DE102019213860A1

DE102019213860A1 - Klimatisierungssystem für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102019213860A1
Application number: DE102019213860.8A
Authority: DE
Inventors: Dirk Bertsche; Matthias Jung; Holger Laux; Sascha Lindauer; Oliver Schultze
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2019-09-11
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2021-03-11
Also published as: US20210070144A1; US11485196B2; CN112477545B; CN112477545A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Klimatisierungssystem (1) für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens zwei Temperiereinrichtungen (2a-2e) , die jeweils einen indirekten Wärmeübertrager (3a-3e) aufweisen, der sowohl von Wasser (W) als auch - fluidisch getrennt dazu - von Luft (L) durchströmbar ist, so dass im Wärmeübertrager (3a-3e) Wärme von dem Wasser (W) auf die Luft (L) und umgekehrt übertragen werden kann. Das Klimatisierungssystem (1) umfasst ferner eine von Warmwasser (WW) durchströmbare Warmwasserversorgung (4), welche zum Versorgen der Wärmeübertrager (3a-3e) der wenigstens zwei Temperiereinrichtungen (2a-2e) mit Warmwasser (WW) fluidisch mit diesen kommuniziert. Das Klimatisierungssystem (1) umfasst ferner eine von Kaltwasser (KW) durchströmbaren Kaltwasserversorgung (5), welche zum Versorgen der Wärmeübertrager (3a-3e) der wenigstens zwei Temperiereinrichtungen (2a-2e) mit Kaltwasser (KW) fluidisch mit diesen kommuniziert. Dabei kommuniziert wenigstens ein Wärmeübertrager (3a-3e) der wenigstens zwei Temperiereinrichtungen (2a-2e) mittels einer verstellbaren und steuerbaren Ventileinrichtung (6a-6e) mit der Warm- und Kaltwasserversorgung (4, 5), so dass mittels der jeweiligen Ventileinrichtung (6a-6e) ein Mischungsverhältnis der in den zugeordneten Wärmeübertrager (3a-3e) eingeleiteten Mischung aus Warm- und Kaltwasser (WW, KW) einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Klimatisierungssystem für ein Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Klimatisierungssystem. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Klimatisierungssystems und zum Temperieren des Fahrzeuginnenraums eines Kraftfahrzeugs.
Zur Klimatisierung von Fahrzeuginnenräumen von Kraftfahrzeugen werden oftmals Klimatisierungsanlagen mit Gebläse, Verdampfer und Heizer verwendet, die zentral in einem Frontbereich des Fahrzeuginnenraums angeordnet sind.
Als nachteilig bei solchen zentralen Klimatisierungsanlagen erweist sich deren hoher Bedarf an Bauraum, welcher insbesondere im Frontbereich des Fahrzeuginnenraums nur in eingeschränktem Maße zur Verfügung steht. Außerdem ist die lokale Klimatisierung individueller Zonen im Fahrzeuginnenraum nur in sehr eingeschränkter Weise möglich.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für ein Klimatisierungssystem zu schaffen, welches wenig Bauraum erfordert und dennoch eine flexible Klimatisierung unterschiedlicher Zonen des Fahrzeuginnenraums eines Kraftfahrzeugs erlaubt.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Grundidee der Erfindung ist demnach, ein Klimatisierungssystem modular mit wenigstens zwei Temperiereinrichtungen aufzubauen, deren Wärmeübertrager an eine gemeinsame Kaltwasserversorgung und an eine gemeinsame Warmwasserversorgung angeschlossen sind. Mittels einer Ventileinrichtung kann in den Wärmeübertragern individuell Mischwasser aus Warm- und Kaltwasser mit nahezu beliebigem Mischungsverhältnis bereitgestellt werden. Durch thermische Wechselwirkung dieses individuell für jeden Wärmeübertrager temperierten Mischwassers mit durch den Wärmeübertrager geführter Luft, die anschließend in eine bestimmte Zone des Fahrzeuginnenraums geführt werden kann, lässt sich der Fahrzeuginnenraum zonal auf flexible Weise temperieren. Da die Temperierung des durch die Wärmeübertrager geführten Wassers für jede Temperiereinrichtung bzw. für jeden Wärmeübertrager mittels einer technisch relativ einfach aufgebauten und somit kostengünstig umzusetzenden Ventileinrichtung in Verbindung mit einer für alle Wärmeübertrager bzw. Temperiereinrichtungen gemeinsamen Kalt- bzw. Warmwasserversorgung erfolgt, wird für das Klimatisierungssystem nur relativ wenig Bauraum benötigt. Dennoch ermöglicht es das hier vorgestellte, erfindungsgemäße Klimatisierungssystem aufgrund der wenigstens zwei vorhandenen, individuellen Temperiereinrichtungen, verschiedene Zonen des Fahrzeuginnenraums individuell zu klimatisieren.
Ein erfindungsgemäßes Klimatisierungssystem für ein Kraftfahrzeug umfasst wenigstens zwei Temperiereinrichtungen, die jeweils einen indirekten Wärmeübertrager aufweisen, der sowohl von Wasser als auch - fluidisch getrennt dazu - von Luft durchströmt werden kann, so dass im Wärmeübertrager Wärme von dem Wasser auf die Luft übertragen werden kann oder umgekehrt. Ferner umfasst das Klimatisierungssystem eine von Warmwasser durchströmbare Warmwasserversorgung. Die Warmwasserversorgung dient zum Versorgen des Wärmeübertragers der wenigstens zwei Temperiereinrichtungen mit Warmwasser und kommuniziert hierzu fluidisch mit dem jeweiligen Wärmeübertrager. Ferner umfasst das Klimatisierungssystem eine von Kaltwasser durchströmbare Kaltwasserversorgung. Die Kaltwasserversorgung dient zum Versorgen des Wärmeübertragers der wenigstens zwei Temperiereinrichtungen mit Kaltwasser und kommuniziert hierzu fluidisch mit dem jeweiligen Wärmeübertrager. Wenigstens ein Wärmeübertrager der wenigstens zwei Temperiereinrichtungen kommuniziert erfindungsgemäß mittels wenigstens einer verstellbaren und steuerbaren Ventileinrichtung sowohl mit der Warmwasserversorgung als auch mit der Kaltwasserversorgung, und zwar derart, dass mittels der Ventileinrichtung ein Mischungsverhältnis des in den zugeordneten Wärmeübertrager eingeleiteten Wassers, bestehend aus Warm- und Kaltwasser aus der Warm- bzw. Kaltwasserversorgung, eingestellt werden kann. Im Extremfall kann der Wärmeübertrager auch nur mit Kaltwasser oder nur mit Warmwasser durchströmt werden.
Erfindungsgemäß umfasst das Klimatisierungssystem eine Wasserrückführung, mittels welcher das durch die Wärmeübertrager der wenigstens zwei Temperiereinrichtungen geführte Wasser in den Verdampfer oder in den Kondensator zurückgeleitet wird. Die Bereitstellung individueller Wasserrückführungen für jeden Wärmeübertrager kann entfallen, wodurch der technische Aufbau des Klimatisierungssystems erheblich vereinfacht wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kommunizieren alle indirekten Wärmeübertrager der Temperiereinrichtungen mittels einer verstellbaren und steuerbaren Ventileinrichtung mit der Warm- und Kaltwasserversorgung. Somit kann der Anteil an Heiß- und Kaltwasser im Mischwasser für jede Temperiereinrichtung individuell eingestellt werden.
Zweckmäßig ist die jeweilige Ventileinrichtung als Drei-Wege-Ventil, vorzugsweise mit zwei Ventileinlässen zum Verbinden mit der Kaltwasserversorgung und der Warmwasserversorgung sowie mit einem Ventilauslass zum Verbinden mit dem Wärmeübertrager, ausgebildet. Diese Maßnahme realisiert auf einfache Weise die erfindungswesentliche einstellbare fluidische Verbindung des jeweiligen Wärmeübertragers mit der Kalt- und Warmwasserversorgung. Besonders zweckmäßig kann die Ventileinrichtung bzw. das Drei-Wege-Ventil als Proportionalventil ausgebildet sein.
Zweckmäßig weist wenigstens eine, vorzugsweise genau eine Temperiereinrichtung, eine Heizeinrichtung, insbesondere eine PTC-Heizeinrichtung, zum Erwärmen der durch den Wärmeübertrager der Temperiereinrichtung geführten Luft auf. Dies erlaubt einerseits ein zusätzliches Erwärmen der durch die Temperiereinrichtung geführten Luft unabhängig von der Warmwasserversorgung und andererseits einen sog. „Reheat-Betrieb“, bei dem die zu temperierende Luft zunächst im Wärmeübertrager gekühlt und entfeuchtet und mit Hilfe der elektrischen Heizeinrichtung erwärmt wird.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform kommunizieren alle indirekten Wärmeübertrager der Temperiereinrichtungen mit Ausnahme einer speziellen Temperiereinrichtung, deren Wärmeübertragers nur mit der Warmwasserversorgung kommuniziert, mittels einer verstellbaren und steuerbaren Ventileinrichtung mit der Warm- und Kaltwasserversorgung. Diese spezielle Temperiereinrichtung erfordert somit besonders wenig Bauraum, so dass sie in einem vorderen Bereich des Fahrzeuginnenraums eingesetzt werden kann, in welchem oftmals nur wenig Bauraum zur Verfügung steht.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die spezielle Temperiereinrichtung einen direkten Verdampfer, der zum Entfeuchten und Kühlen der durch den Wärmeübertrager der speziellen Temperiereinrichtung strömenden Luft ausgebildet ist. Zum Erwärmen der Luft kann ein solcher direkter Wärmeübertrager, welcher Teil der speziellen Temperiereinrichtung ist, fluidisch lediglich mit der Warmwasserversorgung verbunden werden, wohingegen auf eine fluidische Verbindung mit der Kaltwasserversorgung verzichtet werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung umfasst das Klimatisierungssystem einen von einem Kältemittel durchströmbaren Kältemittelkreislauf. Im Kältemittelkreislauf sind ein Verdichter zum Verdichten des Kältemittels, ein Kondensator zum Kondensieren des Kältemittels, vorzugsweise ein Expansionsorgan zum Entspannen des Kältemittels, und wenigstens ein Verdampfer zum Verdampfen des Kältemittels angeordnet.
Bei dieser Weiterbildung ist wenigstens ein Verdampfer als indirekter Wärmeübertrager ausgebildet, der in der Kaltwasserversorgung angeordnet ist. Somit kann im indirekten Verdampfer durch Wärmeübertragung auf das Kältemittel Kaltwasser für die Kaltwasserversorgung erzeugt werden. Ebenso ist wenigstens ein Kondensator als indirekter Wärmeübertrager ausgebildet, der in der Warmwasserversorgung angeordnet ist, so dass im indirekten Kondensator durch Wärmeabführung vom kondensierenden Kältemittel Warmwasser für die Warmwasserversorgung erzeugt werden. Mittels des Kältemittelkreislaufs kann somit sowohl das Kaltwasser des Kaltwasserkreislaufs als auch das Warmwasser des Warmwasserkreislaufs simultan temperiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist im Kältemittelkreislauf ein weiterer, zusätzlicher indirekter Verdampfer angeordnet. Dieser zusätzliche indirekte Verdampfer ist in einem Kühlmittelkreislauf angeordnet, so dass in diesem Verdampfer durch Wärmeübertragung auf das Kältemittel das Kühlmittel gekühlt wird, mit welchem wiederum - ebenfalls durch Wärmeübertragung - Abwärme erzeugende Komponenten wie eine Leistungselektronik oder eine Batterie des Kraftfahrzeugs gekühlt werden können. Bei dieser Weiterbildung ist in dem Kühlmittelkreislauf ein von Umgebungsluft durchströmbarer Wärmeübertrager angeordnet, der als Niedertemperaturkühler fungiert. Der Wärmeübertrager bzw. Niedertemperaturkühler ist derart ausgebildet, dass durch Wärmeübertragung von dem Kühlmittel auf die Luft dieses gekühlt wird.
Die Wasserrückführung kann mit wenigstens einem Wasserrückführungsventil, mittels welchem das durch die Wärmeübertrager der wenigstens zwei Temperiereinrichtungen geführte Wasser auf den indirekten Verdampfer und auf den indirekten Kondensator verteilt werden kann, ausgeführt sein. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind zwei solche Wasserrückführungsventile vorgesehen. Besonders bevorzugt kann für jeden Wärmeübertrager ein separat steuerbares Wasserrückführungsventil vorgesehen sein.
In einer vorteilhaften Ausführung des Klimatisierungssystems kann auf ein Wasserrückführungsventil in der Wasserrückführung verzichtet werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst wenigstens eine Temperiereinrichtung ein Gebläse zum Antreiben der durch den Wärmeübertrager geführten Luft. Vorzugsweise besitzen alle Temperiereinrichtungen des Klimatisierungssystems jeweils ein solches Gebläse. Somit kann eine verbesserte Temperierung der durch den Wärmeübertrager geführten Luft erreicht werden.
Zweckmäßig ist wenigstens ein Gebläse als steuerbares Gebläse ausgebildet. Bevorzugt ist dieses Gebläse zwischen zumindest zwei Leistungsstufen mit unterschiedlicher Gebläse-Leistung verstellbar. Besonders sind alle Gebläse der Temperiereinrichtungen als solche steuerbare Gebläse ausgebildet. Auf diese Weise kann die Menge an mittels des Wärmeübertragers temperierter Luft besonders genau eingestellt werden.
Zweckmäßig umfasst das Klimatisierungssystem eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung zum Steuern der wenigstens einen Ventileinrichtung, vorzugsweise aller Ventileinrichtungen, des Klimatisierungssystem. Besonders bevorzugt kann auch das wenigstens eine - insbesondere steuerbare - Gebläse, mittels der Steuerungs-/Regelungseinrichtung steuerbar sein. Besonders bevorzugt gilt dies für alle Gebläse des Klimatisierungssystems.
Zweckmäßig kann/können mittels der Steuerungs-/Regelungseinrichtung wenigstens ein Gebläse, vorzugsweise alle Gebläse, steuerbar, insbesondere zwischen den wenigstens zwei Gebläse-Stufen verstellbar, ausgebildet sein.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Kleinbus, mit einem Fahrzeuginnenraum und mit einem voranstehend vorgestellten Klimatisierungssystem zum Klimatisieren des Fahrzeuginnenraums. Die voranstehend erläuterten Vorteile des Klimatisierungssystems übertragen sich daher auch auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug. Ferner umfasst das Klimatisierungssystem eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung zum Steuern der wenigstens einen Ventileinrichtung, vorzugsweise aller Ventileinrichtungen, des Klimatisierungssystems.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kommunizieren die Wärmeübertrager der wenigstens zwei Temperiereinrichtungen fluidisch über unterschiedliche Luftpfade mit an unterschiedlichen Positionen im Fahrzeuginnenraum angeordneten Luftauslässen. Mittels dieser Maßnahme können auf flexible Weise lokale Zonen des Fahrzeuginnenraums individuell temperiert werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die spezielle Temperiereinrichtung so im Kraftfahrzeug angeordnet, das die vom Wärmeübertrager der speziellen Temperiereinrichtung temperierte Luft in einen vorderen Bereich des Kraftfahrzeugs eingeleitet wird.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Klimatisierungssystems und zum Temperieren des Fahrzeuginnenraums eines Kraftfahrzeugs.
In einem ersten Aspekt der Erfindung wird gemäß dem Verfahrens in einem ersten Betriebszustand des Klimatisierungssystems zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums durch den speziellen Wärmeübertrager der speziellen Temperiereinrichtung nur Warmwasser aus der Warmwasserversorgung, nicht aber Kaltwasser aus der Kaltwasserversorgung geführt wird, so dass die durch den Wärmeübertrager strömende Luft mittels des Warmwassers erwärmt wird und zusätzlich mittels der elektrischen Heizeinrichtung der speziellen Temperiereinrichtung erwärmt wird. In einem zweiten Betriebszustand wird zum kombinierten Entfeuchten und Beheizen des Fahrzeuginnenraums durch den speziellen Wärmeübertrager der speziellen Temperiereinrichtung nur Kaltwasser aus der Kaltwasser, nicht aber Warmwasser aus der Warmwasserversorgung geführt, so dass die durch den Wärmeübertrager strömende Luft mittels des Kaltwassers gekühlt wird und anschließend mittels der elektrischen Heizeinrichtung der speziellen Temperiereinrichtung wieder erwärmt wird. In einem dritten Betriebszustand wird zum Kühlen des Fahrzeuginnenraums durch den speziellen Wärmeübertrager der speziellen Temperiereinrichtung mehrheitlich Kaltwasser oder ausschließlich Kaltwasseraus der Kaltwasserversorgung geführt, so dass die durch den Wärmeübertrager strömende Luft mittels des Kaltwassers gekühlt wird. Optional kann die Luft und mittels der elektrischen Heizeinrichtung der speziellen Temperiereinrichtung wieder erwärmt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in dem ersten Betriebszustand in die Wärmeübertrager der verbleibenden, nicht-speziellen Temperiereinrichtungen durch Verstellen/Steuern der verstellbaren und steuerbaren Ventileinrichtungen mit der Warm- und Kaltwasserversorgung eine Mischung aus Warm- und Kaltwasser eingeleitet wird. Alternativ oder zusätzlich wird bei dieser Ausführungsform in dem zweiten Betriebszustand oder/und in dem dritten Betriebszustand in die Wärmeübertrager der verbleibenden, nicht-speziellen Temperiereinrichtungen durch entsprechendes Verstellen/Steuern der verstellbaren und steuerbaren Ventileinrichtungen (6b-6e) mit einem Gemisch aus Warmwasser aus der Warmwasserversorgung und Kaltwasser aus der Kaltwasserversorgung eingeleitet wird. Alternativ oder zusätzlich wird bei dieser Ausführungsform in dem zweiten oder/und dritten Betriebszustand ausschließlich Kaltwasser aus der Kaltwasserversorgung in die Wärmeübertrager der verbleibenden, nicht-speziellen Temperiereinrichtungen eingeleitet. Alternativ oder zusätzlich kann in dem zweiten oder/und dritten Betriebszustand die durch die Wärmeübertrager der nicht-speziellen Temperiereinrichtungen geführte Luft mittels der Heizeinrichtung(en) erwärmt wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird gemäß dem Verfahren in einem ersten Betriebszustand des Klimatisierungssystems zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums durch den speziellen Wärmeübertrager der speziellen Temperiereinrichtung nur Warmwasser aus der Warmwasserversorgung, nicht aber Kaltwasser aus der Kaltwasserversorgung geführt wird, so dass die durch den Wärmeübertrager strömende Luft mittels des Warmwassers erwärmt wird und zusätzlich mittels der elektrischen Heizeinrichtung der speziellen Temperiereinrichtung erwärmt wird. In einem zweiten Betriebszustand zum kombinierten Entfeuchten und Beheizen des die zu entfeuchtende Luft mithilfe eines direkten Verdampfers gekühlt und mit Hilfe des Wärmeübertragers der speziellen Temperatureinrichtung wie im ersten Betriebszustand erwärmt. In einem dritten Betriebszustand wird die Luft mithilfe des direkten Verdampfers gekühlt wird, wobei der Wärmeübertrager der speziellen Temperiereinrichtung deaktiviert ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird in dem ersten Betriebszustand in die Wärmeübertrager der verbleibenden, nicht-speziellen Temperiereinrichtungen durch Verstellen/Steuern der verstellbaren und steuerbaren Ventileinrichtungen mit der Warm- und Kaltwasserversorgung eine Mischung aus Warm- und Kaltwasser eingeleitet. Alternativ oder zusätzlich wird in dem zweiten Betriebszustand oder/und in dem dritten Betriebszustand in die Wärmeübertrager der verbleibenden, nicht-speziellen Temperiereinrichtungen durch entsprechendes Verstellen/Steuern der verstellbaren und steuerbaren Ventileinrichtungen mit einem Gemisch aus Warmwasser aus der Warmwasserversorgung und Kaltwasser aus der Kaltwasserversorgung eingeleitet.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens erfolgt eine Vorkonditionierung des Fahrzeuginnenraums, indem im Zuge des Verfahrensmittels der Fördereinrichtung, die Gebläse der jeweiligen Temperiereinrichtungen und eines Gebläses am Niedertemperaturkühler Wärme aus dem Fahrzeuginnenraum über die Wärmeübertrager aufgenommen und am Niedertemperaturkühler nach außen abgegeben werden.
Das Klimatisierungssystem kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens außerdem so betrieben werden, dass das Kühlmittel unterhalb der Umgebungstemperatur in diesen Wärmeübertrager einströmt, wodurch Wärme aus der Umgebungsluft aufgenommen werden kann. Mit Hilfe des Kältemittelkreislaufs wird diese Wärme am indirekten Verdampfer aufgenommen und mit Hilfe des Kältemittelkreislaufs auf ein höheres Temperaturniveau gepumpt, wodurch am indirekten Kondensator besonders energieeffizient Warmwasser zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums bereitgestellt werden kann.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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.
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 Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch:

1 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems in schematischer, stark vereinfachter Darstellung,
2 ein erstes Anwendungsbeispiel des Klimatisierungssystems der 1 in einer schematischen Darstellung,
3 ein zweites Anwendungsbeispiel des Klimatisierungssystems der 1 in einer schematischen Darstellung.

1 illustriert in schematischer Darstellung ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems 1 für ein Kraftfahrzeug. Das Klimatisierungssystem 1 umfasst im Beispiel fünf Temperiereinrichtungen 2a bis 2e. In Varianten des Beispiels kann auch eine andere Anzahl an Temperiereinrichtungen 2a bis 2e vorgesehen sein.
Jede Temperiereinrichtung 2a bis 2e umfasst einen indirekten Wärmeübertrager 3a bis 3e, der sowohl von Mischwasser W aus der Warm- und Kaltwasserversorgung 4, 5 als auch - fluidisch getrennt dazu - als auch von Luft L durchströmbar ist, so dass im jeweiligen Wärmeübertrager 3a bis 3e Wärme vom Mischwasser W auf Luft L - oder umgekehrt - übertragen werden kann. Nach dem Durchströmen des jeweiligen Wärmeübertragers 3a bis 3e kann die derart temperierte bzw. klimatisierte Luft L in eine bestimmte Zone des Fahrzeuginnenraums eines Kraftfahrzeugs eingeleitet werden.
Ferner umfasst das Klimatisierungssystem 1 eine von Warmwasser WW durchströmbare Warmwasserversorgung 4, welche zum Versorgen des jeweiligen Wärmeübertragers 3a bis 3e der wenigstens zwei Temperiereinrichtungen 2a bis 2e mit Warmwasser WW fluidisch mit diesem kommuniziert. Ferner umfasst das Klimatisierungssystem 1 eine von Kaltwasser KW durchströmbare Kaltwasserversorgung 5, welche zum Versorgen des jeweiligen Wärmeübertragers 3a bis 3e der wenigstens zwei Temperiereinrichtungen 2a bis 2e mit Kaltwasser KW fluidisch mit dieser kommuniziert.
Jede der Temperiereinrichtungen 2a bis 2e kann eine verstellbare und steuerbare Ventileinrichtung 6a bis 6e umfassen. Es werden jedoch zur individuellen Temperierung wenigstens zweier Zonen eines Fahrzeuginnenraums mindestens zwei Ventileinrichtung 6a, 6b benötigt, sodass mit Hilfe von in 1 nicht dargestellten PTC-Heizeinrichtungen die gewünschten unterschiedlichen Temperaturniveaus realisiert werden können. Außerdem kommuniziert jeder der Wärmeübertrager 3a bis 3e fluidisch mit der Warm- und Kaltwasserversorgung 4, 5, so dass mittels der jeweiligen Ventileinrichtung 6a bis 6e ein Mischungsverhältnis des in den Wärmeübertrager 3a bis 3e eingeleiteten Warm- und Kaltwasser WW, KW eingestellt werden kann. Hierzu können die Ventileinrichtungen 6a bis 6e jeweils als das Drei-Wege-Ventil mit einem Ventilauslass sowie mit einem ersten und zweiten Ventileinlass ausgebildet sein. Um das Mischungsverhältnis präzise einstellen zu können, können die Ventileinrichtungen 6a bis 6e darüber hinaus jeweils als Proportionalventile ausgebildet sein. Für jeden der Wärmeübertrager 3a bis 3e kann eine separat steuerbare Ventileinrichtung 6a bis 6e vorgesehen sein. Zum Steuern der Ventileinrichtungen 6a bis 6e umfasst das Klimatisierungssystem 1 eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung 16.
Jede Temperiereinrichtung 2a bis 2e umfasst ein Gebläse 17a bis 17e zum fördern bzw. Antreiben der durch den Wärmeübertrager 3a bis 3e geführten Luft L.
Das jeweilige Gebläse 17a bis 17e kann in den zugeordneten Temperiereinrichtungen 2a bis 2e oder außerhalb von dieser (nicht gezeigt) angeordnet sein. Jedes einzelne Gebläse 17a bis 17e ist als mittels der Steuerungs-/Regelungseinrichtung 16 steuerbares Gebläse ausgebildet und zumindest zwischen zwei Leistungsstufen mit unterschiedlicher Gebläse-Leistung verstellbar. Die durch den jeweiligen Wärmeübertrager 3a bis 3e geführte Luft L wird durch Wärmeaustausch von dem durch denselben Wärmeübertrager 3a bis 3e geführten Gemisch aus Warmwasser WW und Kaltwasser KW temperiert und anschließend über einen geeignet ausgebildeten Luftpfad - typischerweise realisiert als Luftkanal - in den Fahrzeuginnenraum des Kraftfahrzeugs eingeleitet.
Zur Bereitstellung von Warmwasser WW an die Warmwasserversorgung 4 und Kaltwasser KW an die Kaltwasserversorgung 5 umfasst das Klimatisierungssystem 1 einen von einem Kältemittel K durchströmbaren Kältemittelkreislauf 7. Als Kältemittel kommen Fluide in Betracht, die dem Fachmann unter den Bezeichnungen R134a, R1234yf, oder R744 bekannt sind. In dem Kältemittelkreislauf 7 sind ein Verdichter 8 zum Verdichten des Kältemittels K, ein Kondensator 10 zum Kondensieren des Kältemittels K, ein Expansionsorgan zur Expansion des Kältemittels K und ein Verdampfer 9 zum Verdampfen des Kältemittels K angeordnet.
Wie 1 veranschaulicht, umfasst das Klimatisierungssystem 1 eine Wasserrückführung 11, mittels welchen das durch die Wärmeübertrager 3a bis 3e der Temperiereinrichtungen 2a bis 2e geführte Wassergemisch aus Warmwasser WW und Kaltwasser KW in den Verdampfer 9 oder in den Kondensator 10 zurückgeleitet wird.
Sowohl der Verdampfer 9 als auch der Kondensator 10 werden im Betrieb - fluidisch getrennt vom Kältemittel K - von Mischwasser W aus der Wasserrückführung 11 durchströmt. Der Verdampfer 9 ist hierzu als indirekter Wärmeübertrager ausgebildet, der thermisch mit der Kaltwasserversorgung 5 verbunden ist. Somit kann im Verdampfer 9 durch Wärmeübertragung vom Wasser W auf das Kältemittel K das Kaltwasser KW für die Kaltwasserversorgung 5 erzeugt werden. Auch der Kondensator 10 ist als indirekter Wärmeübertrager ausgebildet, der thermisch mit der Warmwasserversorgung 4 verbunden ist. Somit kann im Kondensator 10 durch Wärmeentzug von dem Kältemittel K Warmwasser WW für die Warmwasserversorgung 4 erzeugt werden.
In der Wasserrückführung 11 sind zwei Wasserrückführungsventile 12a, 12b angeordnet. Ein erstes Wasserrückführungsventil 12a ist stromauf des Verdampfers 9 angeordnet. Ein zweites Wasserrückführungsventil 12b ist stromauf des Kondensators 10 angeordnet. Mittels der beiden Wasserrückführungsventile 12a, 12b kann das durch die Wärmeübertrager 3a bis 3e der Temperiereinrichtungen 2a bis 2e und anschließend durch die Wasserrückführung 11 geführte Mischwasser W auf den Verdampfer 9 und auf den Kondensator 10 verteilt werden, wo es erneut gekühlt bzw. erwärmt werden kann.
Das voranstehend vorgestellte Klimatisierungssystem 1 kann in einem Kraftfahrzeug, insbesondere in einem Kleinbus, eingesetzt werden, um dessen Fahrzeuginnenraum zu klimatisieren. Zweckmäßig kommunizieren die fünf Wärmeübertrager 3a bis 3e der fünf Temperiereinrichtungen 2a bis 2e fluidisch über unterschiedliche Luftpfade mit an fünf unterschiedlichen Positionen im Fahrzeuginnenraum angeordneten Luftauslässen. Diese erlaubt eine zonale Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums mit fünf verschiedenen Zonen.
2 illustriert ein zweites Anwendungsbeispiel des Klimatisierungssystems 1 der 1 in einem Kraftfahrzeug 20. Im Anwendungsbeispiel der 2 kommunizieren alle indirekten Wärmeübertrager 3a-3c der Temperiereinrichtungen 2a-2c mittels einer verstellbaren und steuerbaren Ventileinrichtung 6a, 6b,c sowohl mit der Warmwasserversorgung 4 als auch mit der Kaltwasserversorgung 5.
Je nach Betriebsweise werden die Wärmeübertrager 3a-3c in den Temperiereinrichtungen 2a-2c unterschiedlich betrieben.
In einem ersten Betriebszustand des Klimatisierungssystems 1 wird dieses so betrieben, dass der Fahrzeuginnenraum des Kraftfahrzeugs beheizt wird. Durch den Wärmeübertrager 3a in der Temperiereinrichtung 2a wird hierzu nur Warmwasser WW geleitet, indem die Ventileinrichtung 6a entsprechend keinen Kaltwasserdurchfluss realisiert. Demnach wird das Warmwasser WW stromab des Wärmeübertragers 3a über die Wasserrückführung 11 zu dem indirekten Kondensator 10 zurückgeführt. Die Luft L wird daher am Wärmeübertrager 3a zunächst durch Wärmeübertragung von Warmwasser WW auf die Luft L erwärmt und kann anschließend durch die luftseitige Heizeinrichtung 24a weiter erwärmt werden.
Die Wärmeübertrager 3b, 3c über die Ventileinrichtung 6b,c können sowohl mit Warmwasser WW als auch mit Kaltwasser KW versorgt werden. Das Mischwasser stromab der Wärmeübertrager 3b und 3c wird über die Wasserrückführung 11 dem indirekten Verdampfer 9 und dem indirekten Kondensator 10 zurückgeführt. Hierbei wird die Warmwassermenge, welche den Wärmeübertragern 3b und 3c mit Hilfe der Fördereinrichtung 28 und der Ventileinrichtung 6b,c zugeführt wurden über die Wasserrückführung 11 an den indirekten Kondensator 10 zurückgeführt. Die Kaltwassermenge, welche den Wärmeübertragern 3b, 3c mit Hilfe der Fördereinrichtung 30 und der Ventileinrichtung 6b,c zugeführt wurde, wird über die Wasserrückführung 11b, 11c an den indirekten Verdampfer 9 zurückgeführt. Die Luft L wird daher zunächst in den Wärmeübertrager 3b, 3c erwärmt, kann aber anschließend durch die luftseitige Heizeinrichtung 24b und 24c weiter erwärmt werden.
In einem zweiten Betriebszustand des Klimatisierungssystems 1, dem sog. „Reheat“-Betrieb, wird Luft L durch den Wärmeübertrager 3a gekühlt und entfeuchtet und anschließend mittels der Heizeinrichtung 24a bzw. der PTC-Heizeinrichtung 25a erwärmt.
Durch den Wärmeübertrager 3a in der Temperiereinrichtung 2a wird nur Kaltwasser KW geleitet, indem die Ventileinrichtung 6a entsprechend keinen Warmwasserdurchfluss realisiert. Demnach wird das Kaltwasser KW stromab des Wärmeübertragers 3a über die Wasserrückführung 11 zu dem indirekten Verdampfer 9 zurückgeführt. Die Luft L wird daher am Wärmeübertrager 3a durch Wärmeübertragung von der Luft L auf das Kaltwasser KW gekühlt und anschließend durch die luftseitige Heizeinrichtung 24a erwärmt.
Die Wärmeübertrager 3b und 3c werden in diesem Betriebsmodus nur mit Kaltwasser KW über die Ventileinrichtung 6b,c versorgt. Das Kaltwasser KW stromab der Wärmeübertrager 3b und 3c wird über die Wasserrückführung 11b, 11c dem indirekten Verdampfer 9 zurückgeführt. Die Luft wird daher in den Wärmeübertrager 3b und 3c gekühlt und kann anschließend durch die luftseitige Heizeinrichtung 24b und 24c wieder erwärmt werden.
Alternativ dazu kann durch die für die beiden Temperiereinrichtungen 2b, 2c gemeinsam zur Verfügung stehenden Ventileinrichtung 6b,c das Mischungsverhältnis aus Warm- und Kaltwasser WW, KW für die Temperiereinrichtungen 2b und 2c eingestellt werden. Eine zusätzlich gewünschte unterschiedliche Luftausblasstemperatur an den Temperiereinrichtungen 2a-2c wird dann dadurch erzielt, dass mit Hilfe der Heizeinrichtungen 24a-24c an der Stelle nachgeheizt wird, wo eine erhöhte Luftausblasstemperatur gewünscht ist. Die geringste Luftausblasstemperatur wird energieeffizient vom Klimatisierungssystem bereitgestellt und das Warm- und Kaltwasser WW, KW durch die Einstellung der entsprechenden Ventilposition der Ventileinrichtung 6a, 6b,c oder die Fördereinrichtungen 28, 30 auf die Wärmeübertrager 3a-3c verteilt.
In einem dritten Betriebszustand des Klimatisierungssystems 1 wird dieses so betrieben, dass der Fahrzeuginnenraum des Kraftfahrzeugs gekühlt wird. Für den Fall, dass diejenige Zone des Fahrzeuginnenraums, welche mittels der Temperiereinrichtung 2a temperiert wird, im Vergleich zu Zonen, welche durch die Temperiereinrichtungen 2b und 2c temperiert werden, mit einer höheren Temperatur ausgestattet werden sollen, werden die Temperiereinrichtungen 2b, 2c ausschließlich mit Kaltwasser KW versorgt. Mit Hilfe der luftseitigen Heizeinrichtungen 24b, 24c kann Luft L für individuell für jede Zone in der Fahrzeugkabine nachtemperiert werden. Der Betrieb der Temperiereinrichtungen 2b und 2c erfolgt wie in der voranstehend erläuterten Betriebsweise „Reheat“. Die Temperiereinrichtung 2a kann dabei mit Warm- und Kaltwasser WW, KW versorgt werden. Durch die Ventileinrichtung 2a wird dem Wärmeübertrager 3a je nach gewünschter Luftausblasstemperatur mehrheitlich Kaltwasser KW zugeführt, sodass die Luft L gekühlt wird. Die Warmwassermenge, welche dem Wärmeübertrager 3a mit Hilfe der Fördereinrichtung 28 und der Ventileinrichtung 6a zugeführt wurde, wird über die Wasserrückführung 11, 11a dem indirekten Kondensator 10 zurückgeführt. Die Kaltwassermenge, welche dem Wärmeübertrager 3a mit Hilfe der Fördereinrichtung 30 und der Ventileinrichtung 6a zugeführt wurde, wird über die Wasserrückführung 11, 11a dem indirekten Verdampfer 9 zurückgeführt. Für den Fall, dass derjenige Bereich des Fahrzeuginnenraums, welcher mit der Temperiereinrichtung 2a versorgt wird im Vergleich zu den Zonen, welche durch die Temperiereinrichtungen 2b und 2c versorgt werden, mit einer geringeren Temperatur ausgestattet werden sollen, wird die Temperiereinrichtung 2a entsprechend ausschließlich mit Kaltwasser KW versorgt. Die Temperiereinrichtungen 2b und 2c können entsprechend mit Kalt- und Warmwasser KW, WW versorgt werden. Die Vorgehensweise zur Wasserrückführung entspricht dem ersten Betriebszustand zum Heizen des Fahrzeuginnenraums.
In einer alternativen Betriebsweise zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums kann in der Temperiereinrichtung 2a zusätzlich zum Verdampfer-Betrieb der Wärmeübertrager 3a mit Kaltwasser durchströmt werden, wodurch die Luft weiter gekühlt werden kann. In dieser speziellen Ausführungsform können allerdings dann in den Temperiereinrichtungen 2b und 2c die Wärmeübertrager 3b und 3c ebenfalls nur mit Kaltwasser betrieben werden. Diese Ausführungsform empfiehlt sich besonders für erhöhte Kühlanforderungen, im Gegensatz zur erstgenannten Ausführungsform, welche bevorzugt bei gemäßigten Kühlanforderungen zum Einsatz kommt.
Gemäß dem Beispiel der 2 ist im Kältemittelkreislauf 7 ein weiterer zusätzlicher Verdampfer 9a angeordnet. In dem Kältemittelkreislauf 7 sind ein Verdichter 8 zum Verdichten des Kältemittels K, ein Kondensator 10 zum Kondensieren des Kältemittels K, zwei Expansionsorgane 18 zur Expansion des Kältemittels K und zwei Verdampfer 9 und 9a zum Verdampfen des Kältemittels K angeordnet.
Der zusätzliche Verdampfer 9a ist auch fluidisch getrennt von dem Kältemittelkreislauf 7 in einem von einem Kühlmittel KM durchströmbaren Kühlmittelkreislauf 22 angeordnet, so dass im zusätzlichen Verdampfer 9a durch Wärmeentzug von dem Kühlmittel KM das Kältemittel K verdampft wird und dadurch das Kühlmittel KM gekühlt wird. Dieser Verdampfer ist als indirekter Verdampfer ausgeführt. Als Kühlmittel kommt beispielsweise eine Mischung aus Wasser und Glysantin mit 50/50 Vol-% (bei 20°C) in Betracht.
In dem Kühlmittelkreislauf 22 ist ein - fluidisch getrennt vom Kühlmittel - von Umgebungsluft UL durchströmbarer Niedertemperaturkühler 23 angeordnet. Der Niedertemperaturkühler 23 ist derart ausgebildet, dass sowohl durch Wärmeübertragung von dem Kühlmittel KM auf die Umgebungsluft UL das Kühlmittel KM gekühlt wird, als auch die Möglichkeit besteht durch Wärmeübertragung von der Umgebungsluft UL auf das Kühlmittel KM das Kühlmittel KM erwärmt wird. Im Kühlmittelkreislauf 22 sind eine Batterie 26 und eine Leistungselektronik 27 angeordnet, die wiederum beide durch Wärmeübertragung auf das im Kühlmittelkreislauf 22 zirkulierende Kühlmittel KM gekühlt werden können.
Mit Hilfe des Klimatisierungssystems ist es zudem möglich, die an der Batterie 26, an der Leistungselektronik 27 und an einem elektrischen Antrieb 31 zum Antreiben des Kraftfahrzeugs anfallende Abwärme zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums zu nutzen. Hierzu wird das Kühlmittel, welches die Abwärme aufnimmt über den indirekten Verdampfer 9a geführt, wo die Abwärme auf das Kältemittel übertragen wird. Mit Hilfe des Kältemittelkreislaufs wird die Abwärme auf ein höheres Temperaturniveau gepumpt, wodurch am indirekten Kondensator 10 Warmwasser WW zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums bereitgestellt werden kann.
Die Warmwasserversorgung 4 ist ebenso fluidisch mit dem Niedertemperaturkühler 23 verbunden, über welchen somit in bekannter Weise überschüssige Wärme an die Umgebungsluft UL abgegeben werden kann. Über den Niedertemperaturkühler 23 und die Wärmeübertrager 3a, 3b, 3c kann besonders vorteilhaft eine Vorklimatisierung des Fahrzeuginnenraums erfolgen. Hierzu kann das Warmwasser WW mittels einer in der Warmwasserversorgung 4 vorhandene Fördereinrichtung 28 bei ausgeschaltetem Kältemittelkreislauf 7 durch die Wärmeübertrager 3a, 3b,3c geführt werden, wo im Falle eines besonders stark aufgeheizten Fahrzeuginnenraums - insbesondere bei einem Temperaturniveau von mehr als 40°C - Wärme aufgenommen und somit aus dem Fahrzeuginnenraum abgeführt wird. Am Niedertemperaturkühler 23 erfolgt die Wärmeabgabe von dem Kühlmittel KM an die Umgebungsluft UL. Somit ist eine Vorklimatisierung der des Fahrzeuginnenraums bei Innenraumtemperaturen, welche - insbesondere durch solare Last - deutlich über der Umgebungstemperatur liegen, besonders energieeffizient möglich, da nur die Fördereinrichtung 28, das HVAC Gebläse und ein am Niedertemperaturkühler 23 vorgesehenes Gebläse 29 in Betrieb genommen werden müssen. Im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen kann Luft über eine Luftansaugung zur Vorkonditionierung des Fahrzeuginnenraums verwendet werden, welche allerdings unterhalb der Windschutzscheibe, insbesondere nahe der Motorhaube des Kraftfahrzeugs, angesaugt wird, wo aufgrund solarer Last eine deutlich erhöhte Temperatur von mehr als 50°C vorliegen kann.
Zweckmäßig ist die Temperiereinrichtung 2a so im Kraftfahrzeug 20 angeordnet, dass die vom Wärmeübertrager 3a und der PTC-Heizeinrichtung temperierte Luft in einen vorderen Bereich des Kraftfahrzeugs eingeleitet wird. Die Temperiereinrichtungen 2b und 2c sind demgegenüber bevorzugt so im Kraftfahrzeug 20 angeordnet, dass die von ihnen temperierte Luft in einen hinteren Bereich - oder zumindest in einem vom vorderen Bereich verschiedenen Bereich - des Kraftfahrzeugs 20 eingeleitet wird.
Durch das in 2 dargestellte Klimatisierungssystem 1, insbesondere durch die Kaltwasserversorgung 5 und Warmwasserversorgung 4, die Ventileinrichtung 6a und durch die Wasserrückführung 11 bzw. 11a, 11b, 11c sowie durch die beschriebene Betriebsweise zur Realisierung unterschiedlicher Betriebsmodi (Heizen, Reheat, Kühlen) ist eine besonders kostengünstige (wenig Kühlmittelleitungen) Ausführung möglich.
3 zeigt ein zweites Anwendungsbeispiel des Klimatisierungssystems 1 der 1. Im Beispiel der 3 kommunizieren alle indirekten Wärmeübertrager 3b, 3c der Temperiereinrichtungen 2b, 2c mit Ausnahme einer einzigen Temperiereinrichtung 2a - diese wird im Folgenden als „spezielle Temperatureinrichtung 2x“ bezeichnet - mittels einer verstellbaren und steuerbaren Ventileinrichtung 6b,c sowohl mit der Warmwasserversorgung 4 als auch mit der Kaltwasserversorgung 5. Die spezielle Temperatureinrichtung 2a, 2x weist hingegen einen Wärmeübertrager 3a auf, der nur mit der Warmwasserversorgung 4, nicht aber mit der Kaltwasserversorgung 5 kommuniziert.
Wie 3 erkennen lässt, umfasst die spezielle Temperiereinrichtung 2x einen zusätzlichen Verdampfer 21, der zum Entfeuchten und Kühlen der durch den Wärmeübertrager 3a der speziellen Temperatureinrichtung 2x strömenden Luft L ausgebildet ist. Die Temperiereinrichtungen 2b und 2c bleiben unverändert. Je nach Betriebsweise werden die Wärmeübertrager 3b, 3c in den Temperiereinrichtungen 2b, 2c unterschiedlich betrieben.
In einem ersten Betriebszustand des Klimatisierungssystems 1 wird dieses so betrieben, dass der Fahrzeuginnenraum des Kraftfahrzeugs beheizt wird. Die Erwärmung der Luft L erfolgt in der Temperiereinrichtung 2x mit Hilfe des Wärmeübertragers 3a, welcher in dieser Ausführungsform des Klimatisierungssystems 1 nur noch an die Warmwasserversorgung 4 über die Ventileinrichtung 6a angeschlossen ist. Die Ventileinrichtung 6a ist demzufolge nun bevorzugt als Zweiwegeventil, nicht mehr als Dreiwegeventil ausgeführt. Durch den Wärmeübertrager 3a in der Temperiereinrichtung 2x wird somit nur Warmwasser WW geleitet. Demnach wird das Warmwasser WW stromab des Wärmeübertragers 3a über die Wasserrückführung 11a in den indirekten Kondensator 10 zurückgeführt. Die Luft L wird daher am Wärmeübertrager 3a durch Wärmeübertragung von dem Warmwasser WW auf die Luft L erwärmt und kann anschließend durch die luftseitige Heizeinrichtung 24a (nur in 2 gezeigt) weiter erwärmt werden. Der indirekte Verdampfer 9 wird nicht betrieben, d.h. das zugehörige Expansionsventil 18 wird geschlossen. Die Betriebsweise der Temperiereinrichtungen 3b und 3c entspricht dem ersten Anwendungsbeispiel gemäß 3 im ersten Betriebszustand.
In einem zweiten Betriebszustand des Klimatisierungssystems 1, dem sog. „Reheat“-Betrieb, wird in der Temperiereinrichtung 2x wird die Luft mit Hilfe des direkten Verdampfers 21 gekühlt, indem die Wärme aus der Luft an das Kältemittel K übertragen wird. Somit kann die fluidisch getrennt zum Kältemittel K durch den als Wärmeübertrager ausgebildeten zusätzlichen Verdampfer 21 geführte Luft L durch Wärmeübertragung von der Luft auf das Kältemittel K gekühlt und entfeuchtet werden. Mit Hilfe des Wärmeübertragers 3a, welcher wie im ersten Betriebszustand mit Warmwasser durchströmt wird, wird die Luft erwärmt. Die Wasserrückführung erfolgt ebenfalls wie im ersten Betriebszustand, also im Betriebsmodus „Heizen“.
In den Temperiereinrichtungen 2b und 2c werden die Wärmeübertrager 3b und 3c mit Kalt- und Warmwasser KW, WW versorgt. Die Kalt- und Warmwassermenge wird je nach gewünschter Entfeuchtungsleistung über die Fördereinrichtungen 28 und 30 und der Ventileinrichtung 6b,c eingestellt, wobei in der Praxis mehrheitlich Kaltwasser erforderlich ist. Das Mischwasser stromab der Wärmeübertrager 3b und 3c wird über die Wasserrückführung 11 dem indirekten Verdampfer 9 und dem indirekten Kondensator 10 zurückgeführt. Hierbei wird die Warmwassermenge, welche den Wärmeübertragern 3b und 3c mit Hilfe der Fördereinrichtung 28 und der Ventileinrichtung 6b,c zugeführt wurde über die Wasserrückführung 11, 11b, 11c dem indirekten Kondensator 10 zurückgeführt. Die Kaltwassermenge, welche den Wärmeübertragern 3b und 3c mit Hilfe der Fördereinrichtung 30 und der Ventileinrichtung 6b,c zugeführt wurde, wird über die Wasserrückführung 11, 11b, 11c dem indirekten Verdampfer 9 zurückgeführt. Die Luft L wird daher an den Wärmeübertrager 3b und 3c gekühlt und kann anschließend durch die luftseitige Heizeinrichtung 24b und 24c weiter erwärmt werden.
Im dritten Betriebszustand des Klimatisierungssystems 1 wird dieses so betrieben, dass der Fahrzeuginnenraum des Kraftfahrzeugs gekühlt wird. In der Temperiereinrichtung 2x wird hierzu die Luft L mit Hilfe des direkten Verdampfers 21 gekühlt, indem die Wärme aus der Luft an das Kältemittel K übertragen wird. Der Wärmeübertrager 3a wird nicht mit Wasser durchströmt, indem die Ventileinrichtung 6a geschlossen wird. In den Temperiereinrichtungen 2b und 2c werden die Wärmeübertrager 3b und 3c mit Kalt- und Warmwasser KW, WW versorgt. Die Kalt- und Warmwassermenge wird je nach gewünschter Kühlleistung über die Fördereinrichtungen 28 und 30 und der Ventileinrichtung 6b,c eingestellt, wobei mehrheitlich Kaltwasser erforderlich ist. Das Mischwasser stromab der Wärmeübertrager 3b und 3c wird über die Wasserrückführung 11, 11b, 11c dem indirekten Verdampfer 9 und dem indirekten Kondensator 10 zurückgeführt. Hierbei wird die Warmwassermenge, welche den Wärmeübertragern 3b und 3c mit Hilfe der Fördereinrichtung 28 und der Ventileinrichtung 6b,c zugeführt wurde über die Wasserrückführung 11c dem indirekten Kondensator 10 zurückgeführt. Die Kaltwassermenge, welche den Wärmeübertragern 3b und 3c mit Hilfe der Fördereinrichtung 30 und der Ventileinrichtung 6b,c zugeführt wurde, wird über die Wasserrückführung 11, 11b, 11 c in den indirekten Verdampfer 9 zurückgeführt. Die Luft L wird daher in den Wärmeübertrager 3b und 3c gekühlt und kann anschließend durch die luftseitige Heizeinrichtung 24b und 24c weiter erwärmt werden.
Eine zusätzlich gewünschte unterschiedliche Luftausblasstemperatur an den Temperiereinrichtungen 2b, 2c wird dadurch erzielt, dass mit Hilfe der Heizeinrichtungen 24b, 24c an der Stelle nachgeheizt wird, wo eine erhöhte Luftausblasstemperatur gewünscht ist. Die geringere Luftausblasstemperatur wird energieeffizient durch Einstellung der entsprechenden Ventilposition der Ventileinrichtung 6b,c erzielt.
In dem Kältemittelkreislauf 7 sind ein Verdichter 8 zum Verdichten des Kältemittels K, ein Kondensator 10 zum Kondensieren des Kältemittels K, drei Expansionsorgane 18 zur Expansion des Kältemittels K und drei Verdampfer 9, 9a und 21 zum Verdampfen des Kältemittels K angeordnet.
Auch bei dieser Variante ist der zusätzliche Verdampfer 9a fluidisch getrennt von dem Kältemittelkreislauf 7 in einem von einem Kühlmittel KM durchströmbaren Kühlmittelkreislauf 22 angeordnet, so dass im zusätzlichen Verdampfer 9a durch Wärmeentzug von dem Kühlmittel KM das Kältemittel K verdampft wird und dadurch das Kühlmittel KM gekühlt wird. Dieser Verdampfer ist als indirekter Verdampfer ausgeführt.
In dem Kühlmittelkreislauf 22 ist ein - fluidisch getrennt vom Kühlmittel - von Umgebungsluft UL durchströmbarer Niedertemperaturkühler 23 angeordnet. Der Niedertemperaturkühler 23 ist derart ausgebildet, dass sowohl durch Wärmeübertragung von dem Kühlmittel KM auf die Umgebungsluft UL das Kühlmittel KM gekühlt wird, als auch die Möglichkeit besteht durch Wärmeübertragung von der Umgebungsluft UL auf das Kühlmittel KM das Kühlmittel KM erwärmt wird. Im Kühlmittelkreislauf 22 sind eine Batterie 26 und eine Leistungselektronik 27 angeordnet, die wiederum beide durch Wärmeübertragung auf das im Kühlmittelkreislauf 22 zirkulierende Kühlmittel KM gekühlt werden können.
Mit Hilfe des Klimatisierungssystems ist es zudem möglich die an der Batterie und an der Leistungselektronik, als auch die an dem elektrischen Antrieb 31 des Kraftfahrzeugs anfallende Abwärme zur Beheizung der Fahrzeugkabine zu nutzen. Hierzu wird das Kühlmittel, welches die Abwärme aufnimmt über den indirekten Verdampfer 9a geführt, wo die Abwärme auf das Kältemittel übertragen wird. Mit Hilfe des Kältemittelkreislaufs wird die Abwärme auf ein höheres Temperaturniveau gepumpt, wodurch am indirekten Kondensator Warmwasser zur Beheizung der Fahrzeugkabine bereitgestellt werden kann.
Die Warmwasserversorgung 4 ist ebenso fluidisch mit dem Niedertemperaturkühler 23 verbunden, über welchen somit in bekannter Weise überschüssige Wärme an die Umgebungsluft UL abgegeben werden kann. Über den Niedertemperaturkühler 23 und die Wärmeübertrager 3a, 3b, 3c kann besonders vorteilhaft eine Vorklimatisierung des Fahrzeuginnenraums erfolgen. Hierzu kann das Warmwasser WW mittels einer in der Warmwasserversorgung 4 vorhandene Fördereinrichtung 28 bei ausgeschaltetem Kältemittelkreislauf 7 durch die Wärmeübertrager 3a, 3b,3c geführt werden, wo im Falle eines besonders stark aufgeheizten Fahrzeuginnenraums - insbesondere bei einem Temperaturniveau von mehr als 40°C - Wärme aufgenommen und somit aus dem Fahrzeuginnenraum abgeführt wird. Am Niedertemperaturkühler 23 erfolgt die Wärmeabgabe von dem Kühlmittel KM an die Umgebungsluft UL. Somit ist eine Vorklimatisierung der des Fahrzeuginnenraums bei Innenraumtemperaturen, welche - insbesondere durch solare Last - deutlich über der Umgebungstemperatur liegen, besonders energieeffizient möglich, da nur die Fördereinrichtung 28, das HVAC Gebläse und ein am Niedertemperaturkühler 23 vorgesehenes Gebläse 29 in Betrieb genommen werden müssen. Im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen kann Luft über eine Luftansaugung zur Vorkonditionierung des Fahrzeuginnenraums verwendet werden, welche allerdings unterhalb der Windschutzscheibe, insbesondere nahe der Motorhaube, angesaugt wird, wo aufgrund solarer Last eine deutlich erhöhte Temperatur von mehr als 50°C vorliegen kann.
Zweckmäßig ist die spezielle Temperiereinrichtung so im Kraftfahrzeug 20 angeordnet, dass die vom Wärmeübertrager 3a der speziellen Temperatureinrichtung 2x temperierte Luft in einen vorderen Bereich des Kraftfahrzeugs eingeleitet wird. Die Temperiereinrichtungen 2b und 2c sind demgegenüber bevorzugt so im Kraftfahrzeug 20 angeordnet, dass die von ihnen temperierte Luft in einen hinteren Bereich - oder zumindest in einem vom vorderen Bereich verschiedenen Bereich - des Kraftfahrzeugs 20 eingeleitet wird.

Claims

Klimatisierungssystem (1) für ein Kraftfahrzeug, - mit wenigstens zwei Temperiereinrichtungen (2a-2e), die jeweils einen indirekten Wärmeübertrager (3a-3e) aufweisen, der sowohl von Wasser (W) als auch - fluidisch getrennt dazu - von Luft (L) durchströmbar ist, so dass im Wärmeübertrager (3a-3e) Wärme von dem Wasser (W) auf die Luft (L) und umgekehrt übertragen werden kann, - mit einer von Warmwasser (WW) durchströmbaren Warmwasserversorgung (4), welche zum Versorgen der Wärmeübertrager (3a-3e) der wenigstens zwei Temperiereinrichtungen (2a-2e) mit dem Warmwasser (WW) fluidisch mit diesen kommuniziert, - mit einer von Kaltwasser (KW) durchströmbaren Kaltwasserversorgung (5), welche zum Versorgen der Wärmeübertrager (3a-3e) der wenigstens zwei Temperiereinrichtungen (2a-2e) mit dem Kaltwasser (KW) fluidisch mit diesen kommuniziert, - wobei wenigstens ein Wärmeübertrager (3a-3e) der wenigstens zwei Temperiereinrichtungen (2a-2e) mittels einer verstellbaren und steuerbaren Ventileinrichtung (6a-6e) mit der Warm- und Kaltwasserversorgung (4, 5) kommuniziert, so dass mittels der Ventileinrichtung (6a-6e) ein Mischungsverhältnis der in den Wärmeübertrager (3a-3e) eingeleiteten Mischung aus Warm- und Kaltwasser (WW, KW) einstellbar ist.
Klimatisierungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass alle indirekten Wärmeübertrager (3a-3e) der Temperiereinrichtungen (2a-2e) mittels einer verstellbaren und steuerbaren Ventileinrichtung (6a-6e) fluidisch mit der Warm- und Kaltwasserversorgung (4, 5) kommunizieren.
Klimatisierungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine, Temperiereinrichtung (2a, 2b, 2c) eine Heizeinrichtung (24a, 24, 24c), insbesondere eine PTC-Heizeinrichtung (25a, 25b, 25c), zum Erwärmen der durch den Wärmeübertrager (2a, 2b, 2c) der Temperiereinrichtung (2a, 2b, 2c) geführten Luft (L) aufweist.
Klimatisierungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Temperiereinrichtung (2a), vorzugsweise genau eine Temperiereinrichtung, als spezielle Temperiereinrichtung (2x) ausgebildet ist, deren Wärmeübertrager (3a) fluidisch nur mit der Warmwasserversorgung (4).
Klimatisierungssystem nach Anspruch 4, alle indirekten Wärmeübertrager (3b-3e) der Temperiereinrichtungen (2b-2e) mit Ausnahme der wenigstens einen speziellen Temperiereinrichtung (2a, 2x), deren Wärmeübertrager (3a) fluidisch nur mit der Warmwasserversorgung (4) und nicht mit der Kaltwasserversorgung (5) kommuniziert, fluidisch mittels der verstellbaren und steuerbaren Ventileinrichtung (6b-6e) mit der Warm- und Kaltwasserversorgung (4, 5) kommunizieren.
Klimatisierungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die spezielle Temperiereinrichtung (2a, 2x) einen Verdampfer (21) umfasst, der zum Entfeuchten und Kühlen der durch den Wärmeübertrager (3a) der speziellen Temperatureinrichtung (2a, 2x) strömenden Luft ausgebildet ist.
Klimatisierungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das Klimatisierungssystem (1) einen von einem Kältemittel (K) durchströmbaren Kältemittelkreislauf (7) umfasst, in welchem ein Verdichter (8) zum Verdichten des Kältemittels (K), ein Kondensator (10) zum Kondensieren des Kältemittels (K) und ein Verdampfer (9) zum Verdampfen des Kältemittels (K) angeordnet ist, - der Verdampfer (9) als indirekter Wärmeübertrager ausgebildet ist, der fluidisch getrennt von dem Kältemittelkreislauf (7) in der Kaltwasserversorgung (5) angeordnet ist, so dass im Verdampfer (9) durch Wärmeübertragung auf das Kältemittel (K) Kaltwasser (KW) für die Kaltwasserversorgung (5) erzeugt wird, - der Kondensator (10) als indirekter Wärmeübertrager ausgebildet ist, der fluidisch getrennt von dem Kältemittelkreislauf (K) in der Warmwasserversorgung (4) angeordnet ist, so dass im Kondensator (10) durch Wärmeentzug von dem Kältemittel (K) Warmwasser (WW) für die Warmwasserversorgung (4) erzeugt wird.
Klimatisierungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass - im Kältemittelkreislauf (7) ein zusätzlicher Verdampfer (9a) angeordnet ist, - der zusätzliche Verdampfer (9a) fluidisch getrennt von dem Kältemittelkreislauf in einem Kühlmittelkreislauf angeordnet ist so dass im Verdampfer (9a) durch Wärmeentzug von dem Kältemittel auf das Kühlmittel (K) das Kältemittel gekühlt wird.
Klimatisierungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Wärmeübertrager (3a-3e) eine separat steuerbare Ventileinrichtung (6a-6e) vorgesehen ist.
Klimatisierungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Ventileinrichtung (6a-6e), vorzugsweise mehrere Ventileinrichtungen (6a-6e) als Drei-Wege-Ventil, insbesondere als Proportionalventil, ausgebildet ist/sind.
Klimatisierungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserrückführung (11) wenigstens ein Wasserrückführungsventil (12a, 12b) umfasst, mittels welchem das durch die Wärmeübertrager (3a-3e) der wenigstens zwei Temperiereinrichtungen (2a-2e) geführte Wasser (W) auf den Verdampfer (9) und auf den Kondensator (10) verteilbar ist.
Kraftfahrzeug, insbesondere Kleinbus, - mit einem Fahrzeuginnenraum, - mit einem Klimatisierungssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Klimatisieren des Fahrzeuginnenraums, - mit einer Steuerungs-/Regelungseinrichtung zum Steuern der wenigstens einen Ventileinrichtung (6a-6e), vorzugsweise aller Ventileinrichtungen (6a-6e), des Klimatisierungssystems (1).
Kraftfahrzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertrager (3a-3e) der wenigstens zwei Temperiereinrichtungen (2a-2e) fluidisch über unterschiedliche Luftpfade mit an unterschiedlichen Positionen im Fahrzeuginnenraum angeordneten Luftauslässen kommunizieren.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 12 oder 13 und nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die spezielle Temperiereinrichtung so im Kraftfahrzeug angeordnet ist, dass die Wärmeübertrager der speziellen Temperatureinrichtung temperierte Luft in einen vorderen Bereich des Kraftfahrzeugs eingeleitet wird.
Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Temperieren des Fahrzeuginnenraums eines Kraftfahrzeugs, - gemäß welchem in einem ersten Betriebszustand zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums durch den speziellen Wärmeübertrager (3a) der speziellen Temperiereinrichtung (2a, 2x) ausschließlich Warmwasser (WW) aus der Warmwasserversorgung (4), nicht aber Kaltwasser (KW) aus der Kaltwasserversorgung (5) geführt wird, so dass die durch den Wärmeübertrager (3a) strömende Luft (L) mittels des Warmwassers (WW) erwärmt wird und zusätzlich mittels der elektrischen Heizeinrichtung (24a) der speziellen Temperiereinrichtung (2a, 2x) erwärmt wird; - gemäß welchem in einem zweiten Betriebszustand zum kombinierten Entfeuchten und Beheizen des Fahrzeuginnenraums durch den speziellen Wärmeübertrager (3a) der speziellen Temperiereinrichtung (2a, 2x) nur Kaltwasser aus der Kaltwasser, nicht aber Warmwasser (WW) aus der Warmwasserversorgung (4) geführt wird, so dass die durch den Wärmeübertrager (3a) strömende Luft (L) mittels des Kaltwassers (KW) gekühlt/entfeuchtet wird und anschließend mittels der elektrischen Heizeinrichtung (24a) der speziellen Temperiereinrichtung (2a, 2x) wieder erwärmt wird; - gemäß welchem in einem dritten Betriebszustand zum Kühlen des Fahrzeuginnenraums durch den speziellen Wärmeübertrager (3a) der speziellen Temperiereinrichtung (2a, 2x) mehrheitlich Kaltwasser (KW) oder ausschließlich Kaltwasser (KW) aus der Kaltwasserversorgung (5) geführt wird, so dass die durch den Wärmeübertrager strömende Luft mittels des Kaltwassers gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass - in dem ersten Betriebszustand in die Wärmeübertrager (3b-3e der verbleibenden, nicht-speziellen Temperiereinrichtungen (2b-2f) durch Verstellen/Steuern der verstellbaren und steuerbaren Ventileinrichtungen (6b-6e) mit der Warm- und Kaltwasserversorgung (4, 5) eine Mischung aus Warm- und Kaltwasser (WW, KW) eingeleitet wird; oder/und dass - in dem zweiten Betriebszustand oder/und in dem dritten Betriebszustand in die Wärmeübertrager (3b-3e) der verbleibenden, nicht-speziellen Temperiereinrichtungen (2b-2e) durch entsprechendes Verstellen/Steuern der verstellbaren und steuerbaren Ventileinrichtungen (6b-6e) mit einem Gemisch aus Warmwasser aus der Warmwasserversorgung (5) und Kaltwasser (KW) aus der Kaltwasserversorgung (4) eingeleitet wird; oder dass in dem zweiten oder/und dritten Betriebszustand ausschließlich Kaltwasser (KW) aus der Kaltwasserversorgung (4) in die Wärmeübertrager (3b-3e) der verbleibenden, nicht-speziellen Temperiereinrichtungen (2b-2e) eingeleitet wird; oder/und dass - in dem zweiten oder/und dritten Betriebszustand die durch die Wärmeübertrager (3b-3e) der nicht-speziellen Temperiereinrichtungen (2b-2e) geführte Luft (L) mittels der Heizeinrichtung(en) (24b-24e) erwärmt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zum Temperieren des Fahrzeuginnenraums eines Kraftfahrzeugs, - gemäß welchem in einem ersten Betriebszustand zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums durch den speziellen Wärmeübertrager (3a) der speziellen Temperiereinrichtung (2a, 2x) nur Warmwasser (WW) aus der Warmwasserversorgung (5), nicht aber Kaltwasser (KW) aus der Kaltwasserversorgung (4) geführt wird, so dass die durch den Wärmeübertrager (3a) strömende Luft (L) mittels des Warmwassers (WW) erwärmt wird und zusätzlich mittels der elektrischen Heizeinrichtung (24a) der speziellen Temperiereinrichtung (2a, 2x) erwärmt wird; - gemäß welchem in einem zweiten Betriebszustand zum kombinierten Entfeuchten und Beheizen der Luft (L) mithilfe eines direkten Verdampfers (21) gekühlt und mit Hilfe des Wärmeübertragers (3a) der speziellen Temperatureinrichtung (2a, 2x) wie im ersten Betriebszustand erwärmt wird; - gemäß welchem in einem dritten Betriebszustand die Luft (L) mithilfe des direkten Verdampfers gekühlt wird, wobei der Wärmeübertrager der speziellen Temperiereinrichtung deaktiviert ist.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass - in dem ersten Betriebszustand in die Wärmeübertrager (3b-3e) der verbleibenden, nicht-speziellen Temperiereinrichtungen (2b-2e) durch Verstellen/Steuern der verstellbaren und steuerbaren Ventileinrichtungen (6b-6e) mit der Warm- und Kaltwasserversorgung (4, 5) eine Mischung aus Warm- und Kaltwasser (WW, KW) eingeleitet wird; oder/und dass - in dem zweiten Betriebszustand oder/und in dem dritten Betriebszustand in die Wärmeübertrager (3b-3e) der verbleibenden, nicht-speziellen Temperiereinrichtungen (2b-2e) durch entsprechendes Verstellen/Steuern der verstellbaren und steuerbaren Ventileinrichtungen (6b-6e) mit einem Gemisch aus Warmwasser (WW) aus der Warmwasserversorgung (5) und Kaltwasser (KW) aus der Kaltwasserversorgung (4) eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Vorkonditionierung des Fahrzeuginnenraums erfolgt, indem im Zuge des Verfahrens mittels der Fördereinrichtung (28), mittels der jeweiligen Temperiereinrichtungen (2a-2e, 2x) und mittels des Gebläses (29) am Niedertemperaturkühler (23) Wärme aus dem Fahrzeuginnenraum über die Wärmeübertrager (3a-3c) aufgenommen und am Niedertemperaturkühler 23 aus dem Fahrzeuginnenraum abgeführt abgegeben wird.