DE102017124814A1 - An air conditioning system for conditioning the air of a passenger compartment of a motor vehicle and method for operating the air conditioning system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Klimatisierungssystem (1a, 1b) zum Konditionieren der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf (2a, 2b) und einem Klimagerät (20). Der Kältemittelkreislauf (2a, 2b) weist einen Verdichter (4), einen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft, ein Expansionsorgan (7) sowie einen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (8) zum Konditionieren der Zuluft für den Fahrgastraum auf. Der Kältemittelkreislauf (2a, 2b) ist zudem mit einem sich von einer Abzweigstelle (12) bis zu einer Mündungsstelle (13) erstreckenden Strömungspfad (10) mit einem Wärmeübertrager (11) ausgebildet. Die Abzweigstelle (12) ist dabei an einem Austritt des Verdichters (4) und die Mündungsstelle (13) ist zwischen dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (5) und dem Expansionsorgan (7) angeordnet. Das Klimagerät (20) weist ein Gehäuse zum Leiten und Verteilen der Zuluft für den Fahrgastraum mit einem ersten Strömungskanal (21), in welchem der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (8) angeordnet ist, sowie einem zweiten Strömungskanal (22), welcher als ein Bypass um den zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager (8) ausgebildet ist, auf. Das Klimagerät (20) ist zudem mit einer Strömungsleiteinrichtung (29) zum Verschließen und Öffnen des ersten Strömungskanals (21) ausgebildet.Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben des Klimatisierungssystems.The invention relates to an air conditioning system (1a, 1b) for conditioning the air of a passenger compartment of a motor vehicle with a refrigerant circuit (2a, 2b) and an air conditioner (20). The refrigerant circuit (2a, 2b) has a compressor (4), a first refrigerant-air heat exchanger (5) for heat transfer between the refrigerant and ambient air, an expansion element (7) and a second refrigerant-air heat exchanger (8) for conditioning the supply air for the passenger compartment. The refrigerant circuit (2a, 2b) is also formed with a flow path (10) extending from a branch point (12) to an outlet point (13) with a heat exchanger (11). The branch point (12) is at an outlet of the compressor (4) and the discharge point (13) is arranged between the first refrigerant-air heat exchanger (5) and the expansion element (7). The air conditioner (20) has a housing for conducting and distributing the supply air for the passenger compartment with a first flow channel (21), in which the second refrigerant-air heat exchanger (8) is arranged, and a second flow channel (22), which as a bypass to the second refrigerant-air heat exchanger (8) is formed on. The air conditioner (20) is also formed with a flow guide (29) for closing and opening the first flow channel (21). The invention also relates to a method for operating the air conditioning system.
Description
Die Erfindung betrifft ein Klimatisierungssystem zum Konditionieren der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf und einem Klimagerät. Der Kältemittelkreislauf weist einen Verdichter, einen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft, ein Expansionsorgan sowie einen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Konditionieren der Zuluft für den Fahrgastraum sowie einen Strömungspfad mit einem zusätzlichen Wärmeübertrager auf. Das Klimagerät weist ein Gehäuse zum Leiten und Verteilen der Zuluft für den Fahrgastraum mit einem ersten Strömungskanal zur Aufnahme des zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers und einem als Bypass des zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers ausgebildeten zweiten Strömungskanal auf.The invention relates to an air conditioning system for conditioning the air of a passenger compartment of a motor vehicle with a refrigerant circuit and an air conditioner. The refrigerant circuit has a compressor, a first refrigerant-air heat exchanger for heat transfer between the refrigerant and ambient air, an expansion element and a second refrigerant-air heat exchanger for conditioning the supply air for the passenger compartment and a flow path with an additional heat exchanger. The air conditioner has a housing for conducting and distributing the supply air for the passenger compartment with a first flow channel for receiving the second refrigerant-air heat exchanger and a second flow channel formed as a bypass of the second refrigerant-air heat exchanger.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des Klimatisierungssystems.Furthermore, the invention relates to a method for operating the air conditioning system.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Kraftfahrzeugen wird zur Erwärmung der Zuluft für den Fahrgastraum die Abwärme des Motors genutzt. Die Abwärme wird mittels des im Motorkühlmittelkreislauf umgewälzten Kühlmittels zur Klimaanlage transportiert und dort über den Heizungswärmeübertrager an die in den Fahrgastraum einströmende Luft übertragen. Bekannte Anlagen mit Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager, welche die Heizleistung aus dem Kühlmittelkreislauf eines effizienten Verbrennungsmotors des Fahrzeugantriebs beziehen, erzeugen nicht genug Abwärme, um insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen die Luft des Fahrgastraums den Anforderungen des thermischen Komforts entsprechend zu beheizen beziehungsweise das für eine komfortable Aufheizung des Fahrgastraums erforderliche Niveau zu erreichen und den Gesamtwärmebedarf des Fahrgastraums zu decken. Ähnliches gilt für Anlagen in Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieb, das heißt Kraftfahrzeugen mit sowohl elektromotorischem als auch verbrennungsmotorischem Antrieb.In known from the prior art motor vehicles, the waste heat of the engine is used to heat the supply air for the passenger compartment. The waste heat is transported to the air conditioner by means of the coolant circulated in the engine coolant circuit and transmitted there via the heater heat exchanger to the air flowing into the passenger compartment. Known systems with coolant-air heat exchanger, which relate the heating power from the coolant circuit of an efficient internal combustion engine of the vehicle drive, do not generate enough waste heat to heat in particular at low ambient temperatures, the air of the passenger compartment according to the requirements of thermal comfort or that for a comfortable heating reach the required level of the passenger compartment and cover the overall heat demand of the passenger compartment. The same applies to systems in motor vehicles with hybrid drive, that is motor vehicles with both electric motor and internal combustion engine drive.
Wenn der Gesamtwärmebedarf des Fahrgastraums mittels der Wärme aus dem Motorkühlmittelkreislauf nicht gedeckt werden kann, sind Zuheizmaßnahmen, wie elektrische Widerstandsheizungen, kurz als PTC-Widerstand für englisch „Positive Temperature Coefficient - Thermistor“ bezeichnet, oder Kraftstoffheizer, erforderlich. Gleiches gilt für Anlagen in rein elektromotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugen beziehungsweise Brennstoffzellenfahrzeugen. Eine effizientere Möglichkeit zur Beheizung der Luft für den Fahrgastraum stellt ein Klimatisierungssystem mit einem Kältemittelkreislauf mit Wärmepumpenfunktion, auch als eine Wärmepumpe bezeichnet, mit Luft als Wärmequelle dar, bei welchem der Kältemittelkreislauf sowohl als einzige Beheizung als auch als Zuheizmaßnahme dient.If the total heat demand of the passenger compartment can not be covered by the heat from the engine coolant circuit, additional heating measures, such as electrical resistance heaters, briefly referred to as PTC resistor for "Positive Temperature Coefficient - Thermistor" or fuel heater, are required. The same applies to systems in purely electric motor driven vehicles or fuel cell vehicles. A more efficient way to heat the air for the passenger compartment is an air conditioning system with a refrigerant circuit with heat pump function, also referred to as a heat pump, with air as the heat source, in which the refrigerant circuit serves both as a single heating and Zuheizmaßnahme.
Ein Klimatisierungssystem mit nachgeschalteter elektrischer Widerstandsheizung ist zum einen kostengünstig herzustellen und ist in beliebigen Kraftfahrzeugen zu verwenden, weist jedoch einen sehr großen Bedarf an elektrischer Energie auf, da die Zuluft für den Fahrgastraum beim Überströmen eines Verdampfers des Kältemittelkreislaufs zunächst abgekühlt und/oder entfeuchtet sowie anschließend mittels der elektrischen Widerstandsheizung, welche die Wärme direkt an die Zuluft oder einen Kühlmittelkreislauf überträgt, erwärmt wird.An air conditioning system with downstream electrical resistance heating is to produce a cost-effective and is to use in any motor vehicles, but has a very large demand for electrical energy, since the supply air for the passenger compartment when overflowing an evaporator of the refrigerant circuit initially cooled and / or dehumidified and then is heated by the electrical resistance heating, which transfers the heat directly to the supply air or a coolant circuit.
Aus der
Zum Stand der Technik gehörende Klimatisierungssysteme, welche für den kombinierten Kälteanlagenmodus und Nachheizmodus, auch als Reheat-Betrieb bezeichnet, ausgebildet sind, nehmen die Wärme aus der Zuluft für den Fahrgastraum auf. Dabei wird das Kältemittel durch Aufnahme von Wärme aus der Zuluft verdampft, welche beispielsweise in einem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager direkt an das Kältemittel übertragen wird. Die Zuluft für den Fahrgastraum dient folglich als Wärmequelle für die Verdampfung des Kältemittels. Der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager ist dabei innerhalb eines Klimagerätes, insbesondere zum Konditionieren, Leiten und Verteilen der Luft, angeordnet.Prior art air conditioning systems, which are designed for the combined refrigeration system mode and reheat mode, also referred to as reheat mode, receive the heat from the supply air for the passenger compartment. In this case, the refrigerant is evaporated by absorbing heat from the supply air, which is transmitted for example in a refrigerant-air heat exchanger directly to the refrigerant. The supply air for the passenger compartment thus serves as a heat source for the evaporation of the refrigerant. The refrigerant-air heat exchanger is arranged inside an air conditioner, in particular for conditioning, conducting and distributing the air.
Im sogenannten „Reheat“- beziehungsweise Nachheizmodus wird die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft abgekühlt, dabei entfeuchtet und anschließend zumindest geringfügig wieder aufgeheizt. In diesem Betriebsmodus ist die erforderliche Nachheizleistung meist geringer als die erforderliche Kälteleistung zum Kühlen und Entfeuchten der Luft.In the so-called "reheat" or post-heating mode, the air to be supplied to the passenger compartment is cooled, dehumidified and then at least slightly reheated. In this operating mode, the required reheating power is usually less than the required cooling capacity for cooling and dehumidifying the air.
Speziell bei einem Kaltstart des Kraftfahrzeugs besteht die Möglichkeit, auch bei sehr geringen Temperaturen der Umgebungsluft, die Zuluft durch den Betrieb des Kältemittelkreislaufs in einem sogenannten Dreiecksprozess, auch als Heißgasmodus bezeichnet, zu erwärmen. Dabei werden mit dem Verdichter, einem zum Beheizen der Zuluft für den Fahrgastraum als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager und einem Expansionsorgan im Wesentlichen lediglich drei Komponenten des Kältemittelkreislaufs mit Kältemittel beaufschlagt.
Nach dem Austreten aus dem Kondensator/Gaskühler wird das Kältemittel im Expansionsorgan auf ein Niederdruckniveau expandiert C und vom Verdichter angesaugt.After exiting the condenser / gas cooler, the refrigerant is expanded in the expansion device to a low pressure level C and sucked by the compressor.
Mit dem Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Dreiecksprozess beziehungsweise im Heißgasmodus kann die Zuluft des Fahrgastraums mit ähnlicher Effizienz erwärmt werden, wie mit einer elektrischen Widerstandsheizung, ohne dabei jedoch auf zusätzliche Komponenten angewiesen zu sein.With the operation of the refrigerant circuit in the triangular process or in the hot gas mode, the supply air of the passenger compartment can be heated with a similar efficiency as with an electrical resistance heater, but without relying on additional components.
Wenn das Kältemittel bei unterkritischem Betrieb des Kältemittelkreislaufs, wie zum Beispiel mit dem Kältemittel R134a oder bei bestimmten Umgebungsbedingungen mit Kohlendioxid verflüssigt wird, wird der Wärmeübertrager als Kondensator bezeichnet. Ein Teil der Wärmeübertragung findet bei konstanter Temperatur statt. Bei überkritischem Betrieb beziehungsweise bei überkritischer Wärmeabgabe im Wärmeübertrager nimmt die Temperatur des Kältemittels stetig ab. In diesem Fall wird der Wärmeübertrager auch als Gaskühler bezeichnet. Überkritischer Betrieb kann unter bestimmten Umgebungsbedingungen oder Betriebsweisen des Kältemittelkreislaufs zum Beispiel mit dem Kältemittel Kohlendioxid auftreten.If the refrigerant is liquefied with subcritical operation of the refrigerant circuit, such as with the refrigerant R134a or under certain environmental conditions with carbon dioxide, the heat exchanger is referred to as a capacitor. Part of the heat transfer takes place at a constant temperature. In supercritical operation or supercritical heat in the heat exchanger, the temperature of the refrigerant steadily decreases. In this case, the heat exchanger is also referred to as a gas cooler. Supercritical operation may occur under certain environmental conditions or operations of the refrigerant cycle with, for example, the refrigerant carbon dioxide.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Betriebsmodi eines Kältemittelkreislaufs in einem Dreiecksprozess wird auf der Niederdruckseite entweder kein Wärmeübertrager oder der als Verdampfer für das Kältemittel betriebene Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Konditionieren der Zuluft für den Fahrgastraum mit Kältemittel beaufschlagt, sodass saugseitig entweder kein definiertes Temperaturniveau vorgegeben ist oder das Temperaturniveau von der den Verdampfer beaufschlagenden Zuluft, wie der Umgebungsluft, definiert wird, welches den Saugdruck des im Zwei-Phasen-Gebiet vorliegenden Kältemittels bestimmt.In the known from the prior art operating modes of a refrigerant circuit in a triangular process is applied to the low pressure side, either no heat exchanger or operated as an evaporator for the refrigerant refrigerant air heat exchanger for conditioning the supply air for the passenger compartment with refrigerant, so that the suction side either no defined Temperature level is specified or the temperature level of the evaporator acting on the supply air, such as the ambient air is defined, which determines the suction pressure of the present in the two-phase region refrigerant.
Wenn einerseits während des Betriebs des Kältemittelkreislaufs im Dreiecksprozess auf der Niederdruckseite kein Temperaturniveau und damit auch kein Druckniveau vorgegeben ist oder wenn andererseits das Temperaturniveau und damit das Druckniveau des Kältemittels durch die Temperatur der Zuluft für den Fahrgastraum, speziell der Umgebungsluft mit geringer Temperatur, bestimmt ist, sinkt jeweils insbesondere während des Kaltstarts des Kraftfahrzeugs der Saugdruck ps gemäß
Zudem sind herkömmliche Klimageräte derart ausgebildet, dass der als Verdampfer betriebene Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager luftseitig nicht abgesperrt werden kann. Der Verdampfer des Kältemittels wird folglich stets mit Luft beaufschlagt. Aus dem Stand der Technik bekannte Klimageräte bieten lediglich die Möglichkeit, einen Teilluftmassenstrom durch einen sogenannten Bypass am Verdampfer vorbeizuleiten.In addition, conventional air conditioners are designed such that the operated as an evaporator refrigerant-air heat exchanger can not be shut off on the air side. The evaporator of the refrigerant is therefore always supplied with air. Air conditioners known from the prior art merely offer the possibility of passing a partial air mass flow through a so-called bypass on the evaporator.
Des Weiteren sind Kältemittelkreisläufe von Klimatisierungssystemen bekannt, bei welchen der Verdampfer kältemittelseitig abgesperrt werden kann. Die Kältemittelkreisläufe weisen dabei einen als Bypass um den Verdampfer ausgebildeten Strömungspfad auf, durch welchen der gesamte Massenstrom des Kältemittels leitbar ist. Der Kältemittelkreislauf weist mit dem Bypass und dazugehöriger Peripherie, wie Ventile und Kältemittelleitungen, jedoch zusätzliche Komponenten auf, insbesondere auch um den Betrieb im Heißgasmodus zu gewährleisten. Die zusätzlichen Komponenten benötigen weiteren Bauraum und verursachen Mehrkosten, insbesondere bei der Herstellung und Montage.Furthermore, refrigerant circuits of air conditioning systems are known in which the evaporator can be shut off on the refrigerant side. The refrigerant circuits in this case have a bypass formed around the evaporator flow path, through which the entire mass flow of the refrigerant is conductive. However, with the bypass and associated peripherals, such as valves and refrigerant lines, the refrigerant circuit has additional components, particularly to ensure operation in the hot gas mode. The additional components require additional space and cause additional costs, especially in the production and installation.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, ein Klimatisierungssystem für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, welches sowohl im Kälteanlagenmodus, im Wärmepumpenmodus, speziell im Nachheizmodus, sowie im Heißgasmodus effizient betrieben werden kann. Das Klimatisierungssystem, insbesondere der Kältemittelkreislauf, sollen dabei mit einer minimal notwendigen Anzahl an Komponenten konstruktiv einfach aufgebaut sein, beispielsweise ohne Zuheizmaßnahmen, um lediglich minimale Betriebskosten, Herstellungskosten und Wartungskosten zu verursachen sowie einen minimalen Bauraumbedarf aufzuweisen. Der Kältemittelkreislauf soll zudem derart ausgebildet sein, beim Kaltstart des Kraftfahrzeugs mit maximaler Leistung, insbesondere beim Betrieb im Heißgasmodus, vor allem die Zuluft für den Fahrgastraum effizient zu beheizen.The object of the invention is now to provide an air conditioning system for a motor vehicle, which can be operated efficiently both in the refrigeration system mode, in the heat pump mode, especially in Nachheizmodus, as well as in the hot gas mode. The air conditioning system, in particular the refrigerant circuit, should be constructed structurally simple with a minimum necessary number of components, for example without Zuheizmaßnahmen to cause only minimal operating costs, manufacturing costs and maintenance costs and have a minimal space requirement. The refrigerant circuit should also be designed such that during the cold start of the motor vehicle with maximum power, especially when operating in hot gas mode, especially to heat the supply air for the passenger compartment efficiently.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand und das Verfahren mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.The object is achieved by the subject matter and the method having the features of the independent claims. Further developments are specified in the dependent claims.
Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Klimatisierungssystem zum Konditionieren der Luft eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf und einem Klimagerät gelöst.The object is achieved by an inventive air conditioning system for conditioning the air of a passenger compartment of a motor vehicle with a refrigerant circuit and an air conditioner.
Der Kältemittelkreislauf weist einen Verdichter, einen ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft, ein Expansionsorgan sowie einen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Konditionieren der Zuluft für den Fahrgastraum auf. Der Kältemittelkreislauf weist zudem einen Strömungspfad auf, welcher sich von einer an einem Austritt des Verdichters ausgebildeten Abzweigstelle bis zu einer zwischen dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und dem Expansionsorgan ausgebildeten Mündungsstelle erstreckt. Innerhalb des Strömungspfades ist ein weiterer Wärmeübertrager angeordnet.The refrigerant circuit has a compressor, a first refrigerant-air heat exchanger for heat transfer between the refrigerant and ambient air, an expansion element and a second refrigerant-air heat exchanger for conditioning the supply air for the passenger compartment. The refrigerant circuit also has a flow path which extends from a branch point formed at an outlet of the compressor to a discharge point formed between the first refrigerant-air heat exchanger and the expansion element. Within the flow path another heat exchanger is arranged.
Das Klimagerät weist ein Gehäuse zum Leiten und Verteilen der Zuluft für den Fahrgastraum mit einem ersten Strömungskanal und einem zweiten Strömungskanal auf. Innerhalb des ersten Strömungskanals ist der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs angeordnet. Der zweite Strömungskanal ist als ein Bypass um den zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager ausgebildet.The air conditioner has a housing for conducting and distributing the supply air for the passenger compartment with a first flow channel and a second flow channel. Within the first flow channel, the second refrigerant-air heat exchanger of the refrigerant circuit is arranged. The second flow passage is formed as a bypass around the second refrigerant-air heat exchanger.
Nach der Konzeption der Erfindung weist das Klimagerät eine Strömungsleiteinrichtung zum Verschließen und Öffnen des ersten Strömungskanals auf, sodass der zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs zum Konditionieren der Zuluft für den Fahrgastraum luftseitig vollständig absperrbar ist.According to the concept of the invention, the air conditioner on a flow guide for closing and opening of the first flow channel, so that the second refrigerant-air heat exchanger of the refrigerant circuit for conditioning the supply air for the passenger compartment on the air side is completely shut off.
Die Querschnittsfläche des ersten Strömungskanals des Klimagerätes ist bevorzugt vollständig vom ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs abgedeckt, um Störströmungen zu vermeiden.The cross-sectional area of the first flow channel of the air conditioning unit is preferably completely covered by the first refrigerant-air heat exchanger of the refrigerant circuit in order to avoid disturbing flows.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Strömungsleiteinrichtung in Strömungsrichtung der Zuluft für den Fahrgastraum vor dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager angeordnet. Die Strömungsleiteinrichtung ist vorteilhaft als eine Luftklappe ausgebildet. Die Strömungsleiteinrichtung ist zudem bevorzugt zwischen zwei Endstellungen „vollständig geöffnet“ und „vollständig geschlossen“ stufenlos verstellbar.According to a development of the invention, the flow-guiding device is arranged in the flow direction of the supply air for the passenger compartment in front of the second refrigerant-air heat exchanger. The flow-guiding device is advantageously designed as an air flap. The flow guide is also preferably continuously adjustable between two end positions "fully open" and "fully closed".
Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der sich innerhalb des von der am Austritt des Verdichters ausgebildeten Abzweigstelle bis zur zwischen dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und dem Expansionsorgan ausgebildeten Mündungsstelle erstreckenden Strömungspfades des Kältemittelkreislaufs angeordnete Wärmeübertrager als ein Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zum Erwärmen der Zuluft ausgebildet. Der Wärmeübertrager ist dabei innerhalb des Klimagerätes in Strömungsrichtung der Zuluft nach dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, insbesondere nach einem Austritt des ersten Strömungskanals, angeordnet.According to a first alternative embodiment of the invention, the heat exchanger arranged within the branching point formed at the outlet of the compressor up to the flow path of the refrigerant circuit extending between the first refrigerant-air heat exchanger and the expansion element is used as a refrigerant-air heat exchanger for heating the supply air formed. The heat exchanger is arranged within the air conditioner in the flow direction of the supply air to the second refrigerant-air heat exchanger, in particular after an exit of the first flow channel.
Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der sich innerhalb des von der am Austritt des Verdichters ausgebildeten Abzweigstelle bis zur zwischen dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und dem Expansionsorgan ausgebildeten Mündungsstelle erstreckenden Strömungspfades des Kältemittelkreislaufs angeordnete Wärmeübertrager als ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager eines Kühlmittelkreislaufs ausgebildet. Dabei weist der Kühlmittelkreislauf zudem einen Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager auf, welcher innerhalb des mit Zuluft für den Fahrgastraum durchströmbaren Klimagerätes angeordnet ist. Der Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager des Kühlmittelkreislaufs ist innerhalb des Klimagerätes in Strömungsrichtung der Zuluft nach dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs, insbesondere nach dem Austritt des ersten Strömungskanals, angeordnet.According to a second alternative embodiment of the invention, the heat exchanger arranged within the branching point formed at the outlet of the compressor up to the flow path of the refrigerant circuit extending between the first refrigerant-air heat exchanger and the expansion element is a refrigerant-coolant heat exchanger of a coolant circuit educated. In this case, the coolant circuit also has a coolant-air heat exchanger, which is arranged within the air-conditioning unit for the passenger compartment with air to flow through. The coolant-air heat exchanger of the coolant circuit is arranged within the air conditioner in the flow direction of the supply air to the second refrigerant-air heat exchanger of the refrigerant circuit, in particular after the exit of the first flow channel.
Der innerhalb des Strömungspfades angeordnete Wärmeübertrager ist vorteilhaft parallel zum ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager zur Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und Umgebungsluft oder anstelle des ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers von Kältemittel durchströmbar. Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die Abzweigstelle des Strömungspfades des Kältemittelkreislaufs als ein Drei-Wege-Ventil ausgebildet.The heat exchanger arranged within the flow path is advantageously parallel to the first refrigerant-air heat exchanger for heat transfer between the refrigerant and ambient air or instead of the first refrigerant-air heat exchanger. Heat exchanger flowed through by refrigerant. According to a first alternative embodiment of the invention, the branch point of the flow path of the refrigerant circuit is formed as a three-way valve.
Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist die Abzweigstelle des Strömungspfades des Kältemittelkreislaufs als eine Ventilanordnung mit einem T-Stück, einem ersten Ventil und einem zweiten Ventil ausgebildet. Dabei ist das erste Ventil dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgelagert, insbesondere zwischen dem T-Stück und dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, angeordnet. Das zweite Ventil ist innerhalb des Strömungspfades, insbesondere dem innerhalb des Strömungspfades ausgebildeten Wärmeübertrager vorgelagert, angeordnet.According to a second alternative embodiment of the invention, the branch point of the flow path of the refrigerant circuit is formed as a valve arrangement with a T-piece, a first valve and a second valve. In this case, the first valve is disposed upstream of the first refrigerant-air heat exchanger in the flow direction of the refrigerant, in particular between the T-piece and the refrigerant-air heat exchanger. The second valve is arranged upstream of the flow path, in particular the heat exchanger formed inside the flow path.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist innerhalb des Kältemittelkreislaufs in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Verdichter ein Akkumulator als Kältemittelspeicher vorgesehen. Zudem oder alternativ kann in Strömungsrichtung des Kältemittels dem ersten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager nachgeordnet ein Sammler ausgebildet sein. Ebenso ist eine Ausbildung des Kältemittelkreislaufs ohne Sammler und Akkumulator möglich.According to a development of the invention, an accumulator is provided as a refrigerant reservoir within the refrigerant circuit in the flow direction of the refrigerant upstream of the compressor. In addition or alternatively, downstream of the first refrigerant-air heat exchanger downstream of a collector may be formed in the flow direction of the refrigerant. Likewise, a design of the refrigerant circuit without collector and accumulator is possible.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Klimagerät eine Strömungsleiteinrichtung zum Verschließen und Öffnen des als Bypass um den zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager ausgebildeten zweiten Strömungskanals aufweist. Die Strömungsleiteinrichtung des zweiten Strömungskanals ist vorteilhaft als eine Luftklappe ausgebildet und ist zudem bevorzugt zwischen zwei Endstellungen „vollständig geöffnet“ und „vollständig geschlossen“ stufenlos verstellbar.An advantage of the invention is that the air conditioner has a flow guide for closing and opening the second flow channel formed as a bypass around the second refrigerant-air heat exchanger. The flow guide of the second flow channel is advantageously designed as an air flap and is also preferably continuously adjustable between two end positions "fully open" and "fully closed".
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs mit einem Kältemittelkreislauf und einem Klimagerät für einen Betrieb in einem Kälteanlagenmodus, in einem Wärmepumpenmodus, insbesondere in einem Nachheizmodus, und in einem Heißgasmodus für die zu konditionierende Zuluft des Fahrgastraums gelöst.The object of the invention is also achieved by a method according to the invention for operating an air conditioning system of a motor vehicle having a refrigerant circuit and an air conditioner for operation in a refrigeration system mode, in a heat pump mode, in particular in a reheating mode, and in a hot gas mode for the supply air to be conditioned of the passenger compartment ,
Der Kälteanlagenmodus dient vor allem dem Kühlen, der Wärmepumpenmodus sowie der Heißgasmodus dem Erwärmen und der Nachheizmodus dem Abkühlen und/oder Entfeuchten sowie dem Nachheizen der Zuluft des Fahrgastraums.The refrigeration system mode is mainly used for cooling, the heat pump mode and the hot gas mode, the heating and Nachheizmodus the cooling and / or dehumidifying and reheating the supply air of the passenger compartment.
Das Verfahren zum Betreiben des Klimatisierungssystems weist beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Heißgasmodus zum Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums folgende Schritte auf:
- - Leiten eines aus einem Verdichter ausströmenden Kältemittels auf einem Hochdruckniveau durch einen Strömungspfad und einen als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager, wobei Wärme vom Kältemittel abgegeben wird,
- - Leiten des aus dem Wärmeübertrager austretenden Kältemittels durch ein Expansionsorgan, wobei das Kältemittel auf ein Niederdruckniveau entspannt wird,
- - Leiten des aus dem Expansionsorgan austretenden Kältemittels durch einen in einem ersten Strömungskanal des Klimagerätes angeordneten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager und
- - Ansaugen des Kältemittels durch den Verdichter.
- - Passing a refrigerant flowing out of a compressor at a high pressure level through a flow path and a heat exchanger operated as a condenser / gas cooler, wherein heat is released from the refrigerant,
- Passing the refrigerant exiting the heat exchanger through an expansion element, the refrigerant being expanded to a low pressure level,
- - Guiding the exiting the expansion element refrigerant by a arranged in a first flow channel of the air conditioner refrigerant-air heat exchanger and
- - Suction of the refrigerant by the compressor.
Dabei ist eine in Strömungsrichtung der Zuluft im ersten Strömungskanal vor dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager angeordnete Strömungsleiteinrichtung vollständig geschlossen und die Zuluft wird vollständig durch einen geöffneten zweiten Strömungskanal um den Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager herumgeführt, sodass die im Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager übertragene Wärme Null ist.In this case, arranged in the flow direction of the supply air in the first flow channel in front of the refrigerant-air heat exchanger Strömungsleiteinrichtung is completely closed and the supply air is completely guided around an open second flow channel to the refrigerant-air heat exchanger, so that transmitted in the refrigerant-air heat exchanger heat Is zero.
Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird im als Kondensator/Gaskühler betriebenen und als ein Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager ausgebildeten Wärmeübertrager, welcher innerhalb des Klimagerätes zum Leiten und Verteilen der Zuluft für den Fahrgastraum angeordnet ist, Wärme vom Kältemittel an die Zuluft des Fahrgastraums übertragen.According to a first alternative embodiment of the invention is in the condenser / gas cooler operated and designed as a refrigerant-air heat exchanger heat exchanger, which is arranged inside the air conditioner for conducting and distributing the supply air for the passenger compartment, heat transferred from the refrigerant to the supply air of the passenger compartment ,
Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird im als Kondensator/Gaskühler betriebenen und als ein Kältemittel-Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildeten Wärmeübertrager Wärme vom Kältemittel an ein Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs übertragen. Die vom Kühlmittel aufgenommene Wärme wird anschließend in einem Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager, welcher innerhalb des Klimagerätes zum Leiten und Verteilen der Zuluft für den Fahrgastraum angeordnet ist, vom Kühlmittel an die Zuluft des Fahrgastraums übertragen.According to a second alternative embodiment of the invention, in the condenser / gas cooler operated and designed as a refrigerant-refrigerant heat exchanger heat transfer heat from the refrigerant to a coolant of a coolant circuit. The heat absorbed by the coolant is then transferred from the coolant to the supply air of the passenger compartment in a coolant-air heat exchanger, which is arranged inside the air conditioner for conducting and distributing the supply air for the passenger compartment.
Das erfindungsgemäße Klimatisierungssystem bietet die Möglichkeit zum Erwärmen der Zuluft des Fahrgastraums über einen Betrieb des Kältemittelkreislaufs in einem Dreiecksprozess, bei welchem der beim Betrieb in anderen Modi als Verdampfer betriebene zweite Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager luftseitig vollständig abgesperrt werden kann, sodass der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager nicht mit Luft beaufschlagt beziehungsweise überströmt wird. Durch das luftseitige Absperren des Kältemittel-Luft-Wärmeübertragers ist der Saugdruck des Kältemittelkreislaufs während des Betriebs im Dreiecksprozess nicht von der Temperatur der ansonsten den Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager überströmenden Luft, insbesondere der Umgebungsluft, abhängig. Folglich kann das Saugdruckniveau des Kältemittelkreislaufs angehoben werden, was zu einer Vergrößerung der Wärmeleistung zum Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum führt und das Risiko, den Verdichter durch zu geringe Saugdrücke zu beschädigen, verringert werden.The air conditioning system according to the invention offers the possibility of heating the supply air of the passenger compartment via operation of the refrigerant circuit in a triangular process, in which the second refrigerant-air heat exchanger operated during operation in other modes as an evaporator can be completely shut off on the air side, so that the refrigerant air Heat exchanger is not acted upon or overflowed with air. By the air-side shut-off of the refrigerant-air heat exchanger, the suction pressure of the refrigerant circuit during operation in the triangular process not dependent on the temperature of the otherwise the refrigerant-air heat exchanger overflowing air, in particular the ambient air. Consequently, the suction pressure level of the refrigerant circuit can be raised, resulting in an increase in the heat output for heating the supply air for the passenger compartment and the risk of damaging the compressor due to low suction pressures can be reduced.
Das erfindungsgemäße Klimatisierungssystem zum Konditionieren der Luft eines Fahrgastraums von Kraftfahrzeugen weist zusammenfassend diverse Vorteile auf:
- - Klimatisieren, insbesondere Kühlen, Entfeuchten und/oder Heizen der Zuluft des Fahrgastraums mit minimalem Energieeinsatz,
- - Bereitstellen eines ausreichenden Komforts innerhalb des Fahrgastraums, insbesondere beim Betrieb im Heißgasmodus bei geringen Temperaturen der Umgebungsluft, durch Steigerung der Heizleistung und damit Aufheizen der Luft in sehr kurzer Zeit,
- - erhöhte Lebensdauer, da auch eine Schädigung des Verdichters durch einen zu geringen Saugdruck vermieden wird,
- - Kältemittelkreislauf, welcher zum Einsatz in bekannten Schemata und vorhandenen Bauräumen bestehender Kraftfahrzeuge integrierbar ist, sowie
- - minimale Anzahl von Komponenten im Kältemittelkreislauf, dadurch minimaler Bauraum, minimale Herstellungskosten und Wartungskosten auch durch Verzicht auf zusätzliche Komponenten im Klimatisierungssystem, wie elektrische Widerstandsheizungen.
- Air conditioning, in particular cooling, dehumidifying and / or heating the supply air of the passenger compartment with minimum energy input,
- Providing sufficient comfort within the passenger compartment, in particular when operating in the hot gas mode at low ambient air temperatures, by increasing the heating power and thus heating the air in a very short time,
- - Increased life, as well as damage to the compressor is avoided by a too low suction pressure,
- - Refrigerant circuit, which can be integrated for use in known schemes and existing space existing vehicles, as well as
- - Minimal number of components in the refrigerant circuit, thereby minimal space, minimum manufacturing costs and maintenance costs also by eliminating additional components in the air conditioning system, such as electrical resistance heaters.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, in welchen Klimatisierungssysteme jeweils mit einem Klimagerät, einem Kühlmittelkreislauf und einem Kältemittelkreislauf, aufweisend einen Verdichter, einen ersten und einen zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager sowie ein Expansionsorgan dargestellt sind. Es zeigen
-
2 : ein Klimagerät mit dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs und einem Heizwärmeübertrager des Kühlmittelkreislaufs aus dem Stand der Technik sowie -
3a und3b : ein erfindungsgemäßes Klimagerät mit dem zweiten Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager des Kältemittelkreislaufs und dem Heizwärmeübertrager des Kühlmittelkreislaufs mit alternativen Ausführungsformen des Kältemittelkreislaufs.
-
2 an air conditioner with the second refrigerant-air heat exchanger of the refrigerant circuit and a heating heat exchanger of the refrigerant circuit of the prior art and -
3a and3b : An inventive air conditioner with the second refrigerant-air heat exchanger of the refrigerant circuit and the heat exchanger of the refrigerant circuit with alternative embodiments of the refrigerant circuit.
Aus
Der Kältemittelkreislauf
Der Kältemittelkreislauf
Der Kältemittelkreislauf
Der Kältemittelkreislauf
Der Kühlmittelkreislauf
Das Klimagerät
Da der erste Strömungskanal
Das Klimagerät
Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs
Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs
Der Bypass
Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs
Nach dem Austreten aus dem ersten Strömungspfad
Der Kältemittelkreislauf
Beim Durchströmen des Kältemittels durch den Bypass
Beim Durchströmen des Kältemittels durch den Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager
In den
Der Kältemittelkreislauf
Der Kältemittelkreislauf
Bei der ersten Ausführungsform des Klimatisierungssystems
Bei der zur ersten alternativen zweiten Ausführungsform des Klimatisierungssystems
Mit der Ausbildung der Abzweigstelle
Im Unterschied zum Kältemittelkreislauf
Der Kühlmittelkreislauf
Das Klimagerät
Im Vergleich zum Klimagerät
Da das Klimagerät
Auch innerhalb des zweiten Strömungskanals
Zu den Betriebsweisen des Kältemittelkreislaufs
Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs
Nach dem Austreten aus dem Strömungspfad
Beim Betrieb des Kältemittelkreislaufs
Die luftseitige Absperrung des Wärmeübertragers
Bei einem Betrieb des Kältemittelkreislaufs
Mit dem Betrieb des Klimatisierungssystem
Mit dem Betrieb des Kältemittelkreislaufs im Heißgasmodus kann die Zuluft des Fahrgastraums mit ähnlicher Effizienz erwärmt werden, wie mit einer elektrischen Widerstandsheizung, ohne dabei jedoch auf zusätzliche Komponenten angewiesen zu sein. Gleichzeitig wird das Risiko, den Verdichter durch zu geringe Saugdrücke zu beschädigen, minimiert.With the operation of the refrigerant cycle in the hot gas mode, the supply air of the passenger compartment can be heated with similar efficiency as with an electrical resistance heater, without, however, relying on additional components. At the same time, the risk of damaging the compressor due to low suction pressures is minimized.
Der Kältemittelkreislauf und die Betriebsmodi sind für jedes Kältemittel verwendbar, welches niederdruckseitig einen Phasenübergang von flüssig nach gasförmig durchläuft. Hochdruckseitig gibt das Medium durch Gaskühlung/Kondensation und Unterkühlung die aufgenommene Wärme an eine Wärmesenke ab. Als Kältemittel sind natürliche Stoffe, wie R744, R717 und ähnliche, brennbare Stoffe, wie R290, R600, R600a und ähnliche, chemische Stoffe, wie R134a, R152a, HFO-1234yf, sowie diverse Kältemittelgemische verwendbar.The refrigerant circuit and the operating modes can be used for any refrigerant which passes through a phase transition from liquid to gaseous on the low pressure side. On the high pressure side, the medium releases the absorbed heat to a heat sink through gas cooling / condensation and subcooling. Suitable refrigerants are natural substances such as R744, R717 and similar combustible substances such as R290, R600, R600a and similar chemical substances such as R134a, R152a, HFO-1234yf, as well as various mixtures of refrigerants.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1', 1a, 1b1 ', 1a, 1b
- KlimatisierungssystemCooling system
- 2', 2a, 2b2 ', 2a, 2b
- KältemittelkreislaufRefrigerant circulation
- 33
- KühlmittelkreislaufCoolant circuit
- 44
- Verdichtercompressor
- 55
- Wärmeübertrager, erster Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, Kondensator/GaskühlerHeat exchanger, first refrigerant-air heat exchanger, condenser / gas cooler
- 66
- Sammlercollector
- 77
- Expansionsorganexpansion element
- 88th
- Wärmeübertrager, zweiter Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, VerdampferHeat exchanger, second refrigerant-air heat exchanger, evaporator
- 99
- Akkumulatoraccumulator
- 1010
- (erster) Strömungspfad(first) flow path
- 1111
- Wärmeübertrager, Kältemittel-Kühlmittel-WärmeübertragerHeat exchanger, refrigerant-refrigerant heat exchanger
- 1212
- Abzweigstellebranching point
- 1313
- Mündungsstelleopening point
- 1414
- Drei-Wege-VentilThree-way valve
- 15 15
- zweiter Strömungspfad, Bypasssecond flow path, bypass
- 1616
- Abzweigstelle, Drei-Wege-VentilBranch point, three-way valve
- 1717
- Mündungsstelleopening point
- 1818
- Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager, HeizwärmeübertragerCoolant-air heat exchanger, heating heat exchanger
- 1919
- Fördervorrichtung, PumpeConveying device, pump
- 20', 2020 ', 20
- Klimagerätair conditioning
- 2121
- erster Strömungskanalfirst flow channel
- 2222
- zweiter Strömungskanal, Bypasssecond flow channel, bypass
- 2323
-
Strömungsleiteinrichtung, Luftklappe Strömungskanal
22 Flow guiding device, airflap flow channel 22 - 2424
-
Strömungsrichtung Zuluft Anströmung Verdampfer
8 Flow direction Supply air Flow evaporator8th - 2525
-
Strömungsrichtung Zuluft Anströmung Heizwärmeübertrager
18 Flow direction Supply air FlowHeating heat exchanger 18 - 2626
- Strömungsrichtung Zuluft FahrgastraumFlow direction of incoming air passenger compartment
- 2727
-
erstes Ventil, Absperrventil Abzweigstelle
12 first valve, shut-offvalve branch 12 - 2828
-
zweites Ventil, Absperrventil Abzweigstelle
12 second valve, shut-offvalve branch 12 - 2929
-
Strömungsleiteinrichtung, Luftklappe Anströmung Verdampfer
8 Flow guiding device, air flap Flow evaporator8th - A, B, CA, B, C
- Zustandsänderung KältemittelState change refrigerant
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R083 | Amendment of/additions to inventor(s) | ||
R016 | Response to examination communication |