmittel durch den Wärmetauscher 66 leitet, eher als durch den Heizer/Kühlerkern 60, um Wärme zu absorbieren von der Umgebungsluft welche durch den Wärmetauscher 68 strömt.
Die Ausführungsformen welche oben beschrieben und in den Figuren illustriert wurden, werden lediglich als Beispiele präsentiert und beabsichtigen nicht die Konzepte und Prinzipien der vorliegenden Erfindung einzuschränken. Es sollte von den Fachleuten gewürdigt werden, dass verschiedenartige Veränderungen möglich sind.

Claims

Ein Kühlsystem welches sowohl einen Heizmodus zur Bereitstellung von Wärme für einen Laderaum als auch ein Kühlmodus zum Abführen von Wärme aus dem Laderaum bereitstellt wobei das System aufweist: einen ersten Kältemittelkreislauf welcher einen ersten Wärmetauscher umfasst zum Übertragen von Wärme von einem Kältemittel des ersten Kältemittelkreislaufs auf Luft; einen zweiten Kältemittelkreislauf welcher einen zweiten Wärmetauscher umfasst zum Übertragen von Wärme von der Luft auf Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufs; und einen dritten Kältemittelkreislauf welcher umfasst: einen Kompressor zum Erhöhen des Drucks des Kältemittels des dritten Kältemittelkreislaufs; einen Kondensator welcher verbunden ist mit dem Kompressor zur Aufnahme von Kältemittel von dem Kompressor und welcher verbunden ist mit dem ersten Kältemittelkreislauf sodass Wärmeaustausch auftreten kann zwischen dem Kältemittel welches sich durch den ersten Kältemittelkreislauf bewegt und dem Kältemittel welches sich durch den dritten Kältemittelkreislauf bewegt; eine Expansionsvorrichtung zum Reduzieren des Drucks des Kältemittels des dritten Kältemittelkreislaufs; und einen Verdampfer welcher verbunden ist mit der Expansionsvorrichtung und verbunden ist mit dem zweiten Kältemittelkreislauf, sodass Wärmetausch auftreten kann zwischen dem Kältemittel welches sich durch den zweiten Kältemittelkreislauf bewegt und dem Kältemittel welches sich durch den dritten Kältemittelkreislauf bewegt, wobei sich das Kältemittel in einer gemeinsamen Richtung entlang des dritten Kältemittelkreislaufs bewegt während des Betriebs in sowohl dem Heizmodus als auch dem Kühlmodus; wobei das Kältemittel daran gehindert wird sich während des Betriebs in den Heiz/Kühlmoden zwischen dem ersten Kältemittelkreislauf, dem zweiten Kältemittelkreislauf und dem dritten Kältemittelkreislauf zu bewegen.
Das Kühlsystem gemäß Anspruch 1 wobei der Kondensator ein flüssigkeitsgekühlter Gaskühler ist.
Das Kühlsystem gemäß Anspruch 2, weiterhin aufweisend einen luftgekühlten Gaskühler welcher in Serie verbunden ist mit dem flüssigkeitsgekühlten Gaskühler und zumindest entweder mit dem Kompressor oder mit der Expansionsvorrichtung.
Das Kühlsystem gemäß Anspruch 1 wobei der Verdampfer ein flüssigkeitsgeheizter Verdampfer ist.
Das Kühlsystem gemäß Anspruch 4, weiterhin aufweisend einen luftgeheizten Verdampfer welcher in Serie verbunden ist mit dem flüssigkeitsgeheizten Verdampfer und zumindest mit entweder der Expansionsvorrichtung oder dem Kompressor.
Das Kühlsystem gemäß Anspruch 1 weiterhin aufweisend einen Saugleitungswärmetauscher welcher verbunden ist mit dem Kondensator, dem Expansionsventil, dem Verdampfer und dem Kompressor entlang des dritten Kältemittelkreislaufs.
Das Kühlsystem gemäß Anspruch 1 wobei das Kältemittel des dritten Kältemittelkreislaufs Kohlenstoffdioxid ist.
Das Kühlsystem gemäß Anspruch 1, wobei der erste Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher in einem einzigen Wärmetauscher kombiniert werden.
Das Kühlsystem gemäß Anspruch 1, weiterhin aufweisend eine Wärmequelle welche getrennt ist von den ersten, zweiten und dritten Kreisläufen zur Bereitstellung von Wärme für das Kühlsystem während des Betriebs in dem Heizmodus.
Ein Kühlsystem welches sowohl einen Heizmodus zur Bereitstellung von Wärme für einen Laderaum als auch einen Kühlmodus zum Abführen von Wärme aus dem Laderaum aufweist wobei das Kühlsystem aufweist: einen ersten Kältemittelkreislauf welcher sich erstreckt zwischen einem Kompressor, einem Verdampfer, einer Expansionsvorrichtung und einem Kondensator wobei der erste Kältemittelkreislauf einen Strömungspfad definiert für ein Kältemittel welches sich in einer Richtung entlang des Kältemittelkreislaufs während des Betriebs des Kühlsystems in dem Heizmodus und in dem Kühlmodus bewegt; einen zweiten Kältemittelkreislauf welcher sich erstreckt zwischen dem Kondensator und einem Wärmetauscher, wobei der zweite Kältemittelkreislauf eine erste Kältemittelpumpe umfasst; und einen dritten Kältemittelkreislauf welcher sich erstreckt zwischen dem Verdampfer und dem Wärmetauscher, wobei der dritte Kältemittelkreislauf eine zweite Kältemittelpumpe umfasst, wobei die zweite Kältemittelpumpe betrieben wird während des Betriebs in dem Heizmodus und stillsteht während des Betriebs in dem Kühlmodus.
Das Kühlsystem gemäß Anspruch 10, wobei der zweite Kältemittelkreislauf getrennt ist von dem ersten Kältemittelkreislauf sodass das Kältemit tel daran gehindert wird sich zwischen dem ersten und zweiten Kältemittelkreisläufen zu bewegen, wobei der zweite Kältemittelkreislauf sich erstreckt durch den Kondensator sodass Wärmetausch auftreten kann zwischen dem Kältemittel welches sich durch die erste Kältemittelschleife bewegt und einem Kältemittel welches sich durch den zweiten Kältemittelkreislauf bewegt.
Das Kühlsystem gemäß Anspruch 10, wobei der dritte Kältemittelkreislauf getrennt ist von dem ersten Kältemittelkreislauf sodass das Kältemittel daran gehindert wird sich zwischen dem ersten und dritten Kältemittelkreisläufen zu bewegen, wobei der dritte Kältemittelkreislauf sich erstreckt durch den Verdampfer sodass ein Wärmetausch auftreten kann zwischen dem Kältemittel welches sich durch den ersten Kältemittelkreislauf bewegt und einem Kältemittel welches sich durch den dritten Kältemittelkreislauf bewegt.
Das Kühlsystem gemäß Anspruch 10, wobei der erste Kältemittelkreislauf einen Saugleitungswärmetauscher umfasst.
Das Kühlsystem gemäß Anspruch 10, wobei der Wärmetauscher einen ersten Wärmetauscherkern umfasst und einen zweiten Wärmetauscherkern, wobei der erste Wärmetauscherkern zu dem zweiten Kältemittelkreislauf gehört, und wobei der zweite Wärmetauscher zu dem dritten Kältemittelkreislauf gehört.
Das Kühlsystem gemäß Anspruch 10, weiterhin aufweisend eine Wärmequelle welche getrennt ist von den ersten, zweiten und dritten Kältemittelkreisläufen zum Bereitstellen von Wärme für das Kühlsystem während des Betriebs in dem Heizmodus.
Das Kühlsystem gemäß Anspruch 10, wobei der Verdampfer ein flüssigkeitsgeheizter Verdampfer ist und wobei der Kondensator ein flüssigkeitsgekühlter Gaskühler ist.
Das Kühlsystem gemäß Anspruch 16, weiterhin aufweisend einen luftgekühlten Gaskühler welcher in Serie verbunden ist mit dem flüssigkeitsgekühlten Gaskühler.
Das Kühlsystem gemäß Anspruch 16, weiterhin aufweisend einen luftgeheizten Verdampfer welcher in Serie verbunden ist mit dem flüssigkeitsgeheizten Verdampfer.
Ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Leiten eines Kältemittels entlang eines Kältemittelkreislaufs in einer Richtung zwischen einem Kompressor, einen Verdampfer, einer Expansionsvorrichtung und einem Kondensator während des Betriebs des Kühlsystems in einem Kühlmodus; Betreiben einer ersten Pumpe wenn das Kühlsystem betrieben wird in dem Kühlmodus um Kältemittel durch einen Wärmetauscher zu zirkulieren; Übertragen von Wärme von einem Laderaum auf das Kältemittel in dem Kältemittelkreislauf wenn das Kühlsystem in dem Kühlmodus betrieben wird; Stoppen der ersten Pumpe wenn das Kühlsystem betrieben wird in einem Heizmodus; Leiten des Kältemittels entlang des Kältemittelkreislaufs in der Richtung während des Betriebs des Kühlsystems in dem Heizmodus; Betreiben einer zweiten Pumpe wenn das Kühlsystem in dem Heizmodus betrieben wird, um Kältemittel durch den Wärmetauscher zu zirkulieren in Wärmetauschbeziehung mit dem Kältemittel des Kältekreislaufs; Übertragen von Wärme an den Laderaum von dem Kältemittel in dem Kältemittelkreislauf, wenn das Kühlsystem in dem Heizmodus betrieben wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 19, weiterhin aufweisend das Heizen des Kältemittels mit einer Wärmequelle welche getrennt ist von dem Kältemittelkreislauf während das Kühlsystem in dem Heizmodus betrieben wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 19, weiterhin aufweisend Kühlen des Kältemittels unter Verwendung eines Saugleitungswärmetauschers welcher entlang des Kältemittelkreislaufs angeordnet ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 19, weiterhin aufweisend das Heizen des Kältemittels mit einem luftgeheizten Verdampfer und einem flüssigkeitsgeheizten Verdampfer wenn das Kühlsystem in dem Kühlmodus betrieben wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 19, weiterhin aufweisend Kühlen des Kältemittels mit einem luftgekühlten Kondensator und einem flüssigkeitsgekühlten Kondensator wenn das Kühlsystem in dem Heizmodus betrieben wird.