DE102012108886A1

DE102012108886A1 - Wärmeübertrageranordnung und Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE102012108886A1
Application number: DE102012108886.1A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Graaf Marc; Navid Durrani; Roberto Della Rovere
Original assignee: Halla Visteon Climate Control Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2012-09-20
Filing date: 2012-09-20
Publication date: 2014-03-20
Anticipated expiration: 2032-09-21
Also published as: CN103673401A; JP6231337B2; JP2016166011A; CN103673401B; DE102012108886B4; US9242528B2; US20140075973A1; JP2014061877A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertrageranordnung zur Erwärmung von Luft mit einem Wärmeübertrager (8), welcher in einem Kältemittelkreislauf (60) integriert, von Kältemittel durchströmbar und mit Luft beaufschlagbar ausgebildet ist. Die Wärme wird vom Kältemittel an die Luft übertragen. Der Wärmeübertrager (8) weist zwei voneinander getrennt ausgebildete Komponenten (8a, 8b) auf. Die erste Komponente (8a) mit einer Kondensations- und einer Enthitzungsfläche ausgebildet. Die zweite Komponente (8b) weist eine Unterkühlungsfläche auf. Zwischen den Komponenten (8a, 8b) ist kältemittelseitig ein Kältemittel-Phasentrennungselement angeordnet. Der Wärmeübertrager ist als Rohrwärmeübertrager mit in Reihen angeordneten Rohren ausgebildet, wobei die erste Komponente (8a) mindestens zweireihig und die zweite Komponente (8b) mindestens einreihig ausgebildet ist. Die Luft ist auf ein Temperaturniveau erwärmbar, welches höher ist als das Temperaturniveau der Kondensation des Kältemittels. Die Erfindung betrifft zudem ein Klimatisierungssystem (1) zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraumes (9) eines Kraftfahrzeuges mit der genannten Wärmeübertrageranordnung, wobei das Klimatisierungssystem (1) für einen Kälteanlagenbetrieb und einen Wärmepumpenbetrieb zum Kühlen und zum Heizen des Fahrgastraumes (9) sowie für einen Nachheizbetrieb ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft zusätzlich Verfahren zum Betreiben des Klimatisierungssystems (1) im Nachheizbetrieb.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertrageranordnung zur Erwärmung von Luft mit einem in einem Kältemittelkreislauf integrierten Wärmeübertrager, welcher einerseits mit Kältemittel und andererseits mit Luft beaufschlagbar ist. Die Wärme wird vom Kältemittel an die Luft übertragen.
Die Erfindung betrifft zudem ein Klimatisierungssystem zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges, welches die Wärmeübertrageranordnung umfasst. Das Klimatisierungssystem weist ein Gehäuse mit einem ersten und einem zweiten Strömungskanal zum Leiten der Luft sowie den Kältemittelkreislauf mit einem ersten Wärmeübertrager, einem Verdichter, dem zweiten Wärmeübertrager, welcher dem Wärmeübertrager der Wärmeübertrageranordnung entspricht, und einem Expansionsorgan auf, wobei der erste Wärmeübertrager im ersten Strömungskanal und der zweite Wärmeübertrager im zweiten Strömungskanal angeordnet sind.
Des Weiteren betrifft die Erfindung Verfahren zum Betreiben des Klimatisierungssystems für einen kombinierten Kälteanlagen- und Heizbetrieb sowie für einen Nachheizbetrieb zur Konditionierung der Luft des Fahrgastraumes im Nachheizbetrieb.
Seit Längerem zum Stand der Technik gehörende Klimaanlagen für Kraftfahrzeuge umfassen Kältemittelkreisläufe mit verschiedenen Einzelkomponenten, wie den herkömmlich in der Fahrzeugfront angeordneten Kondensator, den an den Fahrzeugmotor angebundenen und durch diesen angetriebenen Verdichter, den im Fahrgastraum angeordneten Verdampfer sowie Schläuche und Verbindungen. Die Klimaanlage konditioniert die Luft, die anschließend in den Fahrgastraum eingeleitet wird. Der Verdichter wird gewöhnlich vom Motor des Kraftfahrzeuges durch Einkoppeln mechanischer Energie an die Verdichterwelle angetrieben. Kühlerlüfter und Gebläse werden elektrisch vom 12 V Bordnetz gespeist.
Dem im Verdichter komprimierten, gasförmigen Kältemittel wird im Kondensator auf einem hohen Druckniveau Wärme entzogen. Bei unterkritischem Betrieb wird das überhitzte Kältemittel bis zur Kondensationstemperatur abgekühlt und anschließend bei konstanter Temperatur verflüssigt. Danach wird das vollständig verflüssigte Kältemittel im Kondensator weiter abgekühlt. Das Kältemittel wird unterkühlt, wobei sich die Unterkühlung auf die konstante Kondensationstemperatur bezieht. Der Bereich des Kondensators, in welchem das Kältemittel unterkühlt wird, wird auch als Unterkühlungsbereich bezeichnet. Das Kältemittel weist am Austritt des Kondensators üblicherweise eine Temperatur auf, welche etwa 5 K bis 10 K unterhalb der Kondensationstemperatur liegt.
In der Einbauposition im Frontbereich des Kraftfahrzeuges steht der Kondensator senkrecht zur Strömungsrichtung der Luft und verfügt über eine zumeist große Netzfläche, welche bei kleinen Kraftfahrzeugen Werte im Bereich von 14 dm² bis 18 dm², bei Kraftfahrzeugen der Kompaktklasse Werte im Bereich von 20 dm² bis 22 dm² und bei größeren Kraftfahrzeugen Werte über 24 dm² aufweist.
Als Netzfläche ist die im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung der Luft ausgerichtete Fläche am Eintritt beziehungsweise am Austritt des Wärmeübertragers zu verstehen, welche auch als Strömungsfläche bezeichnet wird. Die Netzfläche umfasst dabei den berippt beziehungsweise mit Rippen ausgebildeten Bereich des Wärmeübertragers und entspricht dem luftseitigen Strömungsquerschnitt.
Herkömmliche Gebläse der Kondensatoren, auch als Kühlerlüfter bezeichnet, sind als Axialgebläse ausgeführt und als Sauglüfter am Austritt eines Kühlmoduls angeordnet. Da Axiallüfter zur Förderung eines großen Luftvolumenstroms bei geringer Druckdifferenz ausgelegt sind, werden die im Kühlmodul angeordneten Wärmeübertrager, wie der Kühlmittelkühler des Motorkühlkreislaufes, der Ladeluftkühler oder der Kondensator des Kältemittelkreislaufes, zur Reduzierung des Strömungswiderstands mit einer möglichst geringen Tiefe ausgebildet. Die Wärmeübertrager werden luftseitig hintereinander durchströmt. Unter der Tiefe ist dabei die Dicke des Wärmeübertragers in Strömungsrichtung der Luft beziehungsweise die luftseitige Strömungslänge zu verstehen.
Die Tiefe eines aus dem Stand der Technik bekannten Kondensators weist einen Wert im Bereich von 12 mm bis 16 mm auf. Auf Grund der geringen luftseitigen Strömungslänge und der hohen Luftmenge wird der Luftmassenstrom bei der Durchströmung des Kondensators in seiner Gesamtheit lediglich geringfügig erwärmt. Dabei wird der Luftmassenstrom im kältemittelseitigen Eintrittsbereich des Kondensators aufgrund der Überhitzung des Kältemittels mit Temperaturen oberhalb der Kondensationstemperatur deutlich stärker erwärmt als im kältemittelseitigen Austrittsbereich des Kondensators, in welchem das Kältemittel bereits kondensiert und gegebenenfalls unterkühlt vorliegt.
Gattungsgemäße Klimaanlagen mit Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager, welche die Heizleistung aus dem Kühlmittelkreislauf eines effizienten Verbrennungsmotors des Fahrzeugantriebes beziehen, erreichen bei geringen Umgebungstemperaturen, zum Beispiel weniger als –10°C, nicht mehr das für eine komfortable Aufheizung des Fahrzeuginnenraums erforderliche Temperaturniveau. Ähnliches gilt für Anlagen in Fahrzeugen mit Hybridantrieb. Für diese Fahrzeuge ist der Einsatz von Zuheizkonzepten notwendig.
Auch Glykol-Luft-Wärmepumpen nutzen das Kühlmittel des Verbrennungsmotors, jedoch als Wärmequelle. Dabei wird dem Kühlmittel Wärme entzogen. Infolgedessen wird der Verbrennungsmotor längere Zeit bei geringen Temperaturen betrieben, was sich negativ auf die Abgasemissionen und den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Aufgrund des intermittierenden Betriebes des Verbrennungsmotors bei Hybridfahrzeugen wird bei längeren Fahrten keine ausreichend hohe Kühlmitteltemperatur erreicht. Infolgedessen wird der Start-Stop-Betrieb des Verbrennungsmotors bei geringen Umgebungstemperaturen ausgesetzt. Der Verbrennungsmotor wird nicht abgeschaltet.
Zudem besteht der Trend zur vollständigen Elektrifizierung des Antriebs, wie zum Beispiel bei mit Batterien oder Brennstoffzellen angetriebenen Fahrzeugen. Dabei entfällt die Abwärme des Verbrennungsmotors als mögliche Wärmequelle für die Erwärmung der Luft.
Die in der Batterie des Kraftfahrzeuges speicherbare Energiemenge ist außerdem geringer als die in Form von flüssigem Kraftstoff innerhalb des Kraftstofftanks speicherbare Energiemenge. Damit hat die für die Klimatisierung des Fahrgastraums eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeuges benötigte Leistung zudem einen wesentlichen Einfluss auf die Reichweite des Kraftfahrzeuges.
In der DE 10 2009 028 522 A1 wird eine kompakte Klimaanlage mit einer Verdampfereinheit, einer Kondensatoreinheit und einer Komponenteneinheit sowie einem Kältemittelkreislauf beschrieben. Die Verdampfereinheit und die Kondensatoreinheit weisen jeweils in einem Gehäuse angeordnete luftdurchströmte Wärmeübertrager sowie ein Gebläse auf. Der Kältemittelkreislauf, umfassend einen Verdampfer, einen Kondensator sowie einen Nacherhitzer, ist für einen kombinierten Kälteanlagen- und Wärmepumpenbetrieb sowie für einen Nachheizbetrieb ausgebildet, wobei im Nachheizbetrieb die Heizleistung des als Kondensator/Gaskühler ausgebildeten Nacherhitzers sowie die Kälteleistung des Verdampfers unabhängig voneinander regelbar sind. Die Betriebsmodi der Klimaanlage werden kältemittelkreislaufgesteuert. Die Klimaanlage erfüllt somit die Funktion einer Wärmepumpe, welche mittels eines aktiven Umschaltens innerhalb des einen Primärkreislaufs und einen aus zwei Strömungspfaden ausgebildeten Sekundärstrang aufweisenden Kältemittelkreislaufs realisiert wird. Die Ausbildung des Kältemittelkreislaufs mit Umschaltventilen führt jedoch zu einer großen Komplexität, welche wiederum hohe Kosten und einen großen technischen Aufwand verursacht.
Aus der FR 2 743 027 A1 geht eine Fahrzeugklimaanlage mit einem herkömmlichen Kältemittelkreislauf, aufweisend lediglich einen Verdampfer, einen Verdichter, einen Kondensator und ein Expansionsorgan, hervor. Die Wärmeübertrager sind in separaten, voneinander zumindest strömungstechnisch getrennt ausgebildeten Strömungskanälen angeordnet. Die Strömungskanäle weisen Querverbindungen oder Bypässe auf. Die mittels Gebläsen angesaugten Luftmassenströme werden durch Verschließen und Öffnen von Klappen sowie Hindurchleiten durch die Bypässe je nach Bedarf und Betriebsmodus über die Flächen der Wärmeübertrager geleitet. Dabei werden die Luftmassenströme gekühlt und/oder entfeuchtet beziehungsweise erwärmt sowie anschließend in den Fahrgastraum und/oder die Umgebung abgeführt.
Aus dem Stand der Technik sind somit Klimaanlagen für Kraftfahrzeuge für einen kombinierten Kälteanlagen- und Wärmepumpenbetrieb mit Luft als Wärmequelle zum Heizen, Kühlen und Entfeuchten der dem Fahrgastraum zuzuführenden und zu konditionierenden Luft bekannt. Die Klimaanlagen sind entweder kältemittelkreislaufseitig oder luftseitig gesteuert.
Mit den luftseitig gesteuerten Klimaanlagen ist jedoch kein Betrieb im Nachheizmodus, auch als Reheat bezeichnet, möglich. Die für einen zusätzlichen Nachheizbetrieb ausgebildeten Klimaanlagen weisen wiederum einen komplizierten Kältemittelkreislauf mit einer Vielzahl an Komponenten, wie Wärmeübertrager, Umschaltventile und Expansionsventile, auf. Im „Reheat”- beziehungsweise Nachheizbetrieb wird die dem Fahrgastraum zugeführte Luft abgekühlt und dabei entfeuchtet, anschließend wird die entfeuchtete Luft geringfügig aufgeheizt. In diesem Betriebsmodus ist die erforderliche Nachheizleistung zumeist geringer als die erforderliche Kälteleistung zum Kühlen und Entfeuchten der Luft.
Bei den bekannten luftseitig gesteuerten Klimaanlagen mit Wärmepumpenfunktion werden sowohl im Kälteanlagenbetrieb als auch im Wärmepumpenbetrieb der Verdampfer als Verdampfer und der Kondensator als Kondensator betrieben. Die Steuerung der Wärmeströme wird dabei vollständig über die luftseitige Strömungsführung realisiert. Ein Umschalten des Betriebs eines Wärmeübertragers zum einen als Kondensator und zum anderen als Verdampfer ist nicht erforderlich.
Für den Wärmepumpenbetrieb ausgelegte Kondensatoren weisen jedoch eine geringere Übertragungsleistung als für den Kälteanlagenbetrieb ausgelegte Kondensatoren auf. Die Kondensatoren für den Wärmepumpenbetrieb werden mit einem geringeren Luftmassenstrom durchströmt und müssen eine größere Änderung der Temperatur der Luft bewirken.
Nach dem Stand der Technik werden in Wärmepumpensystemen Kondensatoren mit dem Bauraum eines von Kühlmittel des Motorkühlkreislaufes durchströmten Wärmeübertragers eingesetzt. Aus diesem Grund sind diese als mehrreihige, beispielsweise als zweireihige Kreuzgegenstrom-Wärmeübertrager mit einer Bautiefe von etwa 40 mm und einer Strömungsfläche von etwa 4 dm² ausgebildet. Kondensatoren mit einer Bautiefe von etwa 40 mm und einer Strömungsfläche von etwa 4 dm² können im Betrieb als zweireihige Kreuzgegenstrom-Wärmeübertrager einen Luftmassenstrom im Bereich von 250 kg/h bis 400 kg/h auf eine Temperatur erwärmen, welche etwa 5 K bis 15 K unterhalb der Kondensationstemperatur des Kältemittels liegt.
Wenn der Wärmeübertrager sowohl im Kälteanlagenbetrieb als auch im Wärmepumpenbetrieb als Kondensator betrieben wird, ist die Anordnung des Kondensators im Kühlmodul des Kraftfahrzeuges nicht sinnvoll. Auf Grund der im Stand der Technik bekannten großen Bauform der Kondensatoren für den Kälteanlagenbetrieb, das heißt mit einem großen luftseitigen Strömungsquerschnitt, ist die Anordnung des Kondensators in einem anderen Bereich im Kraftfahrzeug außer im Kühlmodul nahezu unmöglich.
Andererseits ist mit einem in der Bauform eines für den Wärmepumpenbetrieb ausgelegten Kondensators die erforderliche Leistung für den Kälteanlagenbetrieb nicht übertragbar. Der Luftmassenstrom kann zudem nicht auf oder gar über die Kondensationstemperatur des Kältemittels aufgeheizt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wärmeübertrageranordnung zur Erwärmung von Luft zur Verfügung zu stellen, wobei die Luft mittels eines durch den Wärmeübertrager strömenden Kältemittels erwärmt werden soll. Die Luft sollte dabei effizient auf eine maximale Temperatur erwärmbar sein. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Klimatisierungssystem mit Heizfunktionalität, insbesondere für die Anwendung in Kraftfahrzeugen, zur Verfügung zu stellen. Der Kältemittelkreislauf des Klimatisierungssystems sollte lediglich mit einer Mindestanzahl an Komponenten ausgebildet und damit kostengünstig sowie wartungsarm sein. Das Klimatisierungssystem sollte zudem für den kombinierten Kälteanlagen- und Wärmepumpenbetrieb sowie den Nachheizbetrieb zum Heizen, Kühlen und Entfeuchten der zu konditionierenden Luft des Fahrgastraums ausgelegt sein. Dabei soll der Betrieb auch in Umgebungen mit Wärmequellen geringer Kapazität, wie zum Beispiel bei energieeffizienten Verbrennungsmotoren oder Hybridantrieben aus Verbrennungsmotor und Elektromotor beziehungsweise bei nicht vorhandenen Wärmequellen aus dem Antrieb, wie zum Beispiel bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, alle Anforderungen an ein komfortables Klima im Fahrgastraum erfüllend, möglich sein. Das Klimatisierungssystem soll mit der Wärmeübertrageranordnung zur Wärmeabgabe an die Luft sehr effizient betreibbar sein.
Der Erfindung liegt des Weiteren die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Betreiben des Klimatisierungssystems bereitzustellen, mit dem insbesondere im Nachheizbetrieb, ein effizienter Betrieb möglich ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Wärmeübertrageranordnung zur Erwärmung von Luft gelöst, welche einen in einem Kältemittelkreislauf integriert angeordneten Wärmeübertrager aufweist. Der Wärmeübertrager ist einerseits von Kältemittel durchströmbar und andererseits mit Luft beaufschlagbar derart ausgebildet, dass Wärme vom Kältemittel an die Luft übertragbar ist. Das Kältemittel wird bei der Wärmeabgabe enthitzt, kondensiert und unterkühlt.
Nach der Konzeption der Erfindung weist der Wärmeübertrager zwei voneinander getrennt ausgebildete Komponenten auf. Die erste Komponente ist mit einer Kondensations- und Enthitzungsfläche und die zweite Komponente ist mit einer Unterkühlungsfläche ausgebildet. Nach dem Eintritt des Kältemittels in die erste Komponente des als Kondensator betriebenen Wärmeübertragers wird das als überhitzter Dampf beziehungsweise Gas vorliegende Kältemittel enthitzt, das heißt bis zum Erreichen der Kondensationstemperatur abgekühlt. Durch weitere Übertragung von Wärme vom Kältemittel an den Luftmassenstrom wird das Kältemittel bei konstanter Temperatur, der Kondensationstemperatur, verflüssigt. Anschließend wird das verflüssigte Kältemittel von der ersten in die zweite Komponente des Wärmeübertragers geleitet und innerhalb der zweiten Komponente durch weitere Wärmeabgabe auf eine Temperatur unterhalb der Kondensationstemperatur abgekühlt. Die Unterkühlung bezieht sich auf die Temperatur am Austritt der zweiten Komponente, welche unterhalb der Kondensationstemperatur liegt.
Zwischen den zwei voneinander getrennt ausgebildeten Komponenten des Wärmeübertragers ist kältemittelseitig ein Kältemittel-Phasentrennungselement angeordnet. Mit Hilfe der Phasentrennung wird sichergestellt, dass ausschließlich flüssiges Kältemittel in die zweite Komponente, welche mit der Unterkühlungsfläche ausgebildet ist, geleitet wird. Kältemittel in reiner flüssiger Phase weist vorteilhaft ein geringeres Volumen auf als flüssiges Kältemittel mit einem gasförmigen Anteil beziehungsweise zweiphasiges Kältemittel. Als Kältemittel-Phasentrennungselement wird bevorzugt ein Sammler mit integrierter Flüssigkeitsabscheidung verwendet.
Der Wärmeübertrager der Wärmeübertrageranordnung ist erfindungsgemäß als Rohrwärmeübertrager mit in Reihen angeordneten Rohren ausgebildet. Die die Kondensations- und Enthitzungsfläche aufweisende erste Komponente ist dabei mindestens zweireihig ausgebildet, während die die Unterkühlungsfläche aufweisende zweite Komponente mindestens einreihig ausgebildet ist.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weist die erste Komponente mindestens die gleiche Anzahl an Rohrreihen auf, wie die zweite Komponente. Die erste Komponente ist jedoch bevorzugt mit mindestens der doppelten Anzahl an Rohrreihen ausgebildet wie die zweite Komponente. Die erste Komponente ist dabei vorteilhaft mit vier Rohrreihen ausgebildet, während die zweite Komponente zwei Rohrreihen aufweist.
Nach einer ersten Alternative werden alle Rohrreihen jeweils einflutig durchströmt. Die Rohrreihen sind dabei vorteilhaft senkrecht zur Strömungsrichtung der Luft ausgerichtet. Das Kältemittel strömt in einer Richtung parallel durch alle Rohre einer Rohrreihe, bevor es anschließend durch die Rohre der nachfolgenden Rohrreihe geleitet wird. Auf diese Weise werden die Rohre unterschiedlicher Rohrreihen kältemittelseitig nacheinander durchströmt. Dabei kann die Durchströmung des Kältemittels von einer Rohrreihe zur nachfolgenden Rohrreihe entweder in oder entgegen der luftseitigen Strömungsrichtung erfolgen.
Nach einer zweiten Alternative ist der als Kondensator zu betreibende Wärmeübertrager derart ausgebildet, dass mindestens eine Reihe der Mehrzahl an Rohrreihen mehrflutig durchströmt wird. Dabei wird das Kältemittel durch einige Rohre einer Rohrreihe in einer ersten Richtung geleitet, während es durch andere Rohre der gleichen Rohrreihe in der entgegengesetzt zur ersten Richtung angeordneten zweiten Richtung strömt. Das Kältemittel strömt dabei jeweils parallel durch die Rohre der Rohrreihe.
Der durch den Wärmeübertrager der Wärmeübertrageranordnung strömende Luftmassenstrom ist erfindungsgemäß auf ein Temperaturniveau erwärmbar, welches höher ist als das Temperaturniveau der Kondensation des Kältemittels.
Der Wärmeübertrager ist vorteilhaft als Kreuzgegenstromwärmeübertrager ausgebildet.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Wärmeübertrager eine Strömungsfläche im Bereich von 2 dm² bis 10 dm², bevorzugt jedoch im Bereich von 4 dm² bis 5 dm² auf. Mit dieser Strömungsfläche ist der Wärmeübertrager als Kondensator sowohl im Kälteanlagenbetrieb als auch im Wärmepumpenbetrieb eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeuges zur Übertragung der jeweils erforderlichen Leistung einsetzbar.
Der Wärmeübertrager ist vorteilhaft aus Flachrohren ausgebildet, welche senkrecht zur Strömungsrichtung der Luft ausgerichtet sind. Die Flachrohre weisen eine Breite von größer als 8 mm auf. Dabei wird eine Breite der Flachrohre im Bereich von 11,5 mm bis 18 mm bevorzugt. Von Vorteil ist es, die Flachrohre mit einer Breite von 12,3 mm oder von 16 mm auszubilden. Unter der Breite der Flachrohre ist die Ausdehnung der Rohre in Strömungsrichtung der Luft zu verstehen.
Nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmeübertrager aus Flachrohren ausgebildet, welche gegenüber der Strömungsrichtung der Luft in Längsrichtung um einen bestimmten Winkel geneigt sind. Die Neigung weist vorteilhaft Werte zwischen 30° und 60° auf. Damit wird je nach Neigungswinkel die effektive Ausdehnung der Flachrohre beziehungsweise der effektive Weg vergrößert, welchen der Luftmassenstrom beim Durchströmen einer Rohrreihe überstreicht.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Wärmeübertrager der Wärmeübertrageranordnung luftseitig mit Rippen ausgebildet. Die Rippen sind dabei bevorzugt in einer Dichte von weniger als 100 Rippen pro dm angeordnet. Von Vorteil ist es, die Rippen mit einer Dichte von 65 bis 75 Rippen pro dm anzuordnen.
Um die Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und der Luft zu optimieren, ist der Wärmeübertrager nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung luftseitig mit einem porösen Medium ausgebildet, welches zwischen den Flachrohren angeordnet ist. Als poröses Medium wird aufgrund seiner guten Wärmeleitfähigkeit bevorzugt offenporiger Metallschaum verwendet. Weiterhin ist es von Vorteil, einen Metallschaum mit einer Porosität zwischen 75% und 90% sowie einer Porendichte im Bereich von 5 ppi bis 40 ppi zu verwenden, um den luftseitigen Druckverlust gering zu halten.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmeübertrager zudem derart ausgebildet und angeordnet, dass die die Kondensations- und Enthitzungsfläche aufweisende erste Komponente und die die Unterkühlungsfläche aufweisende zweite Komponente parallel mit Luft beaufschlagbar sind.
Die Wärmeübertrageranordnung weist um den Wärmeübertrager bevorzugt eine Luftleitvorrichtung zur Aufteilung der Wärmeübertragungsfläche in mindestens zwei Teilbereiche auf, welche mit unterschiedlichen Luftmassenströmen beaufschlagbar sind. Dabei ist ein erster Teilbereich im Bereich von 0% bis 100% der gesamten Wärmeübertragungsfläche des Wärmeübertragers einstellbar, während der zweite Teilbereich den übrigen Bereich von 100% bis 0% aufweist.
Die Aufteilung mittels der Luftleitvorrichtung ist nach einer ersten alternativen Ausbildung regelbar. Unter der Regelung ist eine stufenlose Verstellung der Aufteilung zwischen 0% und 100% zu verstehen. Nach einer zweiten alternativen Ausbildung ist die Aufteilung statisch und damit nicht regelbar beziehungsweise nicht verstellbar.
Die Wärmeübertragungsfläche des Wärmeübertragers wird bevorzugt in Bereiche von 0% bis 30% beziehungsweise 100% bis 70% der Gesamtfläche aufgeteilt.
Die Aufgabe der Bereitstellung eines Systems mit Heizfunktionalität wird durch ein Klimatisierungssystem zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges mit einer bereits beschriebenen Wärmeübertrageranordnung gelöst. Das Klimatisierungssystem weist dabei ein Gehäuse mit einem ersten und einem zweiten Strömungskanal zum Leiten von Luft sowie den Kältemittelkreislauf mit einem Verdampfer, einem ersten Wärmeübertrager, einem Verdichter, einem zweiten Wärmeübertrager und einem Expansionsorgan auf, wobei der erste Wärmeübertrager im ersten Strömungskanal und der zweite Wärmeübertrager im zweiten Strömungskanal angeordnet sind. Der zweite Wärmeübertrager entspricht dabei dem Wärmeübertrager der erfindungsgemäßen Wärmeübertrageranordnung.
Nach der Konzeption der Erfindung ist das Klimatisierungssystem für einen kombinierten Kälteanlagen- und Wärmepumpenbetrieb zum Kühlen und zum Heizen des Fahrgastraumes sowie für einen Nachheizbetrieb ausgebildet. Die Einstellung des jeweiligen Betriebsmodus erfolgt lediglich über die Steuerung von innerhalb des Gehäuses des Klimatisierungssystems angeordneten Luftleiteinrichtungen und nicht über die Regelung des Kältemittelkreislaufes.
Der zweite Wärmeübertrager ist erfindungsgemäß unabhängig vom Betriebsmodus als Kondensator zum Erwärmen eines Luftmassenstroms derart ausgebildet und betreibbar, dass die jeweils im Betriebsmodus erforderlichen Leistungen an den über die Wärmeübertragungsfläche geleiteten Luftmassenstrom übertragbar sind.
Der als Kondensator ausgebildete zweite Wärmeübertrager wird sowohl im Kälteanlagenbetrieb als auch im Wärmepumpenbetrieb kältemittelseitig und luftseitig jeweils in gleicher Richtung durchströmt.
Der erste Wärmeübertrager ist unabhängig vom Betriebsmodus bevorzugt als Verdampfer ausgebildet und wird zum Kühlen und/oder Entfeuchten eines Luftmassenstroms betrieben.
Mit der Wärmeübertrageranordnung, insbesondere des als Kondensator zu betreibenden Wärmeübertragers, kann

– im Wärmepumpenbetrieb vorteilhaft
– ein Luftmassenstrom von über 100 kg/h, bevorzugt von etwa 250 kg/h, mit einer Luft-Eintrittstemperatur in den Kondensator von kleiner als +10°C, bevorzugt kleiner als 0°C, auf eine Temperatur erwärmt werden, welche über der Kondensationstemperatur, bevorzugt über 10 K über der Kondensationstemperatur, des Kältemittels im Kältemittelkreislauf liegt,
– beispielsweise ein Luftmassenstrom von 250 kg/h und einer Luft-Eintrittstemperatur in den Kondensator von –20°C auf eine Temperatur erwärmt werden, welche 15 K über der Kondensationstemperatur des Kältemittels im Kältemittelkreislauf liegt, und
– eine Leistung im Bereich von 1 kW bis 8 kW übertragen werden, wobei beispielsweise bei einer Umgebungstemperatur von –10°C eine Leistung im Bereich von 2 kW bis 6 kW, bevorzugt im Bereich von 3,5 kW bis 4,5 kW, übertragbar ist, sowie
– im Kälteanlagenbetrieb vorteilhaft
– ein Luftmassenstrom von kleiner als 2000 kg/h, bevorzugt von etwa 1000 kg/h, mit einer Luft-Eintrittstemperatur in den Kondensator von über +10°C, bevorzugt über +30°C, auf eine Temperatur erwärmt werden, welche über der Kondensationstemperatur, bevorzugt über 10 K über der Kondensationstemperatur, des Kältemittels im Kältemittelkreislauf liegt, und
– eine Leistung von mehr als 2 kW übertragen werden, wobei beispielsweise bei Umgebungstemperaturen von über +30°C eine Leistung im Bereich von 2 kW bis 15 kW, bevorzugt etwa von 10 kW, übertragbar ist.

Das Klimatisierungssystem mit Wärmepumpenfunktionalität, das heißt mit dem Abkühlen und/oder Entfeuchten eines ersten Luftmassenstroms und dem gleichzeitigen Erwärmen eines zweiten Luftmassenstroms, ist vorteilhaft in einem Nachheizbetrieb, auch als Reheat-Betrieb bezeichnet, betreibbar. Der Nachheizbetrieb ist dabei als reiner Nachheizbetrieb, das heißt ohne Zumischen von unkonditionierter Luft, möglich.
Die Vorgänge des Abkühlens und/oder des Entfeuchtens der Luft sowie des Heizens oder Nachheizens der Luft werden nur luftseitig gesteuert. Der Kältemittelkreislauf wird unabhängig von den unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des Klimatisierungssystems für einen kombinierten Kälteanlagen- und Wärmepumpenbetrieb zum Kühlen und zum Heizen sowie für einen Nachheizbetrieb zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges umfasst im Nachheizbetrieb folgende Schritte:

– Einleiten eines ersten Teilluftmassenstroms und eines zweiten Teilluftmassenstroms in das Klimatisierungssystem,
– Aufteilung des zweiten Teilluftmassenstroms nach dem Überströmen eines als Verdampfer ausgebildeten und betriebenen ersten Wärmeübertragers in einen Teilluftmassenstrom zum Nachheizen und einen Kaltluftmassenstrom,
– Erwärmen des ersten Teilluftmassenstroms und des Teilluftmassenstroms zum Nachheizen beim Überströmen der Wärmeübertragungsfläche eines als Kondensator ausgebildeten und betriebenen zweiten Wärmeübertragers auf eine Temperatur oberhalb der Kondensationstemperatur des Kältemittels, wobei
– der erste Teilluftmassenstrom aufgeheizt und
– der Teilluftmassenstrom zum Nachheizen nachgeheizt wird sowie
– die Heizleistung luftseitig geregelt wird,
– Ableiten des ersten Teilluftmassenstroms in die Umgebung des Kraftfahrzeuges,
– Mischen des nachgeheizten Teilluftmassenstroms mit dem vorkonditionierten Kaltluftmassenstrom, wobei
– der Kaltluftmassenstrom beim Überströmen des als Verdampfer ausgebildeten und betriebenen ersten Wärmeübertragers abgekühlt und/oder entfeuchtet wird,
– die mittels des zweiten Wärmeübertragers übertragene Heizleistung zum Nachheizen über die Anteile des zweiten Teilluftmassenstroms geregelt wird,
– die Temperatur des vermischten Luftmassenstroms über einen im Luftmassenstrom angeordneten Temperatursensor erfasst und über das Druckniveau des Kältemittels im Kondensator geregelt wird, und
– Einleiten des vermischten zweiten Teilluftmassenstroms in den Fahrgastraum.

Unter Aufheizen ist dabei der Vorgang der Erwärmung des ersten Teilluftmassenstromes beim Überströmen eines ersten Bereiches des als Kondensator ausgebildeten und betriebenen zweiten Wärmeübertragers zu verstehen. Der erste Teilluftmassenstrom wird in das Klimatisierungssystem eingeleitet und erwärmt.
Unter Nachheizen wird der Vorgang der Erwärmung eines Teils des zweiten Teilluftmassenstromes beim Überströmen eines zweiten Bereiches des als Kondensator ausgebildeten und betriebenen zweiten Wärmeübertragers verstanden. Der zweite Teilluftmassenstrom wird in das Klimatisierungssystem eingeleitet, beim Überströmen des als Verdampfer ausgebildeten und betriebenen ersten Wärmeübertragers abgekühlt und/oder entfeuchtet und anschließend wieder erwärmt. Das Wiedererwärmen wird als Nachheizen bezeichnet.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der die Wärmeübertragungsfläche des Kondensators überströmende Luftmassenstrom einen Wert kleiner als 2000 kg/h auf. Der Wert des Luftmassenstroms beträgt bevorzugt etwa 1000 kg/h.
Die Heizleistung weist vorteilhaft einen Wert größer als 2 kW auf.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben des Klimatisierungssystems für einen kombinierten Kälteanlagen- und Wärmepumpenbetrieb zum Kühlen und zum Heizen sowie für einen Nachheizbetrieb zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges umfasst im Nachheizbetrieb folgende Schritte:

– Beaufschlagen eines ersten Bereiches eines als Kondensator ausgebildeten und betriebenen zweiten Wärmeübertragers mit einem ersten Teilluftmassenstrom und Beaufschlagen eines zweiten Bereiches des zweiten Wärmeübertragers mit einem zweiten Teilluftmassenstrom, wobei die Teilluftmassenströme unterschiedliche Temperaturen und/oder unterschiedliche absolute Luftfeuchtigkeiten aufweisen,
– Regeln der vom zweiten Wärmeübertrager übertragenen Leistung über die Aufteilung der Flächen der Bereiche des zweiten Wärmeübertragers und den durch den ersten Bereich des zweiten Wärmeübertragers geleiteten ersten Teilluftmassenstrom,
– Abführen des durch den ersten Bereich des zweiten Wärmeübertragers geleiteten ersten Teilluftmassenstroms in die Umgebung des Kraftfahrzeuges,
– Regeln der Temperatur des durch den zweiten Bereich des zweiten Wärmeübertragers geleiteten zweiten Teilluftmassenstroms über das Druckniveau des Kältemittels im zweiten Wärmeübertrager, wobei die Temperatur über einen in Strömungsrichtung der Luft nach dem zweiten Wärmeübertrager angeordneten Temperatursensor erfasst wird, und
– Einleiten des durch den zweiten Bereich des zweiten Wärmeübertragers geleiteten zweiten Teilluftmassenstroms in den Fahrgastraum.

Ein alternatives erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben des Klimatisierungssystems für einen kombinierten Kälteanlagen- und Wärmepumpenbetrieb zum Kühlen und zum Heizen sowie für einen Nachheizbetrieb zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges umfasst im Nachheizbetrieb folgende Schritte:

– Beaufschlagen eines ersten Bereiches eines als Kondensator ausgebildeten und betriebenen zweiten Wärmeübertragers mit einem ersten Teilluftmassenstrom,
– Aufteilung eines zweiten Teilluftmassenstroms nach dem Überströmen eines als Verdampfer ausgebildeten und betriebenen ersten Wärmeübertragers in einen Teilluftmassenstrom zum Nachheizen und einen Kaltluftmassenstrom sowie
– Beaufschlagen eines zweiten Bereiches des zweiten Wärmeübertragers mit dem Teilluftmassenstrom zum Nachheizen,
– Regeln der Heizleistung zum Nachheizen über die Aufteilung der Flächen der Bereiche des zweiten Wärmeübertragers und den durch den ersten Bereich des zweiten Wärmeübertragers geleiteten Teilluftmassenstrom sowie über die Anteile des zweiten Teilluftmassenstroms,
– Abführen des durch den ersten Bereich des zweiten Wärmeübertragers geleiteten Teilluftmassenstroms in die Umgebung,
– Mischen des nachgeheizten Teilluftmassenstroms mit dem vorkonditionierten Kaltluftmassenstrom,
– Regeln der Temperatur des durch den zweiten Bereich des zweiten Wärmeübertragers geleiteten Teilluftmassenstroms über das Druckniveau des Kältemittels im zweiten Wärmeübertrager, wobei die Temperatur über einen in Strömungsrichtung der Luft nach dem zweiten Wärmeübertrager angeordneten Temperatursensor erfasst wird, und
– Einleiten des vermischten zweiten Teilluftmassenstroms in den Fahrgastraum.

Von Vorteil ist, dass der erste und der zweite Teilluftmassenstrom beim Überströmen der Wärmeübertragungsflächen des zweiten Wärmeübertragers nicht oder nur in vernachlässigbarer Weise vermischt werden.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird die vom Kondensator übertragene Leistung über den durch den zweiten Bereich des Kondensators geleiteten Teilluftmassenstrom mittels einer in Strömungsrichtung der Luft vor dem Kondensator angeordneten Luftleiteinrichtung geregelt.
Die erfindungsgemäße Lösung weist zusammenfassend diverse Vorteile auf:

– effizientes Klimatisierungssystem zum gleichzeitigen Entfeuchten und Heizen,
– schnelle Bereitstellung von warmer Luft bei geringen Umgebungstemperaturen und kaltem Motorkühlwasser bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor,
– minimale Komplexität im Kältemittelkreislauf, das heißt im Wesentlichen Verzicht auf Umschaltventile und Minimierung der Anzahl der Expansionsventile, Wärmeübertrager und Kältemittelleitungen,
– Aufheizen der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft im Wärmepumpenbetrieb beziehungsweise der an die Umgebung abzuführenden Luft im Kälteanlagenbetrieb auf eine möglichst hohe Temperatur, welche höher ist als die Kondensationstemperatur des Kältemittels im Kältemittelkreislauf,
– Bereitstellung der Heizleistung auf niedrigerem Hochdruckniveau im Vergleich zu herkömmlichen Heizsystemen und damit
– Steigerung der Effizienz des Klimatisierungssystems, insbesondere beim Betrieb im Wärmepumpenmodus sowie
– Reduzierung von Kosten, da ein Kondensator mit geeigneter Luftführung in der kompakten Klimaanlage im Vergleich zu einem herkömmlichen System den im Kälteanlagenbetrieb eingesetzten Kondensator im Kältemittelkreislauf sowie den Heizungswärmeübertrager im Motorkühlkreislauf ersetzt.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1: Klimatisierungssystem mit geschlossenen Luftleiteinrichtungen,
2: Klimatisierungssystem mit zentral angeordnetem Kondensator,
3a: zentral angeordneter Kondensator mit Luftleitvorrichtung zur Aufteilung der Luftmassenströme in Einzeldarstellung,
3b: einem Strömungskanal zugeordneter Kondensator mit Luftleitvorrichtung,
4: Klimatisierungssystem nach 1 mit vollständigem Kältemittelkreislauf und
5a, 5b: Ausbildung und Anordnung des Kondensators im Kältemittelkreislauf.
1 zeigt ein Klimatisierungssystem 1 mit einem Gehäuse 2, aufweisend einen ersten Strömungskanal 3 sowie einen zweiten Strömungskanal 4, wobei jedem Strömungskanal 3, 4 ein Gebläse 5, 6 zugeordnet ist und mit Frischluft aus der Umgebung, Umluft aus dem Fahrgastraum 9 oder einer Mischung aus beiden beaufschlagbar ist.
Im ersten Strömungskanal 3 ist ein Verdampfer 7 und im zweiten Strömungskanal 4 ist ein Kondensator 8 angeordnet, wobei beide als Komponenten eines Kältemittelkreislaufs des Klimatisierungssystems 1 und als luftbeauschlagte Wärmeübertrager ausgebildet sind. Der Verdampfer 7 nimmt dabei den gesamten Strömungsquerschnitt des Strömungskanals 3 ein. Der Kondensator 8 ist strömungskanalübergreifend angeordnet und weist zwei Bereiche auf. Der erste Bereich ist innerhalb des zweiten Strömungskanals 4, den gesamten Strömungsquerschnitt überdeckend, angeordnet und weist im Vergleich zum zweiten Bereich eine größere Wärmeübertragungsfläche auf. Der Kondensator 8 reicht in seiner Ausdehnung in den ersten Strömungskanal 3 hinein, sodass der zweite Bereich des Kondensators 8 innerhalb des Strömungspfades 14 des ersten Strömungskanals 3 angeordnet ist. Der zweite Bereich des Kondensators 8 nimmt dabei den gesamten Strömungsquerschnitt des Strömungspfades 14 ein. Die Bereiche des Kondensators 8 werden durch die Trennwand 10 zwischen den Strömungskanälen 3, 4 abgegrenzt.
Die strömungskanalübergreifende Anordnung des Kondensators 8 nach 1 bewirkt eine nicht-regelbare Aufteilung der Wärmeübertragungsfläche in zwei Bereiche. Der Kondensator 8 ist dabei in Bereiche von 0% bis 100%, bevorzugt aber von 0% bis 30%, der gesamten Wärmeübertragungsfläche unterteilt. Bei Unterteilungen von 0% beziehungsweise 100% ist der Kondensator 8 vollständig in einem der Strömungskanäle 3, 4 angeordnet. Bei einer Wärmeübertrageranordnung mit 30% Aufteilung der Wärmeübertragungsfläche sind 30% der Fläche innerhalb des Strömungskanals 3 und 70% innerhalb des Strömungskanals 4 angeordnet.
Die getrennt regelbaren Gebläse 5, 6 bewirken eine vorteilhafte Dynamik des Klimatisierungssystems 1, da der erste Strömungskanal 3 mit dem Verdampfer 7 und der zweite Strömungskanal 4 mit dem Kondensator 8 mit Luftmassenströmen unterschiedlicher Geschwindigkeiten beaufschlagbar sind und damit ein schnelles Reagieren auf veränderte Betriebszustände ermöglichen.
Das Gebläse 5 des ersten Strömungskanals 3 führt die angesaugte Luft als Luftmassenstrom zum Verdampfer 7. Beim Überströmen der Wärmeübertragungsflächen des Verdampfers 7 wird der Luftmassenstrom abgekühlt und/oder entfeuchtet.
Der aus dem Verdampfer 7 austretende Kaltluftmassenstrom wird als Teilluftmassenstrom über den Kaltluft-Strömungspfad 11 in die Umgebung und in einen Teilluftmassenstrom über den Kaltluft-Strömungspfad 12 in den Fahrgastraum 9 in einem erforderlichen Verhältnis aufgeteilt oder vollständig einem der Kaltluft-Strömungspfade 11, 12 zugewiesen. Der Kaltluftmassenstrom wird mittels der als Klappen ausgebildeten Luftleiteinrichtungen 23, 24 aufgeteilt. Der durch den Kaltluft-Strömungspfad 12 geführte Luftmassenstrom wird am Strömungspfad 14 und damit als Bypassstrom durch den Bypasskanal 15 um den Kondensator 8 herumgeleitet.
Analog zum Gebläse 5 saugt das Gebläse 6 Luft an und führt die angesaugte Luft als Luftmassenstrom zum Kondensator 8. Beim Überströmen der Wärmeübertragungsflächen des Kondensators 8 wird der Luftmassenstrom erwärmt.
Der aus dem Kondensator 8 austretende Warmluftmassenstrom wird als Teilluftmassenstrom über den Warmluft-Strömungspfad 16 in die Umgebung und in einen Teilluftmassenstrom über den Warmluft-Strömungspfad 17 in den Fahrgastraum 9 in einem erforderlichen Verhältnis aufgeteilt oder vollständig einem der Warmluft-Strömungspfade 16, 17 zugewiesen. Der Warmluftmassenstrom wird mittels der als Klappen ausgebildeten Luftleiteinrichtungen 25, 26 aufgeteilt.
Die jeweils zwei Klappen 23, 24 und 25, 26 können dabei durch jeweils eine kinematische Vorrichtung gekoppelt und mittels eines einzigen Antriebs verstellbar sein.
Beim Kälteanlagenbetrieb, das heißt dem Abkühlen der dem Fahrgastraum 9 zuzuführenden Luft, sind die Luftleiteinrichtungen 19, 22 geschlossen. Die Luftleiteinrichtungen 23, 24 sind derart ausgerichtet, dass der Luftmassenstrom durch den Kaltluft-Strömungspfad 12 zum Fahrgastraum 9 geleitet wird, während der Kaltluft-Strömungspfad 11 verschlossen ist. Die Luftleiteinrichtungen 25, 26 sind derart ausgerichtet, dass der Luftmassenstrom durch den Warmluft-Strömungspfad 16 zur Umgebung geleitet wird, während der Warmluft-Strömungspfad 17 zum Fahrgastraum 9 verschlossen ist.
Das Gebläse 5 fördert die Luft durch den ersten Strömungskanal 3 zum Verdampfer 7. Die Luft wird abgekühlt sowie entfeuchtet und strömt durch den Kaltluft-Strömungspfad 12 in den Fahrgastraum 9. Das Gebläse 6 fördert die Luft im zweiten Strömungskanal 4 zum Kondensator 8. Die Luft wird erwärmt und durch den Warmluft-Strömungspfad 16 in die Umgebung verbracht.
Bei Wärmepumpenbetrieb, das heißt dem Erwärmen der dem Fahrgastraum 9 zuzuführenden Luft, sind die Luftleiteinrichtungen 23, 24 derart ausgerichtet, dass der Luftmassenstrom durch den Kaltluft-Strömungspfad 11 in die Umgebung geleitet wird, während der Kaltluft-Strömungspfad 12 verschlossen ist. Die Luftleiteinrichtungen 25, 26 sind dabei derart ausgerichtet, dass der Luftmassenstrom durch den Warmluft-Strömungspfad 17 zum Fahrgastraum 9 geleitet wird, während der Warmluft-Strömungspfad 16 verschlossen ist. Die Luftleiteinrichtungen 19, 22 sind verschlossen.
Das Gebläse 5 fördert die Luft durch den ersten Strömungskanal 3 zum Verdampfer 7. Die Luft wird abgekühlt und strömt durch den Kaltluft-Strömungspfad 11 in die Umgebung. Das Gebläse 6 fördert die Luft durch den zweiten Strömungskanal 4 zum Kondensator 8. Die Luft wird erwärmt und gelangt durch den Warmluft-Strömungspfad 17 in den Fahrgastraum 9.
Beim Nachheizbetrieb sind die Luftleiteinrichtungen 19, 22, 23, 24, 25, 26, je nach Bedarf in verschiedenen Positionen zwischen vollständig geöffnet bis vollständig geschlossen angeordnet. Durch die Stellungen der Luftleiteinrichtungen 23, 24, 19, 22 sowie der Drehzahl des Gebläses 5 wird der aufzuwärmende Luftmassenstrom variiert. Der im Strömungspfad 14 angeordnete Bereich des Kondensators 8 ist lediglich für den Nachheizbetrieb nutzbar.
Alternativ können die jeweils als zwei getrennte Klappen ausgebildeten Luftleiteinrichtungen 23, 24 sowie 25, 26 auch als jeweils eine Klappe 13 sowie 18 ausgebildet sein, wobei die Klappe 13 innerhalb der Kaltluft-Strömungspfade 11, 12 und die Klappe 18 innerhalb der Warmluft-Strömungspfade 16, 17 angeordnet ist, was auch 2 zu entnehmen ist. Die Klappe 13 ist zwischen der ersten Endstellung, in welcher der Kaltluft-Strömungspfad 11 voll geöffnet und der Kaltluft-Strömungspfad 12 vollständig geschlossen ist, und der zweiten Endstellung, in welcher der Kaltluft-Strömungspfad 12 voll geöffnet und der Kaltluft-Strömungspfad 11 vollständig geschlossen ist, verstellbar. Gleichermaßen ist die Klappe 18 zwischen der ersten Endstellung, in welcher der Warmluft-Strömungspfad 17 voll geöffnet und der Warmluft-Strömungspfad 16 vollständig geschlossen ist, und der zweiten Endstellung, in welcher der Warmluft-Strömungspfad 16 voll geöffnet und der Warmluft-Strömungspfad 17 vollständig geschlossen ist, positionierbar.
Bei der Ausführungsform nach 2 ist der Kondensator 8 zentral innerhalb der Strömungskanäle 3, 4 angeordnet. Unter der zentralen Anordnung ist dabei eine Ausrichtung des Kondensators 8 in Bezug auf die Trennwand 10 zu verstehen, welche den Kondensator 8 in zwei gleich große Bereiche unterteilt. Der erste Bereich ist innerhalb des zweiten Strömungskanals 4 angeordnet und bedeckt den gesamten Strömungsquerschnitt des Strömungskanals 4. Der zweite Bereich des Kondensators 8 ist innerhalb des ersten Strömungskanals 3 angeordnet und bedeckt lediglich einen Teilquerschnitt des Strömungskanals 3. Der nicht vom Kondensator 8 bedeckte Strömungsquerschnitt entspricht dem Bypasskanal 15 der Ausführungsformen nach 1.
Der erste und der zweite Strömungskanal 3, 4 werden durch die Trennwand 10 sowie durch zwei zusätzliche als bewegliche Klappen ausgebildete Luftleiteinrichtungen 27, 28 und durch als Luftleitbleche ausgebildete statische Luftleiteinrichtungen 29, 30 voneinander getrennt. Der durch den Kondensator 8 geleitete Luftmassenstrom wird entsprechend der Drehzahl des Gebläses 6 und der Stellung der Luftleiteinrichtungen 27, 28 bestimmt.
Die aufeinander abgestimmte Formen aufweisenden Luftleiteinrichtungen 27, 28 sowie die Luftleitbleche 29, 30 bilden eine Luftleitvorrichtung für den Wärmeübertrager und dienen der Verhinderung einer Vermischung des beim Durchströmen des Verdampfers 7 abgekühlten und konditionierten Luftmassenstroms innerhalb des ersten Strömungskanals 3 mit dem nicht-konditionierten Luftmassenstrom des zweiten Strömungskanals 4. Die Luftleitbleche 29, 30 sind parallel zur Trennwand 10 ausgerichtet angeordnet, sodass die entlang der Trennwand 10 strömenden Luftmassenströme beim Anströmen der Luftleitbleche 29, 30 und beim Vorbeiströmen beziehungsweise Durchströmen keine Umlenkung in der Strömungsrichtung erfahren.
Die zu beiden Seiten jeweils in die Strömungskanäle 3, 4 hinein und damit von der Trennwand 10 weiter entfernt angeordneten Luftleitbleche 29, 30 weisen eine zunehmende Länge L auf. Je weiter die Luftleitbleche 29, 30 von der Trennwand 10 entfernt angeordnet sind, umso größer ist die Länge L der Luftleitbleche 29, 30, wobei die Längen L der nebeneinander angeordneten Luftleitbleche 29, 30 derart zunehmen, dass die Enden der gesamten Anordnung der Luftleitbleche 29, 30 zwei konkav geformte Flächen 31, 32 bilden. Die Flächen 31, 32 sind jeweils rechteckig ausgebildet und jeweils um eine Achse 33, 34, welche parallel zu den Flächen 31, 32 ausgerichtet sind, gleichmäßig gebogen, sodass die ersten zwei gegenüberliegenden Seitenkanten einer rechteckigen Fläche 31, 32 jeweils eine Gerade bilden, während die zweiten zwei gegenüberliegenden Seitenkanten einen Kreisbogen beschreiben. Die Mittelpunkte der Kreisbögen stellen jeweils die Achse 33, 34 dar, um welche die rechteckige Fläche 31, 32 gebogen ist. Die Achsen 33, 34 entsprechen dabei den Drehachsen 33, 34 der beweglichen Luftleiteinrichtungen 27, 28. Die Radien der kreisbogenförmig gebogenen Flächen 31, 32 entsprechen der Längsausdehnung der Luftleiteinrichtungen 27, 28, das heißt der Ausdehnung der beweglichen Luftleiteinrichtungen 27, 28 in Strömungsrichtung der Luftmassenströme durch die Strömungskanäle 3, 4.
Die schwenkbaren Luftleiteinrichtungen 27, 28 sind mit der von der Drehachse 33, 34 abgewandten Seitenkante zu der konkav gekrümmten, von den Enden der Luftleitbleche 29, 30 aufgespannten Fläche 31, 32 ausgerichtet. Zur freien Beweglichkeit der Luftleiteinrichtungen 27, 28 verbleibt zwischen der Fläche 31, 32 und der Seitenkante der Luftleiteinrichtung 27, 28 ein Spalt minimaler Breite, welcher die Strömung des Luftmassenstroms nicht oder nur in vernachlässigbarer Weise beeinflusst.
Durch gleichzeitiges Drehen der Luftleiteinrichtungen 27, 28 um die jeweilige Drehachse 33, 34 in entgegengesetzter Drehrichtung 35, 36 ist der Anteil der Bereiche des Kondensators 8 im ersten Strömungskanal 3 sowie im zweiten Strömungskanal 4 einstellbar. Die Aufteilung der Bereiche des Kondensators 8 kann dabei im Wesentlichen stufenlos erfolgen. Mögliche Stufen innerhalb der Verdrehung der Luftleiteinrichtungen 27, 28 ergeben sich aus den Abständen der Luftleitbleche 29, 30 senkrecht zur Strömungsrichtung der Luftmassenströme durch die Strömungskanäle 3, 4. Die Luftleiteinrichtungen 27, 28 werden nach der Verdrehung derart ausgerichtet, dass die parallel zur Drehachse 33, 34 und von der Drehachse 33, 34 abgewandt angeordneten Seitenkanten einem Ende eines Luftleitbleches 29, 30 gegenübersteht, damit der Luftmassenstrom an einer durchgehenden Fläche entlangströmen kann. Die bei Zwischenstellungen der Luftleiteinrichtungen 27, 28 in Bezug auf die Luftleitbleche 29, 30 auftretenden Leckageströme sind vernachlässigbar. Unter einer Zwischenstellung ist eine Stellung der Luftleiteinrichtungen 27, 28 zu verstehen, bei der die Seitenkanten der Luftleiteinrichtungen 27, 28 nicht exakt einer Kante eines Luftleitbleches 29, 30 gegenübersteht, sondern zwischen zwei Luftleitblechen 29, 30 angeordnet ist.
Bei einer Verdrehung der Luftleiteinrichtungen 27, 28 in den Drehrichtungen 35, 36 bis zur größten Längsausdehnung der Luftleitbleche 29, 30, das heißt bis zum Erreichen der äußeren Gehäusewandung des zweiten Strömungskanals 4, ist der gesamte Kondensator 8 innerhalb des ersten Strömungskanals 3 angeordnet. Die Luftleiteinrichtungen 27, 28 befinden sich in der ersten Endstellung. Bei einer Verdrehung der Luftleiteinrichtungen 27, 28 entgegengesetzt der Drehrichtungen 35, 36 bis zur größten Längsausdehnung der Luftleitbleche 29, 30, das heißt in Richtung der äußeren Gehäusewandung des ersten Strömungskanals 3 beziehungsweise in Richtung des Bypasskanals 15, ist der gesamte Kondensator 8 innerhalb des zweiten Strömungskanals 4 angeordnet. Die Luftleiteinrichtungen 27, 28 befinden sich in der zweiten Endstellung. Neben den beiden Endstellungen sind die Luftleiteinrichtungen 27, 28 in Zwischenpositionen einstellbar. Die mittlere Zwischenposition ist in 2 dargestellt.
Durch gleichzeitiges Drehen der Luftleiteinrichtungen 27, 28 um die jeweilige Drehachse 33, 34 in entgegengesetzter Drehrichtung 35, 36 und um den gleichen Winkel kann der Anteil der Bereiche des Kondensators 8 stufenlos eingestellt werden.
Beim reinen Kälteanlagenbetrieb oder reinem Heizbetrieb sind die Luftleiteinrichtungen 27, 28 in der zweiten Endstellung angeordnet. Der Kondensator 8 ist mit der Wärmeübertragungsfläche vollständig innerhalb des zweiten Strömungskanals 4 angeordnet.
Beim Kälteanlagenbetrieb öffnet die Luftleiteinrichtung 13 den Bypasskanal 15 und verschließt den Kaltluft-Strömungspfad 11 in die Umgebung, sodass der durch das Gebläse 5 angesaugte und beim Überströmen des Verdampfers 7 abgekühlte und entfeuchtete Luftmassenstrom durch den Bypasskanal 15 und den Kaltluft-Strömungspfad 12 in den Fahrgastraum 9 geleitet wird. Andererseits wird der durch das Gebläse 6 geförderte und beim Überströmen des Kondensators 8 erwärmte Luftmassenstrom durch den Warmluft-Strömungspfad 16, welcher von der Luftleiteinrichtung 18 geöffnet wird, in die Umgebung verbracht. Der Warmluft-Strömungspfad 17 ist verschlossen.
Der die Wärme vom Kältemittel aufnehmende Luftmassenstrom im zweiten Strömungskanal 4 weist einen Wert geringer als 2000 kg/h, bevorzugt etwa 1000 kg/h, auf. Dabei wird eine Leistung von mehr als 2 kW übertragen und der Luftmassenstrom auf eine Temperatur erwärmt, welche größer ist als die Kondensationstemperatur des Kältemittels.
Beim Heizbetrieb öffnet die Luftleiteinrichtung 13 den Kaltluft-Strömungspfad 11 und verschließt den Bypasskanal 15, sodass der durch das Gebläse 5 angesaugte und beim Überströmen des Verdampfers 7 abgekühlte Luftmassenstrom durch den Kaltluft-Strömungspfad 11 in die Umgebung verbracht wird. Andererseits wird der durch das Gebläse 6 geförderte und beim Überströmen des Kondensators 8 erwärmte Luftmassenstrom durch den Warmluft-Strömungspfad 17, welcher nunmehr von der Luftleiteinrichtung 18 geöffnet wird, in den Fahrgastraum 9 gefördert, während der Warmluft-Strömungspfad 16 verschlossen ist.
Der die Wärme vom Kältemittel aufnehmende Luftmassenstrom im zweiten Strömungskanal 4 weist einen Wert größer als 100 kg/h, bevorzugt etwa 250 kg/h, auf. Dabei wird eine Leistung von mehr als 1 kW übertragen und der Luftmassenstrom auf eine Temperatur erwärmt, welche größer ist als die Kondensationstemperatur des Kältemittels. Der Luftmassenstrom weist vor dem Eintritt in den Fahrgastraum 9 eine Temperatur auf, welche mehr als 10 K über der Kondensationstemperatur des Kältemittels liegt.
Im Nachheizbetrieb wird nach einer ersten Alternative ein Luftmassenstrom von weniger als 2000 kg/h, bevorzugt etwa 1000 kg/h, mit einer Heizleistung von größer als 2 kW auf eine Temperatur oberhalb der Kondensationstemperatur des Kältemittels erwärmt. Der in das Klimatisierungssystem eingeleitete Luftmassenstrom wird in einen ersten Teilluftmassenstrom, welcher nach dem Aufheizen in die Umgebung abgeleitet wird, sowie einen zweiten Teilluftmassenstrom aufgeteilt. Der zweite Teilluftmassenstrom wird abgekühlt und entfeuchtet und anschließend in einen Teilluftmassenstrom zum Nachheizen und einen Kaltluftmassenstrom aufgeteilt, wobei der nachgeheizte Teilluftmassenstrom nach dem Nachheizen mit dem durch den Bypass 15 geförderten Kaltluftmassenstrom gemischt wird.
Dabei wird die Heizleistung zum Nachheizen mittels der als Klappen ausgebildeten Luftleiteinrichtungen 19, 22, 24 gemäß 1 sowie mittels der jeweils als Klappe ausgebildeten Luftleiteinrichtung 13, 24 gemäß den 2 oder 3a und 3b und damit den Teilluftmassenströmen durch den Strömungspfad 14 beziehungsweise den Bypasskanal 15 geregelt. Der beim Durchströmen des ersten Bereiches des Kondensators 8 aufgeheizte Teilluftmassenstrom wird durch die geöffnete Klappe 25 gemäß 1 und bei geöffnetem Warmluft-Strömungspfad 16 durch Stellung der Klappe 18 gemäß 2 in die Umgebung geleitet.
Der Anteil der letztendlich genutzten Heizleistung wird folglich über den Anteil des nachgeheizten Luftmassenstroms geregelt, welcher mit dem Kaltluftmassenstrom gemischt wird. Die Luftmassenströme werden im Bereich des Zusammentreffens von Strömungspfad 14 und Bypass 15 zusammengeführt und gemischt. Die Temperatur des vermischten Luftmassenstroms, auch als Mischtemperatur bezeichnet, wird über einen Temperatursensor im vermischten Luftmassenstrom erfasst und über das Druckniveau des Kältemittels im Kondensator 8 geregelt. Der vermischte Luftmassenstrom wird in den Fahrgastraum (9) eingeleitet.
Nach einer zweiten Alternative wird der Kondensator 8 im Nachheizbetrieb mit einem Luftmassenstrom beaufschlagt, welcher sich aus zwei Teilluftmassenströmen mit unterschiedlicher Temperatur der Luft und/oder unterschiedlicher absoluter Luftfeuchtigkeit zusammensetzt. Dabei wird der erste Bereich des Kondensators 8 mit dem ersten Teilluftmassenstrom durchströmt, während der zweite Bereich des Kondensators 8 mit dem zweiten Teilluftmassenstrom durchströmt wird. Beim Überströmen der Wärmeübertragungsflächen werden die Teilluftmassenströme nicht oder nur in vernachlässigbarer Weise vermischt. Die vom Kondensator 8 übertragene Leistung wird über den durch den zweiten Bereich geleiteten Teilluftmassenstrom beziehungsweise die Aufteilung der Flächen der Bereiche des Kondensators 8 mittels der Verstellung der Luftleiteinrichtungen 27, 28 geregelt. Der durch den ersten Bereich geleitete Teilluftmassenstrom wird nach Durchströmen des Kondensators 8 durch den Warmluft-Strömungspfad 16 in die Umgebung abgeführt. Das Temperaturniveau des dem Fahrgastraum 9 zuzuführenden, durch den zweiten Bereich des Kondensators 8 geleiteten Luftmassenstroms wird über einen in Strömungsrichtung der Luft nach dem Kondensator 8 angeordneten Temperatursensor erfasst und über das Druckniveau des Kältemittels im Kondensator 8 geregelt.
Nach einer dritten Alternative wird gemäß 2 oder 3a und 3b die Heizleistung zum Nachheizen jeweils mittels der als Klappen ausgebildeten Luftleiteinrichtungen 27, 28, 27', 28' sowie mittels der jeweils als Klappe ausgebildeten Luftleiteinrichtung 13, 24 geregelt. Die Heizleistung zum Nachheizen wird folglich zum einen über die Größe der Wärmeübertragungsfläche beziehungsweise die Aufteilung der Flächen der Bereiche des Kondensators 8 und zum anderen über das Verhältnis der zu mischenden Teilluftmassenströme, Kaltluftmassenstrom durch den Bypasskanal 15 und nachgeheizter Teilluftmassenstrom durch den Strömungspfad 14, variiert. Der durch den ersten Bereich des Kondensators 8 geleitete, aufgeheizte Teilluftmassenstrom wird bei geöffnetem Warmluft-Strömungspfad 16 durch Stellung der Klappe 18 in die Umgebung geleitet.
3a zeigt den zentral angeordneten Kondensator 8 mit den als beweglichen Klappen ausgebildeten Luftleiteinrichtungen 27, 28 und den durch als Luftleitbleche ausgebildeten statischen Luftleiteinrichtungen 29, 30 aus 2 in Einzeldarstellung. Der Bypass 15 wird mittels der Luftleiteinrichtung 24 gemäß 1 verschlossen oder geöffnet.
Das Klimatisierungssystem 1 kann im reinen Kälteanlagenbetrieb und im reinen Heizbetrieb sowie in einem Mischbetrieb beziehungsweise Nachheizbetrieb betrieben werden. Das nichtdargestellte Gebläse 5 fördert einen Luftmassenstrom durch den ersten Strömungskanal 3, welcher vollständig über den Verdampfer 7 strömt, dabei abgekühlt und entfeuchtet wird. Das nichtdargestellte Gebläse 6 fördert einen Luftmassenstrom durch den zweiten Strömungskanal 4, welcher über einen Teilbereich des Kondensators 8 geleitet wird und die im Verdampfer 7 vom Kältemittel aufgenommene Wärme wieder abführt.
Die Luftleiteinrichtungen 27, 28 sind dabei derart ausgerichtet, dass ein erster Bereich des Kondensators 8 im zweiten Strömungskanal 4 und ein zweiter Bereich des Kondensators 8 im ersten Strömungskanal 3 angeordnet ist. Die Luftleiteinrichtung 24 ist derart ausgerichtet, dass der Bypass 15 geschlossen ist und der gesamte durch den ersten Strömungskanal 3 und über den Verdampfer 7 geförderte Luftmassenstrom durch den zweiten Bereich des Kondensators 8 geleitet wird. Der Luftmassenstrom aus abgekühlter und entfeuchteter Luft wird beim Durchströmen des zweiten Bereichs des Kondensators 8 wieder erwärmt.
Ein zweiter Luftmassenstrom wird parallel zum Luftmassenstrom im ersten Strömungskanal 3 über den ersten Bereich des Kondensators 8 im zweiten Strömungskanal 4 gefördert und dabei erwärmt. Der durch den zweiten Strömungskanal 4 strömende Luftmassenstrom wird in die Umgebung abgeführt.
Die strömungskanalübergreifende Anordnung des Kondensators 8 nach 2 und 3a bewirkt eine regelbare Aufteilung der Wärmeübertragungsfläche in zwei Bereiche. Der Kondensator 8 ist dabei in Bereiche von 0% bis 100% der gesamten Wärmeübertragungsfläche unterteilbar. Bei Unterteilungen von 0% beziehungsweise 100% ist der Kondensator 8 vollständig in einem der Strömungskanäle 3, 4 angeordnet. Bei einer Wärmeübertrageranordnung mit einer von 0% oder 100% abweichenden Aufteilung der Wärmeübertragungsfläche sind die Bereiche anteilig innerhalb des Strömungskanals 3 und innerhalb des Strömungskanals 4 angeordnet.
In 3b ist der Kondensator 8 derart angeordnet dargestellt, dass die Wärmeübertragungsfläche im Bereich von 0% bis etwa 30% regelbar aufgeteilt werden kann. Der größere Teilbereich der Wärmeübertragungsfläche ist mit etwa 70% nicht-regelbar innerhalb des Strömungskanals 4 angeordnet. Die regelbare Aufteilung erfolgt mittels der Luftleitvorrichtung, umfassend die Luftleiteinrichtungen 27', 28' sowie die Luftleitbleche 29', 30'.
Der Kondensator 8 ist in Bezug auf die Trennwand 10 derart ausgerichtet, dass die gesamte Wärmeübertragungsfläche einerseits der Trennwand 10 angeordnet ist. Der Kondensator 8 befindet sich somit vollständig innerhalb des Strömungskanals 4. Die Strömungskanäle 3, 4 werden durch die Trennwand 10 sowie durch die Luftleiteinrichtungen 27', 28' und durch die statischen Luftleiteinrichtungen 29', 30' voneinander getrennt.
Die Formen der Luftleiteinrichtungen 27', 28' sowie der Luftleitbleche 29', 30' sind, ähnlich der Ausbildung nach 2 und 3a, derart aufeinander abgestimmt, dass eine Vermischung der Luftmassenströme in den Strömungskanälen 3, 4 verhindert wird. Die Luftleitbleche 29', 30' sind wiederum parallel zur Trennwand 10 ausgerichtet. Die Enden der gesamten Anordnung der Luftleitbleche 29', 30' bilden zwei konkav geformte Flächen aus, welche jeweils um eine Achse 33', 34' gleichmäßig gebogen sind. Die Mittelpunkte der Kreisbögen entsprechen jeweils den Achsen 33', 34', um welche die konkav geformten Flächen gebogen sind, und den Drehachsen 33', 34' der beweglichen Luftleiteinrichtungen 27', 28'. Die Radien der kreisbogenförmig gebogenen Flächen sind identisch mit der Längsausdehnung der Luftleiteinrichtungen 27', 28', das heißt der Ausdehnung der beweglichen Luftleiteinrichtungen 27', 28' in Strömungsrichtung der Luftmassenströme durch die Strömungskanäle 3, 4.
Die schwenkbaren Luftleiteinrichtungen 27', 28' sind mit der von der Drehachse 33', 34' abgewandten Seitenkante zu der konkav gekrümmten Fläche der Enden der Luftleitbleche 29', 30' ausgerichtet. Zur freien Beweglichkeit der Luftleiteinrichtungen 27', 28' verbleibt zwischen der Fläche und der Seitenkante der Luftleiteinrichtung 27', 28' ein Spalt minimaler Breite, welcher die Strömung des Luftmassenstroms nicht oder nur in vernachlässigbarer Weise beeinflusst.
Damit sind die Luftleitvorrichtungen der Ausbildungen nach 2 beziehungsweise 3a und 3b ähnlich. Die Luftleitvorrichtung nach 3b umfasst lediglich einen geringeren Bereich der Querschnittsfläche des Kondensators 8.
Zur Darstellung der Einstellung der Aufteilung der Luftmassenströme wird auf die Beschreibung zu 2 verwiesen. Bei einer Verdrehung der Luftleiteinrichtungen 27', 28' bis zur größten Längsausdehnung der Luftleitbleche 29', 30' ist ein Bereich von etwa 30% der Wärmeübertragungsfläche des Kondensators 8 innerhalb des ersten Strömungskanals 3 angeordnet. Bei einer Ausrichtung der Luftleiteinrichtungen 27', 28' in Richtung der Trennwand 10 ist der gesamte Kondensator 8 innerhalb des zweiten Strömungskanals 4 angeordnet. Die Luftleiteinrichtungen 27', 28' sind ebenso stufenlos in Zwischenpositionen einstellbar, wie aus 3b zu entnehmen ist.
Der Bypass 15 innerhalb des Strömungskanals 3 wird mittels der Luftleiteinrichtung 24 verschlossen oder geöffnet.
Es ist von Vorteil, wenn der Kondensator 8 beispielsweise aus Flachrohren ausgebildet ist, welche mit ihrer flachen Seite in Richtung der Luftleitbleche 29, 29', 30, 30' und damit in Strömungsrichtung der Luft ausgerichtet sind. Zudem kann die Anzahl der Luftleitbleche 29, 29', 30, 30' eines Gitters vorteilhaft der Anzahl der Rohre des Kondensators 8 entsprechen, wobei jedes Rohr mit der Schmalseite in Strömungsrichtung der Luft fluchtend zu einem Luftleitblech 29, 29', 30, 30' angeordnet ist. Auch bei unterschiedlicher Anzahl der Rohre des Kondensators 8 und der Luftleitbleche 29, 29', 30, 30' eines Gitters sollten sich ein Luftleitblech 29, 29', 30, 30' und ein Rohr mit seiner Schmalseite gegenüberstehend ausgerichtet sein.
Der Kondensator 8 weist dabei Flachrohre mit einer Breite größer als 8 mm auf, wobei eine Breite im Bereich von 11,5 mm bis 18 mm bevorzugt wird. Nach einer vorteilhaften Ausbildung sind die Flachrohre mit einer Breite von 12,3 mm oder 16 mm ausgebildet.
Mit der Wärmeübertrageranordnung mit dem als Kondensator 8 ausgebildeten zweiten Wärmeübertrager besteht sowohl im Kälteanlagenbetrieb als auch im Wärmepumpenbetrieb die Möglichkeit, die bereits beim Überströmen der Wärmeübertragungsfläche des Verdampfers 7 konditionierte Luft mittels modularer Trennwände von der Umgebungsluft zu trennen.
In 4 ist das Klimatisierungssystem 1 gemäß der Ausführung nach 1 mit einem im Klimatisierungssystem 1 integrierten, geschlossenen und vollständigen Kältemittelkreislauf 60 dargestellt. Der Kältemittelkreislauf ist für R134a, R744, R1234yf oder andere Kältemittel ausgelegt.
Der Kältemittelkreislauf 60 umfasst den Verdampfer 7, einen Verdichter 61, den Kondensator 8, einen Sammler 64 und ein Expansionsorgan 67. Die Komponenten des Kältemittelkreislaufes 60 sind mittels Kältemittelleitungen 62, 63, 65, 66, 68, 69 verbunden. Die Saugleitung 69 verbindet den Verdampfer 7 mit dem Verdichter 61, während die Druckleitung 62 den Verdichter 61 mit dem Kondensator 8 verbindet. Durch die Druckleitung 63 strömt das Kältemittel aus einem ersten Abschnitt des Kondensators 8 zum Sammler 64. Die Druckleitungen 65 und 66 verbinden den Sammler 64 mit dem Einlass eines zweiten Abschnitts des Kondensators 8 und den Auslass des zweiten Abschnitts des Kondensators 8 mit dem Expansionsorgan 67. Vom Expansionsorgan 67 strömt das Kältemittel durch die Kältemittelleitung 68 zum Verdampfer 7.
Der Verdichter 61 ist bevorzugt als elektrisch angetriebener Verdichter ausgebildet, kann alternativ aber auch von einem Verbrennungsmotor des Fahrzeuges angetrieben werden. Das Expansionsorgan 67 ist vorteilhaft als regelbares Expansionsorgan beziehungsweise Expansionsventil ausgebildet, kann aber alternativ auch als thermostatisches Expansionsventil ausgeführt sein.
Aus den 4, 5a und 5b gehen unterschiedliche Konfigurationen des Kondensators 8 hervor.
In 4 ist der Kondensator 8 als eine Komponente ausgebildet. Das Kältemittel strömt durch die Kältemittelleitung 62 in den ersten Abschnitt des Kondensators 8 ein und wird nach dem Ausströmen aus dem ersten Abschnitt durch die Kältemittelleitung 63 zum Sammler 64 geleitet. Nach dem Verlassen des Sammlers 64 strömt das Kältemittel durch die Kältemittelleitung 65 in den zweiten Abschnitt des Kondensators 8 ein, welcher beispielsweise zur Unterkühlung des Kältemittels ausgebildet ist. Über die Kältemittelleitung 66 strömt das Kältemittel zum Expansionsorgan 67.
In der Ausführungsform nach den 5a und 5b ist der Kondensator 8 aus zwei unabhängigen Komponenten 8a, 8b zusammengesetzt. In Strömungsrichtung des Kältemittels zwischen den Komponenten 8a, 8b ist ein Kältemittel-Phasentrennungsglied angeordnet, welches als Sammler 64 mit integrierter Flüssigkeitsabscheidung ausgebildet ist.
Das Kältemittel strömt durch die Kältemittelleitung 62 in die erste Komponente 8a ein, welche zur Enthitzung und Kondensation des Kältemittels vorgesehen ist, und wird nach dem Ausströmen aus der ersten Komponente 8a durch die Kältemittelleitung 63 zum Sammler 64 geleitet. Nach dem Verlassen des Sammlers 64 strömt das Kältemittel durch die Kältemittelleitung 65 in die zweite Komponente 8b ein, welche zur Unterkühlung des Kältemittels ausgebildet ist. Über die Kältemittelleitung 66 strömt das Kältemittel zum Expansionsorgan 67.
Mit Hilfe des als Kältemittel-Phasentrennungselement mit integrierter Flüssigkeitsabscheidung ausgebildeten Sammlers 64 wird die zweite Komponente 8b, welche in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Sammler 64 angeordnet ist, lediglich mit flüssigem Kältemittel beaufschlagt. Durch Abtrennen der Gasphase besteht die Möglichkeit, die Komponente 8b mit einem geringeren Volumen und damit geringerem Platzbedarf auszubilden. Die erforderlichen Strömungsquerschnitte für das Kältemittel sind geringer als beim Durchströmen mit zweiphasigem Kältemittel mit einem Dampfanteil in der Flüssigphase.
Die Wärmeübertrageranordnungen weisen eine mehrreihig ausgebildete Kondensations- und Enthitzungsfläche sowie eine zusätzliche Unterkühlungsfläche auf. Die Komponente 8a zur Enthitzung und Kondensation des Kältemittels ist mindestens zweireihig, aber bevorzugt vierreihig ausgebildet. Die Komponente 8b zur Unterkühlung des Kältemittels weist mindestens eine Reihe, aber bevorzugt zwei Reihen auf.
Bei der Wärmeübertrageranordnung nach 5a sind die Komponenten 8a, 8b des Kondensators 8 in Bezug auf den Luftmassenstrom in Reihe hintereinander ausgerichtet und werden nacheinander vom Luftmassenstrom durchströmt. Der Luftmassenstrom strömt dabei die Kondensations- und Enthitzungsfläche der Komponente 8a an und wird anschließend über die Unterkühlungsfläche der Komponente 8b geleitet.
Bei der Wärmeübertrageranordnung nach 5b sind die Komponenten 8a, 8b des Kondensators 8 parallel nebeneinander ausgerichtet. Dabei könnte die Komponente 8a mit der Enthitzungs- und Kondensationsfläche innerhalb des zweiten Strömungskanals 4 angeordnet sein, während die Komponente 8b innerhalb des ersten Strömungskanals 3 angeordnet ist. Die Komponenten 8a, 8b beziehungsweise die Kondensations- und Enthitzungsfläche sowie die Unterkühlungsfläche werden dabei parallel von den Luftmassenströmen innerhalb der Strömungskanäle 3, 4 angeströmt. Der durch den Strömungskanal 3 strömende, zuvor abgekühlte und entfeuchtete Luftmassenstrom wird beim Überströmen der Unterkühlungsfläche der Komponente 8b im Nachheizbetrieb des Klimatisierungssystems 1 wieder erwärmt.
Die Komponente 8b kann alternativ auch außerhalb des Gehäuses 2 des Klimatisierungssystems 1 angeordnet sein und wird dann mit Fahrtwind beaufschlagt.
Bezugszeichenliste

1: Klimatisierungssystem
2: Gehäuse
3: erster Strömungskanal
4: zweiter Strömungskanal
5, 6: Gebläse
7: Wärmeübertrager, Verdampfer
8: Wärmeübertrager, Kondensator
8a, 8b: Komponenten des Kondensators 8
9: Fahrgastraum
10: Trennwand
11, 12: Kaltluft-Strömungspfad
13: Luftleiteinrichtung/Klappe der Kaltluft-Strömungspfade 11, 12
14: Strömungspfad im ersten Strömungskanal 3
15: Bypasskanal im ersten Strömungskanal 3
16, 17: Warmluft-Strömungspfad
18: Luftleiteinrichtung/Klappe der Warmluft-Strömungspfade 16, 17
19: Luftleiteinrichtung für Einlass in Strömungspfad 14
22: Luftleiteinrichtung für Auslass aus Strömungspfad 14
23: Luftleiteinrichtung/Klappe der Kaltluft für Kaltluft-Strömungspfad 11
24: Luftleiteinrichtung/Klappe für Bypasskanal 15
25, 26: Luftleiteinrichtung/Klappe des Warmluft-Strömungspfades 16, 17
27, 27': Luftleiteinrichtung/Klappe zwischen erstem und zweitem Strömungskanal 3, 4 zum Anströmen des Kondensators 8
28, 28': Luftleiteinrichtung/Klappe zwischen erstem und zweitem Strömungskanal 3, 4 beim Abströmen von Kondensator 8
29, 29': statische Luftleiteinrichtung/Luftleitblech
30, 30': statische Luftleiteinrichtung/Luftleitblech
31, 32: Fläche der statischen Luftleiteinrichtung 29, 30
33, 34: Achse, Drehachse der Luftleiteinrichtung 27, 28
35, 36: Drehrichtung der Luftleiteinrichtung 27, 28
60: Kältemittelkreislauf
61: Verdichter
62, 63: Kältemittelleitung, Druckleitung
64: Sammler
65, 66, 68: Kältemittelleitung, Druckleitung
67: Expansionsorgan
69: Kältemittelleitung, Saugleitung
L: Länge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009028522 A1 [0014]
FR 2743027 A1 [0015]

Claims

Wärmeübertrageranordnung zur Erwärmung von Luft, aufweisend einen Wärmeübertrager (8), welcher in einem Kältemittelkreislauf (60) integriert, von Kältemittel durchströmbar und mit Luft beaufschlagbar derart ausgebildet ist, dass Wärme vom Kältemittel an die Luft übertragbar ist, wobei das Kältemittel enthitzt, kondensiert und unterkühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (8) – zwei voneinander getrennt ausgebildete Komponenten (8a, 8b) aufweist, wobei – die erste Komponente (8a) mit einer Kondensationsfläche und einer Enthitzungsfläche und die zweite Komponente (8b) mit einer Unterkühlungsfläche ausgebildet ist und – kältemittelseitig zwischen den Komponenten (8a, 8b) ein Kältemittel-Phasentrennungselement angeordnet ist, sowie – als Rohrwärmeübertrager mit in Reihen angeordneten Rohren ausgebildet ist, wobei die erste Komponente (8a) mindestens zweireihig und die zweite Komponente (8b) mindestens einreihig ausgebildet ist, und dass die Luft auf ein Temperaturniveau erwärmbar ist, welches höher ist als das Temperaturniveau der Kondensation des Kältemittels.
Wärmeübertrageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (8) als Kreuzgegenstromwärmeübertrager ausgebildet ist.
Wärmeübertrageranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (8) aus Flachrohren ausgebildet ist, wobei die Flachrohre eine Breite größer als 8 mm aufweisen.
Wärmeübertrageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (8) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass die Komponenten (8a, 8b) parallel mit Luft beaufschlagbar sind.
Wärmeübertrageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (8) eine Luftleitvorrichtung zur Aufteilung der Wärmeübertragungsfläche in mindestens zwei Teilbereiche aufweist, wobei – die Teilbereiche mit unterschiedlichen Luftmassenströmen beaufschlagbar sind und – ein Teilbereich einen Bereich von 0% bis 100% der gesamten Wärmeübertragungsfläche des Wärmeübertragers (8) aufweisen kann.
Klimatisierungssystem (1) zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraumes (9) eines Kraftfahrzeuges mit einer Wärmeübertrageranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei – das Klimatisierungssystem (1) ein Gehäuse (2) mit einem ersten Strömungskanal (3) und einem zweiten Strömungskanal (4) zum Leiten von Luft aufweist, – der Kältemittelkreislauf (60) einen ersten Wärmeübertrager (7), einen Verdichter (61), einen zweiten Wärmeübertrager (8) und ein Expansionsorgan (67) aufweist, wobei der erste Wärmeübertrager (7) im ersten Strömungskanal (3) und der zweite Wärmeübertrager (8) im zweiten Strömungskanal (4) angeordnet sind, sowie – das Klimatisierungssystem (1) für einen Kälteanlagenbetrieb und einen Wärmepumpenbetrieb zum Kühlen und zum Heizen des Fahrgastraumes (9) sowie für einen Nachheizbetrieb ausgebildet ist, wobei der zweite Wärmeübertrager (8) unabhängig vom Betriebsmodus als Kondensator ausgebildet und betreibbar ist.
Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems (1) für einen kombinierten Kälteanlagen- und Wärmepumpenbetrieb zum Kühlen und zum Heizen sowie für einen Nachheizbetrieb zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraumes (9) eines Kraftfahrzeuges, umfassend folgende Schritte im Nachheizbetrieb: – Einleiten eines ersten Teilluftmassenstroms und eines zweiten Teilluftmassenstroms in das Klimatisierungssystem (1), – Aufteilung des zweiten Teilluftmassenstroms nach dem Überströmen eines Verdampfers (7) in einen Teilluftmassenstrom zum Nachheizen und einen Kaltluftmassenstrom, – Erwärmen des ersten Teilluftmassenstroms und des Teilluftmassenstroms zum Nachheizen beim Überströmen der Wärmeübertragungsfläche eines Kondensators (8) auf eine Temperatur oberhalb der Kondensationstemperatur des Kältemittels, wobei – der erste Teilluftmassenstrom aufgeheizt und – der Teilluftmassenstrom zum Nachheizen nachgeheizt wird sowie – die Heizleistung luftseitig geregelt wird, – Ableiten des ersten Teilluftmassenstroms in die Umgebung, – Mischen des nachgeheizten Teilluftmassenstroms mit dem vorkonditionierten Kaltluftmassenstrom, wobei – die Heizleistung zum Nachheizen über die Anteile des zweiten Teilluftmassenstroms geregelt wird, – die Temperatur des vermischten Luftmassenstroms über einen im Luftmassenstrom angeordneten Temperatursensor erfasst und über das Druckniveau des Kältemittels im Kondensator (8) geregelt wird, und – Einleiten des vermischten zweiten Teilluftmassenstroms in den Fahrgastraum (9).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftmassenstrom einen Wert kleiner als 2000 kg/h aufweist.
Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems (1) für einen kombinierten Kälteanlagen- und Wärmepumpenbetrieb zum Kühlen und zum Heizen sowie für einen Nachheizbetrieb zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraumes (9) eines Kraftfahrzeuges, umfassend folgende Schritte im Nachheizbetrieb: – Beaufschlagen eines ersten Bereiches eines Kondensators (8) mit einem ersten Teilluftmassenstrom und Beaufschlagen eines zweiten Bereiches des Kondensators (8) mit einem zweiten Teilluftmassenstrom, wobei die Teilluftmassenströme unterschiedliche Temperaturen und/oder unterschiedliche absolute Luftfeuchtigkeiten aufweisen, – Regeln der vom Kondensator (8) übertragenen Leistung über die Aufteilung der Flächen der Bereiche des Kondensators (8) und den durch den ersten Bereich des Kondensators (8) geleiteten Teilluftmassenstrom, – Abführen des durch den ersten Bereich des Kondensators (8) geleiteten Teilluftmassenstroms in die Umgebung, – Regeln der Temperatur des durch den zweiten Bereich des Kondensators (8) geleiteten Teilluftmassenstroms über das Druckniveau des Kältemittels im Kondensator (8), wobei die Temperatur über einen in Strömungsrichtung der Luft nach dem Kondensator (8) angeordneten Temperatursensor erfasst wird, und – Einleiten des durch den zweiten Bereich des Kondensators (8) geleiteten Teilluftmassenstroms in den Fahrgastraum (9).
Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems (1) für einen kombinierten Kälteanlagen- und Wärmepumpenbetrieb zum Kühlen und zum Heizen sowie für einen Nachheizbetrieb zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraumes (9) eines Kraftfahrzeuges, umfassend folgende Schritte im Nachheizbetrieb: – Beaufschlagen eines ersten Bereiches eines Kondensators (8) mit einem ersten Teilluftmassenstrom, – Aufteilung eines zweiten Teilluftmassenstroms nach dem Überströmen eines Verdampfers (7) in einen Teilluftmassenstrom zum Nachheizen und einen Kaltluftmassenstrom sowie – Beaufschlagen eines zweiten Bereiches des Kondensators (8) mit dem Teilluftmassenstrom zum Nachheizen, – Regeln der Heizleistung zum Nachheizen über die Aufteilung der Flächen der Bereiche des Kondensators (8) und den durch den ersten Bereich des Kondensators (8) geleiteten Teilluftmassenstrom sowie über die Anteile des zweiten Teilluftmassenstroms, – Abführen des durch den ersten Bereich des Kondensators (8) geleiteten Teilluftmassenstroms in die Umgebung, – Mischen des nachgeheizten Teilluftmassenstroms mit dem vorkonditionierten Kaltluftmassenstrom, – Regeln der Temperatur des durch den zweiten Bereich des Kondensators (8) geleiteten Teilluftmassenstroms über das Druckniveau des Kältemittels im Kondensator (8), wobei die Temperatur über einen in Strömungsrichtung der Luft nach dem Kondensator (8) angeordneten Temperatursensor erfasst wird, und – Einleiten des vermischten zweiten Teilluftmassenstroms in den Fahrgastraum (9).