DE102016000316B4 - Air conditioning for a vehicle and vehicle with such an air conditioning system - Google Patents
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Abstract
Klimaanlage (10) für ein Fahrzeug, umfassend- einen Kältemittelkreislauf (2.1) mit einem indirekten Verdampfer (2.2), einem Kältemittelverdichter (2.3), einem indirekten Kältemittelkondensator (2.4) und einem Expansionsorgan (2.5), wobei der indirekte Verdampfer (2.2), der Kältemittelverdichter (2.3), der indirekte Kältemittelkondensator (2.4) und das Expansionsorgan (2.5) eine konstruktive Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit (2) mit einer quaderförmigen Kontur zur Erzeugung von heißem oder kaltem Kühlmittel bilden,- einen ersten Kühlmittelkreislauf (K1) mit einem Umgebungs-Wärmeübertrager (4),- einen zweiten Kühlmittelkreislauf (K2) mit einem Heizungs-Wärmeübertrager (5.1) und einer Kühlmittelpumpe (8),- einen dritten Kühlmittelkreislauf (K3) mit einem Kühlungs-Wärmeübertrager (5.2) und einer Kühlmittelpumpe (9),- einen vierter Kühlmittelkreislauf (K4) mit einem thermisch mit einem Fahrzeugantrieb (M) gekoppelten Kühlungs-Wärmeübertrager (6), und- ein als Rotationsventil ausgeführtes Mehrwegeventil (3) zum wahlweisen fluidleitenden Verbinden des ersten, zweiten und dritten Kühlmittelkreislaufs (K1, K2, K3) mit der Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit (2), wobei- der vierte Kühlmittelkreislauf (K4) mit dem Mehrwegeventil (3) fluidleitend verbunden ist,- das Mehrwegeventil (3) zusammen mit der Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit (2) zur Bildung einer kompakten Wärmeverteilungseinheit (1) in direkter Nachbarschaft zueinander angeordnet sind und deren Längsrichtungen parallel zueinander verlaufen, und- die beiden Kühlmittelpumpen (8, 9) direkt benachbart zur Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit (2) und/oder zum Mehrwegeventil (3) angeordnet sind.Air conditioning system (10) for a vehicle, comprising a refrigerant circuit (2.1) with an indirect evaporator (2.2), a refrigerant compressor (2.3), an indirect refrigerant condenser (2.4) and an expansion element (2.5), the indirect evaporator (2.2), the refrigerant compressor (2.3), the indirect refrigerant condenser (2.4) and the expansion element (2.5) form a structural cold and heat generation unit (2) with a cuboid contour for generating hot or cold coolant, - a first coolant circuit (K1) with an ambient - heat exchanger (4), - a second coolant circuit (K2) with a heating heat exchanger (5.1) and a coolant pump (8), - a third coolant circuit (K3) with a cooling heat exchanger (5.2) and a coolant pump (9), - a fourth coolant circuit (K4) with a cooling heat exchanger (6) thermally coupled to a vehicle drive (M), and - a multi-way valve (3) designed as a rotary valve for selectively fluidly connecting the first, second and third coolant circuits (K1, K2, K3) with the cold and heat generation unit (2), wherein - the fourth coolant circuit (K4) is fluidly connected to the multi-way valve (3), - the multi-way valve (3) together with the cold and heat generation unit (2) to form a compact Heat distribution unit (1) are arranged in direct proximity to one another and whose longitudinal directions run parallel to one another, and - the two coolant pumps (8, 9) are arranged directly adjacent to the cold and heat generation unit (2) and / or to the multi-way valve (3).
Description
Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage für ein Fahrzeug. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer solchen Klimaanlage.The invention relates to an air conditioning system for a vehicle. The invention further relates to a vehicle with such an air conditioning system.
Fahrzeugklimaanlagen sind aus dem Stand der Technik bekannt und dienen dazu den Innenraum bzw. die Fahrgastzelle eines Fahrzeugs mit einem Zuluftstrom mit einer vorgegebenen Temperatur zu versorgen.Vehicle air conditioning systems are known from the prior art and are used to supply the interior or the passenger compartment of a vehicle with a supply air flow at a predetermined temperature.
Solche Klimaanlagen umfassen einen Kältemittelkreislauf, welcher im Wesentlichen aus einem Kompressor, Ventilen und verschiedenen direkten Kältemittel-Luft- und indirekten Kältemittel-Wasser-Wärmeübertragern auf der Hoch- und Niederdruckseite sowie einem Kältemittelsammler bestehen. Diese Komponenten des Kältemittelkreislaufs sind dabei in Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden Bauräume im Vorderwagen des Fahrzeugs verteilt. Die Anbindung der Verbraucher erfolgt dabei über Leitungen des Kältemittelkreislaufs oder eines Sekundärkreislaufs (in der Regel Wasser-Glysantin-Gemisch). Für den Wechsel der Betriebszustände sind diverse Umschalt- und Absperrventile in den Kreisläufen verbaut.Such air conditioning systems include a refrigerant circuit, which essentially consists of a compressor, valves and various direct refrigerant-air and indirect refrigerant-water heat exchangers on the high and low pressure sides as well as a refrigerant collector. These components of the refrigerant circuit are distributed depending on the available installation space in the front of the vehicle. The consumers are connected via lines from the refrigerant circuit or a secondary circuit (usually a water-glysantine mixture). Various changeover and shut-off valves are installed in the circuits to change the operating states.
Durch die Vielzahl an Leitungen sowie Absperr- und Umschaltventilen können sowohl der Kältemittelkreislauf als auch die Kühlmittelkreisläufe sehr komplex werden. Dies hat insbesondere den Nachteil, dass sich abhängig vom jeweiligen Verschaltungszustand eine nicht zu vernachlässigende Kältemittelmenge in nicht verwendeten Zweigen befindet. Aufgrund der Einhaltung von Biegeradien wird ein verhältnismäßig großer Bauraum beansprucht. Ferner stellt die Befüllung des Kältekreises sowie die Dichtigkeitsprüfung einen aufwändigen Vorgang dar. Die hierfür und für den Verbau aufgewendete Fertigungszeit verursacht hohe Kosten in der Produktion.Due to the large number of lines as well as shut-off and switching valves, both the refrigerant circuit and the coolant circuits can become very complex. This has the particular disadvantage that, depending on the respective connection status, there is a non-negligible amount of refrigerant in unused branches. Due to compliance with bending radii, a relatively large amount of installation space is required. Furthermore, filling the refrigeration circuit and checking for leaks is a complex process. The production time spent on this and the installation causes high costs in production.
Aus den internationalen Veröffentlichungen
Auch aus der
Ein als Mehrwegeventil ausgebildetes Rotationsventil ist aus der
Es ist Aufgabe der Erfindung eine Klimaanlage für ein Fahrzeug anzugeben, bei welchem im Vergleich zum Stand der Technik die Kältemittelmenge signifikant reduziert ist. Außerdem soll mit einer solchen Klimaanlage die Fertigungszeit reduziert und die Befüllung sowie die Wartung vereinfacht werden. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein Fahrzeug mit einer solchen Klimaanlage anzugeben.It is the object of the invention to provide an air conditioning system for a vehicle in which the amount of refrigerant is significantly reduced compared to the prior art. In addition, such an air conditioning system is intended to reduce production time and simplify filling and maintenance. It is also an object of the invention to provide a vehicle with such an air conditioning system.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Klimaanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2.This task is solved by an air conditioning system with the features of
Eine solche Klimaanlage für ein Fahrzeug umfasst:
- - einen Kältemittelkreislauf mit einem indirekten Verdampfer, einem Kältemittelverdichter, einem indirekten Kältemittelkondensator und einem Expansionsorgan, wobei der indirekte Verdampfer, der Kältemittelverdichter, der indirekte Kältemittelkondensator und das Expansionsorgan eine konstruktive Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit mit einer quaderförmigen Kontur zur Erzeugung von heißem oder kaltem Kühlmittel bilden,
- - einen ersten Kühlmittelkreislauf mit einem Umgebungs-Wärmeübertrager,
- - einen zweiten Kühlmittelkreislauf mit einem Heizungs-Wärmeübertrager und einer Kühlmittelpumpe,
- - einen dritten Kühlmittelkreislauf mit einem Kühlungs-Wärmeübertrager und einer Kühlmittelpumpe,
- - einen vierten Kühlmittelkreislauf mit einem thermisch mit einem Fahrzeugantrieb gekoppelten Kühlungs-Wärmeübertrager, und
- - ein als Rotationsventil ausgeführtes Mehrwegeventil zum wahlweisen fluidleitenden Verbinden des ersten, zweiten und dritten Kühlmittelkreislaufs mit der Kälte- oder Wärmeerzeugungseinheit, wobei
- - der vierte Kühlmittelkreislauf mit dem Mehrwegeventil fluidleitend verbunden ist, und
- - das Mehrwegeventil zusammen mit der Kälte- oder Wärmeerzeugungseinheit zur Bildung einer kompakten Wärmeverteilungseinheit in direkter Nachbarschaft zueinander angeordnet sind und deren Längsrichtungen parallel zueinander verlaufen.
- - a refrigerant circuit with an indirect evaporator, a refrigerant compressor, an indirect refrigerant condenser and a Expansion element, wherein the indirect evaporator, the refrigerant compressor, the indirect refrigerant condenser and the expansion element form a constructive cold and heat generating unit with a cuboid contour for generating hot or cold coolant,
- - a first coolant circuit with an ambient heat exchanger,
- - a second coolant circuit with a heating heat exchanger and a coolant pump,
- - a third coolant circuit with a cooling heat exchanger and a coolant pump,
- - a fourth coolant circuit with a cooling heat exchanger thermally coupled to a vehicle drive, and
- - a multi-way valve designed as a rotary valve for selectively fluidly connecting the first, second and third coolant circuits to the cold or heat generation unit, wherein
- - the fourth coolant circuit is fluidly connected to the multi-way valve, and
- - the multi-way valve together with the cold or heat generation unit are arranged in direct proximity to one another to form a compact heat distribution unit and the longitudinal directions of which run parallel to one another.
Die erfindungsgemäße Klimaanlage besteht somit aus einer kompakten Wärmeverteilungseinheit mit zwei kompakten Einheiten, nämlich einer Wärmeerzeugungseinheit zur Erzeugung von heißem oder kaltem Kühlmittel sowie einem Mehrwegeventil zur Verteilung der Kühlmittelströme. Mit diesem ebenso als kompakte Einheit ausgeführten Mehrwegeventil werden verschiedene Verschaltungszustände realisiert.The air conditioning system according to the invention therefore consists of a compact heat distribution unit with two compact units, namely a heat generation unit for generating hot or cold coolant and a multi-way valve for distributing the coolant flows. With this multi-way valve, which is also designed as a compact unit, various connection states are implemented.
Mit einer solchen kompakten Wärmeverteilungseinheit kann die Kältemittelmenge im Vergleich zu konventionellen Systemen wesentlich reduziert werden. Zudem kann der mit der Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit realisierte Kältemittelkreislauf hermetisch gekapselt werden, wodurch die Dichtigkeit in verschiedenen Szenarien, bspw. in einem Crash, wesentlich erhöht wird. Dadurch dass die Komponenten der Kühlmittelkreisläufe nur durch kühlmittelführende, bspw. wasserführende Vor- und Rücklaufleitungen an das Mehrwegeventil angeschlossen sind, vereinfacht sich die Integration im Fahrzeug, wobei insbesondere kein Kältemittel zum Umgebungs-Wärmeübertrager und den Innenraum des Fahrzeugs geführt werden muss.With such a compact heat distribution unit, the amount of refrigerant can be significantly reduced compared to conventional systems. In addition, the refrigerant circuit implemented with the cold and heat generation unit can be hermetically encapsulated, which significantly increases the tightness in various scenarios, for example in a crash. The fact that the components of the coolant circuits are only connected to the multi-way valve through coolant-carrying, for example water-carrying, flow and return lines simplifies integration in the vehicle, and in particular no refrigerant has to be fed to the ambient heat exchanger and the interior of the vehicle.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Wärmeverteilungseinheit besteht darin, dass dessen kompakte Einheiten einfach zu verbauen sind, wodurch eine Reduktion der Fertigungszeit und eine Einsparung an Bauteilen, wie bspw. Fluidleitungen realisiert werden. Gleichzeitig vereinfachen sich die Befüllung mit Kältemittel und die Wartung der Klimaanlage als System.A further advantage of the heat distribution unit according to the invention is that its compact units are easy to install, thereby reducing production time and saving components, such as fluid lines. At the same time, filling with refrigerant and maintaining the air conditioning system as a system are simplified.
Da die beiden Kühlmittelpumpen des zweiten und dritten Kühlmittelkreislaufs direkt benachbart zur Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit und/oder zum Mehrwegeventil angeordnet sind, werden auch diese Kühlmittelpumpen des zweiten und dritten Kühlmittelkreislaufes bauraumoptimal in die erfindungsgemäße Wärmeverteilungseinheit integriert.Since the two coolant pumps of the second and third coolant circuits are arranged directly adjacent to the cold and heat generation unit and/or the multi-way valve, these coolant pumps of the second and third coolant circuits are also integrated into the heat distribution unit according to the invention in an optimal installation space.
Erfindungsgemäß weist die Klimaanlage einen vierten Kühlmittelkreislauf mit einem thermisch mit einem Fahrzeugantrieb gekoppelten Kühlungs-Wärmeübertrager auf, welcher mit dem Mehrwegeventil fluidleitend verbunden ist. Damit kann in konstruktiv einfacher Weise ein Wärmepumpenbetrieb unter Nutzung der Abwärme der Antriebskomponente des Fahrzeugs, wie bspw. eines elektrischen Antriebs oder einer Brennkraftmaschine realisiert werden.According to the invention, the air conditioning system has a fourth coolant circuit with a cooling heat exchanger that is thermally coupled to a vehicle drive and is fluidly connected to the multi-way valve. This means that heat pump operation can be implemented in a structurally simple manner using the waste heat from the drive component of the vehicle, such as an electric drive or an internal combustion engine.
Die erfindungsgemäße Klimaanlage kann in allen Fahrzeugtypen eingesetzt werden, insbesondere in konventionellen oder elektrifizierten Fahrzeugen.The air conditioning system according to the invention can be used in all types of vehicles, especially in conventional or electrified vehicles.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
-
1 ein Schaltbild einer Fahrzeugklimaanlage mit einer Wärmeverteilungseinheit, -
2 eine schematische Darstellung einer Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit und eines Mehrwegeventils der Wärmeverteilungseinheit nach1 , und -
3 eine schematische Darstellung der in einem Fahrzeug verbauten Wärmeverteilungseinheit gemäß den1 und2 .
-
1 a circuit diagram of a vehicle air conditioning system with a heat distribution unit, -
2 a schematic representation of a cold and heat generation unit and a multi-way valve of theheat distribution unit 1 , and -
3 a schematic representation of the heat distribution unit installed in a vehicle according to1 and2 .
Die
Ein vierter Kühlmittelkreislauf K4 ist ebenso mit dem Mehrwegeventil 3 verbunden, der von einem mit einem Antrieb M des Fahrzeugs thermisch verbundenen Kühlungs-Wärmeübertrager 6 gebildet wird. Die elektrische Energie für die elektrisch betriebenen Komponenten wird von einem Energiespeicher 7 zur Verfügung gestellt.A fourth coolant circuit K4 is also connected to the
Die Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit 2 ist als Kältemittelkreislauf 2.1 mit einem indirekten Verdampfer 2.2, einem Kältemittelverdichter 2.3, einem indirekten Kondensator 2.4 und einem Expansionsorgan 2.5 aufgebaut, wobei der indirekte Kondensator 2.4 und der indirekte Verdampfer 2.5 als Kältemittel-Kühlmittel-Wärmetauscher in der Art von Plattenwärmeübertragern ausgeführt sind. Diese Komponenten sind konstruktiv zu einer kompakten Einheit zusammengefasst, die eine quaderförmige Kontur aufweist. Wie aus den
In einer ebenso kompakten Bauform ist das Mehrwegeventil 3 als Rotationsventil ausgeführt, wie dies bspw. aus der eingangs beschriebenen
Die kompakt ausgeführte Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit 2 bildet zusammen mit dem ebenso kompakten Mehrwegeventil 3 eine kompakte Wärmeverteilungseinheit 1, wie dies aus
Die
Die Integration einer solchen Wärmeverteilungseinheit 1 ist wesentlich vereinfacht, da die Fluidverbindung sowohl zwischen der Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit 2 und dem Mehrwegeventil 3 als auch die Fluidverbindungen für die an das Mehrwegeventil 3 anzuschließenden Komponenten lediglich über wasserführende Vor- und Rücklaufleitungen realisiert werden. Insbesondere wird in vorteilhafter Weise kein Kältemittel durch das Frontend und den Innenraum des Fahrzeugs geführt. Außerdem sind die als Kompaktmodule ausgeführten Kälte- und Wärmeerzeugungseinheit 2 und Mehrwegeventil 3 einfach zu verbauen, wodurch eine Reduktion der Fertigungszeit und eine Einsparung an Bauteilen erzielt wird. Schließlich vereinfachen sich die Befüllung und die Wartung der Klimaanlage 10.The integration of such a
Um die Klimaanlage 10 sowohl in einer Heiz- und Kühlfunktion betreiben zu können, werden die Funktionen der Wärmeübertrager 4, 5.1 und 5.2 auf der Seite des Kühlmittels mittels des Mehrwegeventils 3 vertauscht.In order to be able to operate the
BezugszeichenReference symbols
- 11
- WärmeverteilungseinheitHeat distribution unit
- 22
- Kälte- und WärmeerzeugungseinheitCooling and heating unit
- 2.12.1
- KältemittelkreislaufRefrigerant circulation
- 2.22.2
- indirekter Verdampfer des Kältemittelkreislaufs 2.1indirect evaporator of the refrigerant circuit 2.1
- 2.32.3
- Kältemittelverdichter des Kältemittelkreislaufs 2.1Refrigerant compressor of the refrigerant circuit 2.1
- 2.42.4
- indirekter Kondensator des Kältemittelkreislaufs 2.1indirect condenser of the refrigerant circuit 2.1
- 2.52.5
- Expansionsorgan des Kältemittelkreislaufs 2.1Expansion element of the refrigerant circuit 2.1
- 33
- MehrwegeventilMulti-way valve
- 44
- Umgebungs-WärmeübertragerAmbient heat exchanger
- 4.14.1
- Ventilatorfan
- 55
- KlimagerätAir conditioning unit
- 5.15.1
- Heizungs-WärmeübertragerHeating heat exchanger
- 5.25.2
- Kühlungs-WärmeübertragerCooling heat exchanger
- 5.35.3
- LuftklappeAir flap
- 66
- Kühlungs-WärmeübertragerCooling heat exchanger
- 77
- Energiespeicher, BatterieEnergy storage, battery
- 88th
- Kühlmittelpumpecoolant pump
- 99
- KühlmittelpumpeCoolant pump
- 1010
- Klimaanlage eines Fahrzeugs Air conditioning of a vehicle
- K1K1
- erste Kühlmittelkreislauffirst coolant circuit
- K2K2
- zweiter Kühlmittelkreislaufsecond coolant circuit
- K3K3
- dritter Kühlmittelkreislaufthird coolant circuit
- K4K4
- vierter Kühlmittelkreislauf fourth coolant circuit
- L1L1
- LuftstromAirflow
- L2L2
- Zuluftstrom supply air flow
- MM
- Antrieb des FahrzeugsDrive of the vehicle
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