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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fahrzeugklimatisierungseinrichtung zum Temperieren eines einem Fahrzeuginnenraum zuzuführenden Luftstroms.
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Aus der
DE 10 2011 016 070 A1 ist eine Fahrzeugklimatisierungseinrichtung bekannt, die einen Kühlkreis, in dem ein Kühlmittel zirkuliert, sowie einen Kältekreis umfasst, in dem ein Kältemittel zirkuliert. Im Kühlkreis ist außerdem ein Kabinenwärmetauscher angeordnet, mit dessen Hilfe ein Luftstrom, der einem Fahrzeuginnenraum zuzuführen ist, temperiert werden kann. Der Kältekreis enthält in üblicher Weise einen Kältemittelkompressor, einen Kondensator, ein Expansionsventil und einen Verdampfer. Der Kondensator ist außerdem in den Kühlkreis eingebunden. Der Verdampfer ist außerdem in einen weiteren Kühlkreis der Fahrzeugklimatisierungseinrichtung eingebunden, der zum Kühlen einer Antriebsbatterie des Fahrzeugs, das als Elektrofahrzeug oder als Hybridfahrzeug konfiguriert ist, eingebunden ist. Der Kältekreis ist außerdem mit einem Zusatzverdampfer ausgestattet, mit dessen Hilfe der zuvor genannte Luftstrom zusätzlich gekühlt werden kann.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Fahrzeugklimatisierungseinrichtung eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen relativ hohen energetischen Wirkungsgrad auszeichnet. Des Weiteren soll sich die Fahrzeugklimatisierungseinrichtung vorzugsweise für einen Omnibus eignen.
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Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Heizkreis, der einen Heizwärmetauscher zum Beheizen des dem Fahrzeuginnenraum zuzuführenden Luftstroms enthält, und einen Kühlkreis, der einen Kühlwärmetauscher zum Kühlen dieses Luftstroms enthält, über einen Kältekreis thermisch miteinander zu koppeln, wobei außerdem ein Zusatzwärmetauscher vorgesehen ist, der wahlweise mittels einer entsprechenden Verschaltung dem Heizkreis oder dem Kühlkreis zugeordnet werden kann. Da der Zusatzwärmetauscher durch entsprechende Schaltvorgänge wahlweise dem Kühlkreis oder dem Heizkreis oder weder dem Kühlkreis noch dem Heizkreis fluidisch zugeordnet werden kann, lassen sich Kühlkreis und Heizkreis mit dem gleichen Wärmeübertragungsmittel betreiben, so dass das Heizmittel dem Kühlmittel entspricht. Insbesondere handelt es sich hierbei um Wasser, dem ein Frostschutzmittel zugemischt sein kann. Die Verwendung des gleichen Wärmeübertragungsmittels vereinfacht die Verschaltung und ermöglicht insbesondere einen Fluidaustausch zwischen dem Heizkreis und dem Kühlkreis. Ferner führt die vorgeschlagene Bauweise im Hinblick auf den Kältekreis zu einem vereinfachten Aufbau, da dieser in vielen unterschiedlichen Betriebszuständen der Klimatisierungseinrichtung konstant bzw. gleichmäßig betrieben werden kann.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der ein Wärmetauschermodul vorgesehen ist, das den Zusatzwärmetauscher, die Verschaltung und den wenigstens einen Heizwärmetauscher sowie den wenigstens einen Kühlwärmetauscher enthält. Durch die Zusammenfassung dieser Komponenten in einer Baugruppe, dem Wärmetauschermodul, lässt sich die Klimatisierungseinrichtung einfacher herstellen. Insbesondere sind an einem derartigen Modul vergleichsweise einfache Schnittstellen realisierbar, um die einzelnen, im Modul verlaufenden Teilkreise fluidisch anschließen zu können.
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Zusätzlich oder alternativ kann ein Kältemodul vorgesehen sein, das den Kältekreis enthält. Hierdurch kann der Kältekreis extrem kompakt realisiert werden. Insbesondere ist somit nur vergleichsweise wenig Kältemittel erforderlich. Des Weiteren vereinfacht sich eine hermetisch abgedichtete Montage des Kältekreises im Kältemodul, das eine separate Baugruppe bildet. Insbesondere befinden sich somit sämtliche Kältemittelführenden Komponenten innerhalb des Kältemoduls.
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Das jeweilige Modul kann als Dachaufbaumodul konfiguriert sein, so dass es beispielsweise auf ein Dach eines Fahrzeugs, insbesondere eines Omnibusses, aufgesetzt werden kann.
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Das Wärmetauschermodul kann insbesondere auch ein Gebläse zum Erzeugen eines Luftstroms durch den Zusatzwärmetauscher aufweisen. Ebenso kann das Wärmetauschermodul ein Gebläse zum Erzeugen des zu temperierenden Luftstroms aufweisen, der durch einen Kühlwärmetauscher und einen Heizwärmetauscher hindurchströmt.
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Entsprechend einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann der Kühlkreis mit einem Niedertemperaturkühlkreis fluidisch verbunden sein, wobei eine Niedertemperaturschalteinrichtung zum Steuern eines Fluidaustausches zwischen dem Kühlkreis und dem Niedertemperaturkühlkreis vorgesehen ist. Bei ordnungsgemäßen Betriebszuständen herrscht im Kühlkreis ein anderes Temperaturniveau als im Niedertemperaturkühlkreis. Üblicherweise ist dabei das Temperaturniveau im Kühlkreis niedriger als im Niedertemperaturkühlkreis, so dass der Kühlkreis auch als Tieftemperaturkühlkreis bezeichnet werden kann. Der Niedertemperaturkühlkreis kann beispielsweise zum Kühlen einer Leistungselektronik und/oder anderer elektrischer bzw. elektronischer Komponenten des Fahrzeugs dienen. Dies gilt insbesondere dann, wenn es sich beim Fahrzeug um ein Elektrofahrzeug oder um ein Hybridfahrzeug mit Elektroantrieb handelt. Da gemäß dem vorstehenden Vorschlag der Kühlkreis und der Niederkühlkreis fluidisch miteinander gekoppelt sind, um einen Fluidaustausch bedarfsabhängig durchführen zu können, lässt sich auch hier im Kühlkreis und Niedertemperaturkühlkreis das gleiche Wärmeübertragungsmittel verwenden. Durch die Möglichkeit eines Fluidaustausches zwischen dem Kühlkreis und dem Niedertemperaturkühlkreis ist es insbesondere möglich, Wärmekapazitäten im Niedertemperaturkühlkreis zu nutzen, beispielsweise um den Kühlkreis rascher abkühlen zu können oder um bei überschüssiger Kälteleistung des Kühlkreises Kälte im Niedertemperaturkühlkreis zu speichern.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann zumindest ein Zusatzkühlkreis vorgesehen sein, der über einen Zusatzverdampfer thermisch mit dem Kältekreis gekoppelt ist, wobei der jeweilige Zusatzverdampfer dann zweckmäßig sowohl in den Zusatzkühlkreis als auch in den Kältekreis eingebunden ist. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, zusätzliche Aggregate und/oder Komponenten, die in den Zusatzkühlkreis eingebunden sind, zu kühlen. Ferner lässt sich die im Zusatzkühlkreis anfallende Wärme günstig im Kältekreis nutzen, um den Heizkreis zu beheizen. In einen derartigen Zusatzkühlkreis kann beispielsweise eine Antriebsbatterie oder Traktionsbatterie eines Elektrofahrzeugs bzw. eines Hybridfahrzeugs eingebunden sein.
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Zusätzlich oder alternativ kann in einen solchen Zuatzkühlkreis eine sogenannte „Frontbox” eingebunden sein. Bei einer derartigen Frontbox handelt es sich um eine Fahrerbereichklimatisierungsanlage eines Omnibusses, mit deren Hilfe der Busfahrer seinen Fahrerbereich temperieren kann. Die hierbei gegebenenfalls erforderliche Kälteleistung kann nun über den jeweiligen Zusatzkühlkreis mit Hilfe des Kältekreises bereitgestellt werden. Es ist klar, dass auch zwei oder mehr derartige Zusatzkühlkreise vorgesehen sein können, die über einen gemeinsamen oder über jeweils einen separaten Zusatzverdampfer mit dem Kältekreis thermisch gekoppelt sein können.
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Zweckmäßig ist eine Weiterbildung, bei welcher der Zusatzverdampfer und der Verdampfer im Kältekreis vom Kältemittel parallel durchströmbar angeordnet sind. Mit anderen Worten, die beiden Verdampfer sind im Kältekreis parallel geschaltet. Hierdurch steht beiden Kältekreisen dieselbe niedrige Eintrittstemperatur für das Kältemittel zur Verfügung. Sofern zumindest ein solcher zuschaltbarer Zusatzverdampfer im Kältekreis vorhanden ist, kann es zweckmäßig sein, den Kältemittelverdichter oder Kältemittelkompressor mit mehreren Leistungsstufen bzw. mit variabler Leistung auszustatten, um beispielsweise beim Zuschalten eines solchen Zusatzverdampfers die Förderleistung zu erhöhen.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann der Heizkreis mit einem Hochtemperaturheizkreis fluidisch verbunden sein, wobei eine Hochtemperaturschalteinrichtung zum Steuern eines Fluidaustausches zwischen dem Heizkreis und dem Hochtemperaturheizkreis vorgesehen ist. Da somit auch zwischen dem Heizkreis und dem Hochtemperaturheizkreis ein Fluidaustausch möglich ist, lässt sich auch hier das gleiche Wärmeübertragungsmittel verwenden. Üblicherweise stellt sich im ordnungsgemäßen Betrieb der Klimatisierungseinrichtung im Hochtemperaturheizkreis ein höheres Temperaturniveau ein als im Heizkreis. Mit Hilfe der Hochtemperaturschalteinrichtung lässt sich gezielt ein Teil des Wärmeübertragungsmittels aus dem Hochtemperaturheizkreis in den Heizkreis überführen. Mit anderen Worten, je nach Schaltstellung der Hochtemperaturschalteinrichtung kann ein Teilstrom an Wärmeübertragungsmittel aus dem Hochtemperaturheizkreis durch den Heizkreis geführt werden. Da sich im Heizkreis der wenigstens eine Heizwärmetauscher befindet, lässt sich der durch den Heizkreis geführte Teilstrom des Hochtemperaturheizkreises effizient kühlen bzw. zum Beheizen des Luftstroms nutzen. Je nach Betriebszustand der Klimatisierungseinrichtung kann wie weiter oben erläutert auch der Zusatzwärmetauscher in den Heizkreis eingebunden werden, so dass auch über den Zusatzwärmetauscher eine Kühlung des Teilstroms des Hochtemperaturheizkreises möglich ist. Der gekühlte Teilstrom des Hochtemperaturheizkreises kann nun im Heizkreis, der insoweit auch als Niedertemperaturheizkreis bezeichnet werden kann, über den Kondensator zum Abkühlen des Kältemittels genutzt werden.
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In diesen solchen Hochtemperaturheizkreis kann beispielsweise in üblicher Weise eine Brennkraftmaschine zum Antreiben des Fahrzeugs oder zur Stromerzeugung eingebunden sein. Ebenso können in diesen Hochtemperaturheizkreis konventionelle Umluftheizgeräte, also Umluftwärmetauscher, eingebunden sein, um eine Umluftströmung zu beheizen. In dem Hochtemperaturheizkreis kann auch ein elektrischer oder fossiler Zuheizer eingebunden sein. Ferner kann dieser Hochtemperaturheizkreis mit der zuvor genannten Frontbox thermisch gekoppelt sein, beispielsweise um einen Luftstrom zum Temperieren des Fahrerbereichs zu beheizen.
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Entsprechend einer besonders vorteilhaften Weiterbildung kann zumindest ein Zusatzkondensator vorgesehen sein, über den der Hochtemperaturheizkreis thermisch mit dem Kältekreis gekoppelt ist, wobei der jeweilige Zusatzkondensator dann in den Hochtemperaturheizkreis und in den Kältekreis eingebunden ist. Somit kann auch die im Vergleich zum Heizkreis bzw. Niedertemperatur-Heizkreis erhöhte Temperatur des Hochtemperaturheizkreises zum Kühlen des Kältemittels genutzt werden.
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Besonders zweckmäßig ist dabei eine Weiterbildung, bei welcher der in den Hochtemperaturheizkreis eingebundene Zusatzkondensator stromauf des in den Heizkreis eingebundenen Kondensators im Kältekreis angeordnet ist. Durch diese Reihenschaltung der Kondensatoren im Kältekreis, wird zuerst der auf dem höheren Temperaturniveau des Hochtemperaturkühlkreises liegende Zusatzkondensator vom Kältemittel durchströmt, wobei eine Vorkühlung und gegebenenfalls zumindest eine teilweise Kondensation des Kältemittels erfolgt. Im nachfolgenden Kondensator, der auf dem niedrigeren Temperaturniveau des Heizkreises liegt, erfolgt dann die Restkühlung und vorzugsweise vollständige Kondensation des Kältemittels auf eine vergleichsweise niedrige Temperatur. Hierdurch wird eine zweistufige Abkühlung des Kältemittels im Kältekreis erreicht, die sich durch eine besonders hohe Effizienz auszeichnet.
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Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann ein Kältespeicher in den Kühlkreis eingebunden sein. Ein derartiger Kältespeicher kann beispielsweise als Latentkältespeicher konzipiert sein. Mit Hilfe eines derartigen Kältespeichers lässt sich im Kühlkreis eine vergleichsweise hohe Wärme- bzw. Kältespeicherkapazität schaffen, wodurch bei wechselnden Betriebszuständen eine Vergleichmäßigung des Betriebs ermöglicht wird.
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Bei einer anderen Ausführungsform kann in den Heizkreis ein Zuheizer eingebunden sein. Ein derartiger Zuheizer kann beispielsweise mittels fossiler Brennstoffe betrieben werden. Ebenso ist ein elektrischer Zuheizer denkbar.
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Die weiter oben genannte Verschaltung, mit deren Hilfe der Zusatzwärmetauscher dem Heizkreis oder dem Kühlkreis zugeschaltet werden kann, oder mit deren Hilfe der Zusatzwärmetauscher sowohl vom Heizkreis als auch vom Kühlkreis entkoppelt werden kann, lässt sich gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform auch so realisieren, dass sich damit auch der wenigstens eine Heizwärmetauscher vom Heizkreis entkoppeln bzw. darin einbinden lässt. Ebenso kann die Verschaltung dazu genutzt werden, den wenigstens einen Kühlwärmetauscher in den Kühlkreis einzubinden bzw. davon zu entkoppeln.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann die Klimatisierungseinrichtung mit einer Steuereinrichtung ausgestattet sein, die so ausgestaltet und/oder programmiert ist, dass sich damit wenigstens zwei verschiedene Betriebszustände für die Klimatisierungseinrichtung einstellen lassen. Insbesondere handelt es sich hierbei um einen ersten Heizzustand und einen Kühlzustand. Im ersten Heizzustand kann die Steuereinrichtung die Verschaltung so ansteuern, dass diese den Zusatzwärmetauscher in den Kühlkreis einbindet, den wenigstens einen Heizwärmetauscher in den Heizkreis einbindet und den wenigstens einen Kühlwärmetauscher vom Kühlkreis fluidisch entkoppelt. Hierdurch ist es möglich, einem Luftstrom, der durch den Zusatzwärmetauscher geleitet wird, Wärme zu entziehen, wodurch das Kühlmittel nachfolgend im Verdampfer mehr Wärme an das Kältemittel abgeben kann. Bei dem Luftstrom, der hierbei durch den Zusatzwärmetauscher gefördert werden kann, handelt es sich beispielsweise um Umgebungsluft aus einer das Fahrzeug umgebenden Umgebung, die mit Hilfe eines entsprechenden Gebläses gefördert wird. Zusätzlich oder alternativ kann es sich bei diesem Luftstrom auch um einen Abluftstrom handeln, der mit Hilfe eines entsprechenden Gebläses aus dem Fahrzeuginnenraum angesaugt und in die Umgebung entlassen wird, wobei die darin mitgeführte Wärme über den Zusatzwärmetauscher weitgehend auf das Kältemittel übertragen werden kann und im Kältekreis zum Verdampfen des Kältemittels nutzbar ist.
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Im Kühlzustand dagegen kann die Steuereinrichtung die Verschaltung so ansteuern, dass diese den Zusatzwärmetauscher in den Heizkreis einbindet, den wenigstens einen Kühlwärmetauscher in den Kühlkreis einbindet und den wenigstens einen Heizwärmetauscher vom Heizkreis fluidisch entkoppelt. In diesem Kühlzustand lässt sich über den Zusatzwärmetauscher vergleichsweise viel Wärme aus dem Heizmittel entziehen und beispielsweise einem durch den Zusatzwärmetauscher geförderten Luftstrom zuführen. Bei diesem Luftstrom kann es sich wieder um einen Umgebungsluftstrom oder um einen Abluftstrom handeln, der in diesem Fall Wärme aufnimmt und dadurch die Temperatur des Heizmittels reduziert. Die reduzierte Temperatur des Heizmittels verbessert die Kondensation und somit die Abkühlung des Kältemittels im Kondensator des Kältekreises. Das somit stärker gekühlte Kältemittel kann im Verdampfer dem Kühlkreis mehr Wärme entziehen, wodurch dieser über den jeweiligen Kältewärmetauscher dem für den Fahrzeuginnenraum bestimmten Luftstrom mehr Wärme entziehen kann, wodurch dieser Luftstrom intensiv gekühlt wird.
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Mit Hilfe der Steuereinrichtung lässt sich rein exemplarisch auch ein erster Reheat-Zustand realisieren, bei dem die Verschaltung den wenigstens einen Heizwärmetauscher in den Heizkreis einbindet, den wenigstens einen Kühlwärmetauscher in den Kühlkreis einbindet und den Zusatzwärmetauscher sowohl vom Heizkreis als auch vom Kühlkreis fluidisch entkoppelt. Bei diesem Reheat-Zustand kann bedarfsabhängig der für den Fahrzeuginnenraum bestimmte Luftstrom entfeuchtet werden. Hierzu wird der Luftstrom im jeweiligen Kältewärmetauscher unter die Kondensationstemperatur von Wasser abgekühlt, wodurch die Feuchtigkeit aus dem Luftstrom entfernt werden kann. Im stromab davon angeordneten Heizwärmetauscher kann nun der Luftstrom wieder auf die gewünschte Temperatur gebracht werden, um den Fahrzeuginnenraum mit einem entfeuchteten Luftstrom zu temperieren.
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Ferner ist mit Hilfe der Steuereinrichtung auch ein zweiter Reheat-Zustand realisierbar, bei dem zusätzlich zum ersten Reheat-Zustand über eine entsprechende Ansteuerung der Niedertemperaturschalteinrichtung ein Fluidaustausch zwischen dem Kühlkreis und dem Niedertemperaturkühlkreis stattfindet. In diesem Fall kann beispielsweise die im Niedertemperaturkühlkreis gespeicherte „Kälte”, also die im Niedertemperaturkühlkreis enthaltene Wärmeaufnahmekapazität dazu genutzt werden, den Kühlkreis hinreichend abzukühlen, um die gewünschte Entfeuchtung des Luftstroms zu bewirken.
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Die Steuereinrichtung kann ferner so konfiguriert sein, dass sie einen zweiten Heizzustand ermöglicht, bei dem die Verschaltung den wenigstens einen Heizwärmetauscher in den Heizkreis einbindet, den Zusatzwärmetauscher sowohl vom Heizkreis als auch vom Kühlkreis fluidisch entkoppelt und den wenigstens einen Kühlwärmetauscher vom Kühlkreis fluidisch entkoppelt, während zusätzlich durch eine entsprechende Ansteuerung der Niedertemperaturschalteinrichtung ein Fluidaustausch zwischen Kühlkreis und Niedertemperaturkühlkreis stattfinden kann. In diesem zweiten Heizzustand lässt sich beispielsweise für den Fall, dass die Umgebungstemperatur niedriger ist als die Temperatur im Niedertemperaturkühlkreis dessen Wärme dazu nutzen, dass Kühlmittel im Kühlkreis stromauf des Verdampfers aufzuwärmen.
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Ferner kann die Steuereinrichtung so konzipiert sein, dass sie einen dritten Heizzustand ermöglicht, der sich vom ersten Heizzustand dadurch unterscheidet, dass zusätzlich durch eine entsprechende Ansteuerung der Niedertemperaturschalteinrichtung ein Fluidaustausch zwischen Kühlkreis und Niedertemperaturkühlkreis stattfindet. Somit lässt sich in diesem Fall auf beide Wärmequellen, nämlich mit Hilfe des Zusatzwärmetauschers die Wärme der Umgebungsluft und andererseits die Wärme im Kühlmittel des Niedertemperaturkühlkreises nutzen, um das Kühlmittel im Kühlkreis stromauf des Verdampfers zu erwärmen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
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1–6 jeweils eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Fahrzeugklimatisierungseinrichtung bei unterschiedlichen Betriebszuständen.
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Entsprechend den 1 bis 6 umfasst eine Fahrzeugklimatisierungseinrichtung 1 einen Kühlkreis 2, einen Heizkreis 3 und einen Kältekreis 4. Die Fahrzeugklimatisierungseinrichtung 1 kommt in einem Fahrzeug zur Anwendung, vorzugsweise in einem Omnibus, und dient zum Temperieren wenigstens eines Luftstroms 5, der im Betrieb der Klimatisierungseinrichtung 1 einem hier nicht näher bezeichneten Innenraum des Fahrzeugs zugeführt wird. Beispielsweise handelt es sich bei einer Anwendung der Klimatisierungseinrichtung 1 in einem Omnibus bei diesem Innenraum um einen Fahrgastraum des Omnibusses.
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Im Kühlkreis 2 zirkuliert ein Kühlmittel. Der Kühlkreis 2 enthält zumindest einen Kühlwärmetauscher 6. Im Beispiel sind zwei derartige Kühlwärmetauscher 6 vorgesehen. Der jeweilige Luftstrom 5 ist durch diese Kühlwärmetauscher 6 hindurchgeführt, so dass mit Hilfe der Kühlwärmetauscher 6 der jeweilige Luftstrom 5 gekühlt werden kann. Im Heizkreis 3 zirkuliert ein Heizmittel. In den Heizkreis 3 ist zumindest ein Heizwärmetauscher 7 eingebunden. Im Beispiel sind zwei derartige Heizwärmetauscher 7 in den Heizkreis 3 eingebunden. Beide Heizwärmetauscher 7 dienen zum Beheizen der Luftströme 5, die hierzu ebenfalls durch die Heizwärmetauscher 7 hindurchgeführt sind.
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Im Kältekreis 4 zirkuliert ein Kältemittel. Im Kältekreis 4 sind in der Strömungsrichtung des Kältemittels nacheinander ein Kältemittelkompressor 8, ein Kondensator 9, ein Expansionsventil 10, ein Verdampfer 11 sowie ein Kältemittelsammler 12 angeordnet. Der Kältekreis 4 arbeitet als Wärmepumpe und kann auch als Wärmepumpenkreis bezeichnet werden. Der Kondensator 9 ist außerdem mediengetrennt fluidisch in den Heizkreis 3 eingebunden. Der Verdampfer 11 ist außerdem mediengetrennt fluidisch in den Kühlkreis 2 eingebunden.
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Die hier vorgestellte Klimatisierungseinrichtung 1 umfasst außerdem einen Zusatzwärmetauscher 13, der mit Hilfe einer Verschaltung 14 wahlweise in den Heizkreis 3 oder in den Kühlkreis 2 fluidisch einbindbar ist. Die Verschaltung 14 umfasst die hierzu erforderlichen Leitungen und Steuerglieder, wie zum Beispiel mehrere 3/2-Wege-Ventile 15. Die Verschaltung 14 ist außerdem so konzipiert, dass sie den Zusatzwärmetauscher 13 sowohl vom Heizkreis 3 als auch vom Kühlkreis 2 entkoppeln kann. Ferner erfolgt über die Verschaltung 14 auch die fluidische Einbindung der Heizwärmetauscher 7 und der Kühlwärmetauscher 6 in den Kühlkreis 2 bzw. in den Heizkreis 3. Insbesondere lässt sich Verschaltung 14 auch so ansteuern, dass die Kühlwärmetauscher 6 vom Kühlkreis 2 entkoppelt sind und dass die Heizwärmetauscher 7 vom Heizkreis 3 entkoppelt sind.
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Der Zusatzwärmetauscher 13 ist von einem Luftstrom 16 durchströmbar, bei dem es sich beispielsweise um einen Umgebungsluftstrom oder um einen Abluftstrom handeln kann.
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Der Abluftstrom kann beispielsweise aus dem Fahrzeuginnenraum in die Umgebung des Fahrzeugs abgesaugt werden. Die darin enthaltene Wärme bzw. die darin enthaltene Wärmeaufnahmekapazität kann zum Heizen bzw. zum Kühlen des jeweiligen Fluids, das den Zusatzwärmetauscher 13 durchströmt, dienen. Der jeweilige Luftstrom 16 kann dabei mit Hilfe eines Gebläses erzeugt werden, das hier nicht dargestellt ist und das dem Zusatzwärmetauscher 13 zugeordnet ist. Auch die Luftströme 5, die durch die paarweise Anordnung der Heizwärmetauscher 7 und Kühlwärmetauscher 6 hindurch tritt, kann mit Hilfe entsprechender zusätzlicher Gebläse realisiert werden, die hier ebenfalls nicht dargestellt sind.
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Die hier gezeigte Klimatisierungseinrichtung 1 umfasst ein Wärmetauschermodul 17, das den Zusatzwärmetauscher 13, die Verschaltung 14, die Heizwärmetauscher 7 und die Kühlwärmetauscher 6 umfasst. Ferner können dem Wärmetauschermodul 17 auch die zuvor genannten Gebläse zum Erzeugen der Luftströme 15, 16 angeordnet sein. Im Beispiel ist außerdem ein Kältemodul 18 vorgesehen, das den kompletten Kältekreis 4 einschließlich der vom Kältemittel durchströmten Komponenten enthält. Über entsprechende Schnittstellen 19 können die Module 17, 18 fluidisch miteinander gekoppelt werden, um die darin enthaltenen Abschnitte des Heizkreises 3 bzw. des Kühlkreises 2 fluidisch miteinander zu verbinden.
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Der Kältekreis 2 enthält eine Fördereinrichtung 20 zum Antreiben des Kältemittels im Kältekreis 2. Im hier gezeigten Beispiel enthält der Kältekreis 2 außerdem einen Kältespeicher 21, der mit Hilfe eines entsprechenden Ventils 22 vom Kältemittel durchströmbar bzw. über einen Kältespeicherbypass 49 umströmbar ist. Im Beispiel ist der Kältespeicher 21 in einem separaten Speichermodul 23 angeordnet, das auf geeignete Weise mit dem Kältemodul 18 und mit dem Wärmetauschermodul 17 fluidisch gekoppelt ist.
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Zumindest eines der Module, vorzugsweise das Wärmetauschermodul 17, ist als Dachaufbauanlage konzipiert, die auf einem Dach des jeweiligen Fahrzeugs montierbar ist. Auch das Kältemodul 18 kann als Dachaufbauanlage konzipiert sein.
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Der Kühlkreis 2 ist über einen entsprechenden Vorlauf 24 und einen entsprechenden Rücklauf 25 mit einem Niedertemperaturkühlkreis 26 fluidisch gekoppelt. Mit Hilfe einer Niedertemperaturschalteinrichtung 27 kann dabei ein Fluidaustausch zwischen dem Kühlkreis 2 und dem Niedertemperaturkühlkreis 26 gesteuert werden. Im Niedertemperaturkühlkreis 26 befindet sich beispielsweise eine Elektronikkühlung, zum Kühlen elektrischer bzw. elektronischer Komponenten des Fahrzeugs. Eine derartige Elektronikkühlung kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn es sich beim Fahrzeug um ein Elektrofahrzeug oder um ein Hybridfahrzeug mit Elektroantrieb handelt.
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Zusätzlich zum Kühlkreis 2 kann außerdem zumindest ein Zusatzkühlkreis 28 vorgesehen sein, der über einen Zusatzverdampfer 29 thermisch mit dem Kältekreis 4 gekoppelt ist. Hierzu ist der Zusatzverdampfer 29 sowohl in dem Zusatzkühlkreis 28 als auch in dem Kältekreis 4 fluidisch eingebunden, jedoch mediengetrennt. Dem Zusatzverdampfer 29 ist im Kältekreis 4 ein Zusatzexpansionsventil 30 vorgeschaltet sowie ein Schaltventil 31 zum Zuschalten des Zusatzverdampfers 29. Der Zusatzkühlkreis 28 kann beispielsweise mit einer Frontbox 32 des Fahrzeugs thermisch gekoppelt sein. Alternativ kann der Zusatzkühlkreis 28 mit einer hier nicht gezeigten Batterie des Fahrzeugs thermisch gekoppelt sein, um diese Batterie zu kühlen. Beispielsweise kann eine Batteriekühlung bei einem Elektrofahrzeug bzw. bei einem Hybridfahrzeug erforderlich sein. Ebenso ist es möglich, zwei oder mehr derartige Zusatzkühlkreise 28 vorzusehen. Der Zusatzverdampfer 29 und der Verdampfer 11 sind im Kältekreis 4 so angeordnet, dass sie vom Kältemittel parallel durchströmbar sind.
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Der Heizkreis 3 enthält eine Fördereinrichtung 33 zum Antreiben des Heizmittels im Heizkreis 3. Ferner ist im Heizkreis 3 ein Zuheizer 34 angeordnet, mit dessen Hilfe das Heizmittel beheizt werden kann. Der Zuheizer 34 kann elektrisch oder mit einem Brennstoff betrieben sein. Der Heizkreis 3 ist außerdem mit einem Hochtemperaturheizkreis 35 fluidisch verbunden. Zum Steuern eines Fluidaustausches zwischen dem Heizkreis 3 und dem Hochtemperaturheizkreis 35 ist eine Hochtemperaturschalteinrichtung 36 vorgesehen, die im Beispiel zwei 3/2-Wege-Ventile 37 umfasst. Der Hochtemperaturheizkreis 35 kann durch einen „Kühlkreis” einer Brennkraftmaschine des Fahrzeugs bzw. durch einen Zweig dieses Kühlkreises gebildet sein. Im Hochtemperaturheizkreis 35 befinden sich bei einem Fahrzeug, das als Omnibus ausgestaltet ist, Innenraumheizkörper, die eine Umluftbeheizung im jeweiligen Fahrzeuginnenraum ermöglichen. Ferner kann der Hochtemperaturheizkreis 35 einen Zweig 38 aufweisen, der eine thermische Kopplung mit dem Frontmodul 32 ermöglicht.
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Über einen Zusatzkondensator 39 ist der Hochtemperaturkühlkreis 35 mit dem Kältekreis 4 thermisch gekoppelt. Hierzu ist der Zusatzkondensator 39 fluidisch getrennt sowohl in den Hochtemperaturheizkreis 35 als auch in den Kältekreis 4 eingebunden. Dabei ist der Zusatzkondensator 39 bezüglich der Strömungsrichtung des Kältemittels im Kältekreis 4 stromauf des Kondensators 9 angeordnet. Dementsprechend durchströmt das Kältemittel zunächst den Zusatzkondensator 39 und anschließend den Kondensator 9.
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Die hier vorgestellte Fahrzeugklimatisierungseinrichtung 1 ist außerdem mit einer Steuereinrichtung 40 ausgestattet, die über geeignete Steuerleitungen mit steuerbaren Komponenten der einzelnen vorstehend genannten Bauteile verbunden ist. Insbesondere ist die Steuereinrichtung 40 mit der Verschaltung 14 bzw. mit deren Ventilen 15 gekoppelt. Ebenso ist die Steuereinrichtung 40 mit der Niedertemperaturschalteinrichtung 27 und mit der Hochtemperaturschalteinrichtung 36 bzw. mit deren Ventilen 37 gekoppelt. Die Steuereinrichtung 40 ist so konzipiert, dass sie mehrere unterschiedliche Betriebszustände für die Fahrzeugklimatisierungseinrichtung 1 realisieren kann. Sechs dieser Betriebszustände werden nachfolgend anhand der 1 bis 6 näher erläutert.
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1 zeigt einen Kühlzustand, 2 zeigt einen ersten Heizzustand, 3 zeigt einen zweiten Heizzustand, 4 zeigt einen dritten Heizzustand, 5 zeigt einen ersten Reheat-Zustand und 6 zeigt einen zweiten Reheat-Zustand.
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Entsprechend 1 wird für den Kühlzustand die Verschaltung 14 so betätigt, dass der Zusatzwärmetauscher 13 in den Heizkreis 3 eingebunden ist, dass die Kühlwärmetauscher 6 in den Kühlkreis 2 eingebunden sind und dass die Heizwärmetauscher 7 vom Heizkreis 3 fluidisch entkoppelt sind. In diesem Kühlzustand zirkuliert im Kältekreis 4 das Kältemittel entsprechend Pfeilen 41. Im Heizkreis 3 zirkuliert das Heizmittel entsprechend Pfeilen 42. Das Heizmittel 42 durchströmt nach dem Zusatzwärmetauscher 13 also zumindest den Kondensator 9, bevor es wieder zum Zusatzwärmetauscher 13 zurückgefüht wird. Optional kann auch die mit unterbrochener Linie angedeutete Zusatzleitung 43 vorgesehen sein, durch die es möglich ist, das Heizmittel 42 außerdem durch den Zusatzkondensator 39 zu führen, so dass hier beide Kondensatoren 9 und 39 vom Heizkreis 3 genutzt werden, um dem Kältemittel Wärme zu entziehen. Diese Wärme wird vom Heizkreis 3 über den Zusatzwärmetauscher 13 an den Luftstrom 16 abgegeben.
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Im Kältekreis 2 zirkuliert das Kältemittel entsprechend Pfeilen 44 und gelangt somit von den Kühlwärmetauschern 7 zum Verdampfer 11, in dem es gekühlt wird. Anschließend kann das Kühlmittel den Kältespeicher 21 durchströmen oder umgehen und gelangt wieder zu den Kühlwärmetauschern 6, in denen es den Luftströmen 5 Wärme entziehen kann, um die Luftströme 5 so zu kühlen.
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Optional kann hierbei auch der Zusatzkühlkreis 28 aktiv sein, so dass darin ebenfalls eine Kühlmittelzirkulation stattfindet, wodurch die Verdampfung des Kältemittels verbessert werden kann. In diesem Kühlzustand ist der Heizkreis 3 zweckmäßig vom Hochtemperaturheizkreis 35 entkoppelt.
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Im ersten Heizzustand gemäß 2 sorgt die Steuereinrichtung 4 dafür, dass die Verschaltung den Zusatzwärmetauscher 13 in den Kühlkreis 2 einbindet, die Heizwärmetauscher 7 in den Heizkreis 3 einbindet und die Kühlwärmetauscher 6 vom Kühlkreis 2 fluidisch entkoppelt. Im Kältekreis 4 stellt sich wieder dieselbe Durchströmung ein, die auch im Zustand der 1 vorliegt. Im Heizkreis 3 stellt sich nunmehr eine geänderte Durchströmung ein, da nunmehr die Heizwärmetauscher 7 vom Heizmittel durchströmt werden. Ferner ist in diesem Fall der Heizkreis 3 mit dem Hochtemperaturheizkreis 35 fluidisch gekoppelt, so dass ein Teilstrom des Hochtemperaturheizkreises 35 entsprechend einem Pfeil 45 durch den Heizkreis 3 geführt ist, während ein anderer Teilstrom entsprechend einem Pfeil 46 durch den Zusatzkondensator 39 geführt wird. Somit können die Heizwärmetauscher 7 Wärme an den Luftstrom 5 abgeben, wodurch das Heizmittel gekühlt wird. In der Folge gelangt gekühltes Heizmittel in den Kondensator 9. Anschließend gelangt das Heizmittel zum anderen Teilstrom 46, wodurch dieser durch Zumischung etwas gekühlt wird, um die Kondensation im Zusatzkondensator 39 zu verbessern.
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Im Kühlkreis 2 strömt das Kühlmittel nach dem Verdampfer 11 – je nach Kühlbedarf – durch den Kältespeicher 21 oder unter Umgehung desselben und gelangt anschließend zum Zusatzwärmetauscher 13, um Wärme aus dem Luftstrom 16 aufzunehmen. Das so erwärmte Kühlmittel 44 gelangt anschließend wieder zum Verdampfer 11, in dem es wieder abgekühlt wird.
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Im zweiten Heizzustand gemäß 3 betätigt die Steuereinrichtung 40 die Verschaltung 14 derart, dass die Heizwärmetauscher 7 in den Heizkreis 3 eingebunden sind, dass der Zusatzwärmetauscher 13 sowohl vom Heizkreis 3 als auch vom Kühlkreis 2 fluidisch entkoppelt ist und dass die Kühlwärmetauscher 6 vom Kühlkreis 2 entkoppelt sind. Zusätzlich wird in diesem Fall die Niedertemperaturschalteinrichtung 27 betätigt, um einen Fluidaustausch zwischen dem Kühlkreis 2 und dem Niedertemperaturkühlkreis 26 zu ermöglichen. In diesem Fall stellt sich im Kältekreis 4 wieder dieselbe Durchströmung wie zuvor ein. Auch im Heizkreis 3 stellt sich dieselbe Durchströmung wie im ersten Heizzustand ein. Die Durchströmung des Kältekreises 2 charakterisiert sich in diesem zweiten Heizzustand jedoch dadurch, dass zumindest ein Teilstrom an Kühlmittel aus dem Niedertemperaturkreis 26 über den Vorlauf 24 entsprechend einem Pfeil 47 in den Kühlkreis 2 gelangt, um dem Verdampfer 11 hinreichend Wärme zuzuführen. Anschließend wird über die Niedertemperaturschalteinrichtung 27 wieder eine entsprechende Menge an Kühlmittel gemäß einem Pfeil 48 dem Niedertemperaturkühlkreis 26 zurückgeführt. Das übrige Kühlmittel strömt dabei nur noch durch den Kältespeicher 21 oder durch den Kältespeicherbypass 49 und strömt zum Verdampfer 11 zurück, ohne durch den Zusatzwärmetauscher 13 oder durch die Kühlwärmetauscher 6 zu strömen. Auf diese Weise kann die im Niedertemperaturkreis 26 enthaltene Wärme zum Verdampfen des Kältemittels genutzt werden.
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Der in 4 wiedergegebene dritte Heizzustand kombiniert quasi den ersten Heizzustand mit dem zweiten Heizzustand, so dass in diesem Fall der Zusatzwärmetauscher 13 wieder in den Kühlkreis 2 eingebunden ist und zusätzlich zum Vorwärmen des Kühlmittels genutzt werden kann, indem dem Luftstrom 16 entsprechend Wärme entzogen wird. Die Durchströmung des Kühlkreises 4 und des Heizkreises 3 ist dabei wieder gleich wie in den zuvor genannten beiden anderen Heizzuständen.
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Gemäß 5 kann mit Hilfe der Steuereinrichtung 40 auch ein erster Reheat-Zustand realisiert werden, in dem die Verschaltung 14 so angesteuert wird, dass sie die Heizwärmetauscher 7 in den Heizkreis 3 einbindet, die Kühlwärmetauscher 6 in den Kühlkreis 2 einbindet und den Zusatzwärmetauscher 13 sowohl vom Heizkreis 3 als auch vom Kühlkreis 2 fluidisch entkoppelt. Die sich dabei einstellenden Durchströmungszustände sind wieder durch die Pfeile 41 im Kältekreis 4, durch die Pfeile 42 im Heizkreis 3 und durch die Pfeile 44 im Kühlkreis 2 wiedergegeben. Durch diesen Reheat-Betrieb werden die Luftströme 5, die dem Fahrzeuginnenraum zugeführt werden sollen, zunächst in den Kühlwärmetauschern 6 gekühlt, vorzugsweise so weit, dass darin enthaltene Feuchtigkeit kondensiert und entfernt werden kann. Anschließend werden die Luftströme 5 in den Heizwärmetauschern 7 auf die gewünschte Temperatur erhitzt.
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Gemäß 6 kann in einem zweiten Reheat-Zustand zusätzlich über eine entsprechende Betätigung der Niedertemperaturschalteinrichtung 27 außerdem ein Fluidaustausch zwischen dem Kühlkreis 2 und dem Niedertemperaturkühlkreis 26 herbeigeführt werden, um Wärme aus dem Niedertemperaturkühlkreis 26 zum Verdampfen des Kältemittels zu nutzen.
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Sowohl beim ersten Reheat-Zustand als auch beim zweiten Reheat-Zustand kann über eine entsprechende Betätigung der Hochtemperaturschalteinrichtung 36 eine fluidische Kopplung zwischen dem Heizkreis 3 und dem Hochtemperaturheizkreis 35 herbeigeführt werden, um die vorteilhafte zweistufige Kondensation des Kältemittels zu bewirken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011016070 A1 [0002]
