-
Die
Erfindung betrifft ein zum Standbetrieb geeignetes Klimatisierungssystem
für den
Innenraum eines Kraftfahrzeugs, mit: zumindest einem ersten Kompressor,
der zum Komprimieren eines Kältemittels
vorgesehen ist, einem Kondensator, dem komprimiertes Kältemittel
zugeführt
werden kann, einem ersten Expansionsorgan, dem aus dem Kondensator
austretendes Kältemittel
zugeführt
werden kann, einem Verdampfer, der dem ersten Expansionsorgan nachgeschaltet
ist, einem Kältespeicher, der
insbesondere dazu vorgesehen ist, im Standbetrieb des Klimatisierungssystems
entladen zu werden, wobei es dem Kältespeicher zum Laden des Kältespeichers
aus dem Kondensator austretendes Kältemittel zuführen kann
und wobei es beim Entladen des Kältespeichers
frei werdende Kälte
zur Verringerung der Kondensationstemperatur verwenden kann.
-
Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Kühlen des Innenraums eines Kraftfahrzeugs, insbesondere
im Standbetrieb, mit einem Klimatisierungssystem das umfasst: zumindest
einen ersten Kompressor, der zum Komprimieren eines Kältemittels
vorgesehen ist, einen Kondensator, dem komprimiertes Kältemittel
zugeführt
werden kann, ein erstes Expansionsorgan, dem aus dem Kondensator
austretendes Kältemittel
zugeführt
werden kann, einen Verdampfer, der dem ersten Expansionsorgan nachgeschaltet
ist, einen Kältespeicher,
der insbesondere dazu vorgesehen ist, im Standbetrieb des Klimatisierungssystems
entladen zu werden, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Laden des Kältespeichers
durch Zuführen
von aus dem Kondensator austretendem Kältemittel zu dem Kältespeicher
und Verwenden von beim Entladen des Kältespeichers frei werdender
Kälte zur
Verringerung der Kondensationstemperatur.
-
Ein
derartiges Klimatisierungssystem beziehungsweise ein derartiges
Verfahren ist aus der
DE 3704182
A1 bekannt.
-
Die
Klimatisierung beziehungsweise Kühlung
von Fahrzeuginnenräumen
im Stand gewinnt aufgrund der wachsenden Komfortansprüche der
Insassen zunehmend an Bedeutung, wobei hierbei die Nutzung der Motorkraft
des Fahrzeugs aufgrund gesetzlicher Bestimmungen nicht erlaubt beziehungsweise
aus Umweltgesichtspunkten nicht sinnvoll ist. Im Zusammenhang mit
auch zum Standbetrieb geeigneten Klimatisierungssystemen für Kraftfahrzeuginnenräume wurden
bisher verschiedene Lösungsansätze verfolgt
beziehungsweise realisiert.
-
Beispielsweise
bei mit Blei-Säure-Batterien ausgestatteten
Kraftfahrzeugen, die ein 12V-Bordnetz aufweisen, ist die Klimatisierung über einen elektrisch
angetriebenen Kompressor problematisch, weil hohe Ströme und hohe
Batteriekapazitäten
zum Betrieb des Kompressors erforderlich sind und weil die Batterieladung
während
der Fahrt in vielen Fällen nur über zusätzliche
Generatoren möglich
ist. Ein Grund hierfür
besteht darin, dass beispielsweise in einem Personenkraftwagen eine
hohe Kälteleistung von
zirka 3–4
kW erforderlich ist, um die Fahrzeugkabine auf angenehme Temperaturen
abzukühlen.
Mit einer Kälteanlagenleistungszahl
(COP) von 2–3
und einem angenommenen Verdichter- beziehungsweise Kompressormotorwirkungsgrad
von 70–80%
ergibt sich für
einen elektrisch angetriebenen Kompressor beispielsweise ein elektrischer
Leistungsbedarf von 1,3–2,8
kW. Zum Standbetrieb geeignete elektrische Klimatisierungssysteme
führen
als Folge davon zu hohen Kosten und weisen ein hohes Gewicht auf.
-
Weiterhin
sind zum Standbetrieb geeignete Klimatisierungssysteme bekannt,
die auf der Grundlage eines thermischen Kältespeichers arbeiten, insbesondere
auf der Grundlage eines Latentkältespeichers,
wobei der Speicher während
der Fahrt geladen wird und im Stand entladen werden kann. Die Kälte wird
dabei über
Energieträger
wie beispielsweise Wasser/Glykol, Luft oder Kältemittel aus dem Kältespeicher
in das Fahrzeug transportiert.
-
Ein
derartiges zum Standbetrieb geeignetes Klimatisierungssystem ist
beispielsweise aus der gattungsgemäßen
DE 199 04 617 A1 bekannt.
Diese Druckschrift betrifft eine Einrichtung zur Kühlung der einem
Fahrzeuginnenraum zuführbaren
Luft, wobei die Einrichtung ein Kälteaggregat und einen sekundären Kältekreislauf
umfasst. Das Kälteaggregat
besteht aus einem Kompressor, einem Kondensator und einem Verdampfer,
wobei letzterer zur Übertragung
der Kälte
auf den Kälteträger vorgesehen
ist. Der Kälteträger wird
bedarfsweise einem Kältespeicher
und/oder einem Kühlkörper zugeführt. Mindestens
eine Pumpe zur Erzeugung eines Kühlträgerstroms
sowie Ventilmittel zur Einstellung des jeweiligen Kälteträgerstroms
bilden eine Verteileinheit, die gemeinsam mit einer Regelelektronik
in einem Gehäuse
angeordnet ist. Bei der Einrichtung gemäß der
DE 199 04 617 A1 ist somit
ein mit einem Kältemittel gefüllter Kältemittelkreislauf
und ein von diesem getrennter mit einem Glykol/Wasser-Gemisch gefüllter Kälteträgerkreislauf
vorgesehen.
-
Die
bekannten, auf der Grundlage eines Kältespeichers arbeitenden Klimatisierungssysteme weisen
ein im Verhältnis
zur insbesondere im Standbetrieb erzielbaren Leistung unerwünscht hohes
Gewicht auf, was insbesondere auf dem PKW-Sektor problematisch ist.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäßen Klimatisierungssysteme
und die gattungsgemäßen Verfahren
derart weiterzubilden, dass die vorstehend erläuterten Probleme durch eine
Erhöhung
der Kälteanlagenleistungszahl
(COP) vermieden oder zumindest verringert werden.
-
Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
-
Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den abhängigen
Ansprüchen.
-
Das
erfindungsgemäße Klimatisierungssystem
baut auf dem gattungsgemäßen Stand
der Technik dadurch auf, dass es dem Kältespeicher zum Entladen des
Kältespeichers
komprimiertes Kältemittel zuführen kann.
Dadurch arbeitet der Kältespeicher während seiner
Entladung als Kondensator, in dem eine niedrigere Kondensationstemperatur
erzielt wird als sie im Normalbetrieb in dem standardmäßig vorgesehenen
Kondensator herrscht. Die Erfindung sieht somit vor, die erforderliche
Kälte auch
im Standbetrieb durch einen Kompressionskältekreislauf zu erzeugen, wobei
die Kälteanlagenleistungszahl (COP)
im Standbetrieb dadurch erhöht
wird, dass in dem Kältespeicher
gespeicherte Kälte
zur Verringerung der Kondensationstemperatur verwendet wird. Weil
die Kälteanlagenleistungszahl
(COP) durch das Entladen des Kältespeichers
erhöht
wird, ist im Vergleich zum Normalbetrieb eine geringere Kompressorleistung
ausreichend. Dies erlaubt beispielsweise den Einsatz eines elektrisch
angetriebenen Kompressors zur Standklimatisierung. Derartige elektrische
Kompressoren mit vergleichsweise geringer Leistung können problemlos über Blei-Säure-Batterien
beziehungsweise ein 12V-Bordnetz angetrieben werden. Zusätzlich oder
alternativ kommt auch eine Energieversorgung über andere Bordnetze, wie beispielsweise
24V- oder 42V-Bordnetze, und andere Batterien, wie beispielsweise
Lithium-Ionen-Batterien, sowie über
Brennstoffzellen und/oder zumindest teilweise über Solarsysteme in Betracht.
Durch die erfindungsgemäße Lösung ergibt
sich im Vergleich zu den bekannten Klimatisierungssystemen ein geringeres
Gewicht. Dies gilt sowohl im Vergleich zu bekannten elektrischen
Systemen, bei denen insbesondere die erforderlichen Batterien zu
einem hohen Gewicht führen,
als auch im Vergleich zu bekannten Latentspeichersystemen, bei denen
der Latentspeicher eine sehr große Kapazität aufweisen muss, was ebenfalls
zu einem hohen Gewicht führt.
Da die Vermeidung eines hohen Gewichts insbesondere im Zusammenhang
mit Personenkraftwagen als besonders wichtig eingeschätzt wird,
kann die Erfindung, ohne darauf beschränkt zu sein, insbesondere auf diesem
Sektor in vorteilhafter Weise eingesetzt werden.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Klimatisierungssystem
ist vorzugsweise weiterhin vorgesehen, dass dem Kältespeicher
zum Laden des Kältespeichers
ein zweites Expansionsorgan vorgeschaltet ist. Alternativ könnten geeignete
Ventileinrichtungen vorgesehen sein, um das dem Kondensator zugeordnete
erste Expansionsorgan bei der Entladung des Kältespeichers dem Kältespeicher
vorzuschalten. Durch das vorgeschaltete zweite Expansionsorgan kann der
Kältespeicher
beim Laden als Verdampfer betrieben werden.
-
Eine
bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems
sieht vor, dass dem Kältespeicher
beim Entladen des Kältespeichers
weniger stark komprimiertes Kältemittel zugeführt wird,
als es beim Laden des Kältespeichers dem
Kondensator zugeführt
wird. Der niedrigere Druck ergibt sich dabei durch die erfindungsgemäß beim Entladen
des Kältespeichers
verringerte Kondensationstemperatur und führt zu der erhöhten Kälteanlagenleistungszahl
(COP). Somit ist während
der Entladung des Kältespeichers
eine niedrigere Kompressorleistung ausreichend, um beispielsweise
bei der Standklimatisierung eine ausreichend hohe Kälteleistung
zu erzeugen.
-
In
diesem Zusammenhang ist bei dem erfindungsgemäßen Klimatisierungssystem vorzugsweise
weiterhin vorgesehen, dass dem Kältespeicher beim
Entladen durch einen zweiten Kompressor komprimiertes Kältemittel
zugeführt
wird.
-
Dabei
wird bevorzugt, dass der zweite Kompressor eine geringere Leistung
als der erste Kompressor aufweist. Die geringere Leistung des zweiten Kompressors
ist ausreichend, da, wie oben bereits erläutert, dem Kältespeicher
beim Entladen vorzugsweise weniger stark komprimiertes Kältemittel
zugeführt
wird, als es beim Laden des Kältespeichers
dem Kondensator zugeführt
wird.
-
Bei
besonders bevorzugten Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems
ist vorgesehen, dass der zweite Kompressor ein elektrisch angetriebener
Kompressor ist. Der elektrische zweite Kompressor wird dabei zumindest
bei einigen Ausführungsformen
vorzugsweise nur während
der Entladung des Kältespeichers
beziehungsweise im Standbetrieb aktiviert. Während des Normal- beziehungsweise
Fahrtbetriebs wird das Kältemittel
vorzugsweise durch den ersten Kompressor verdichtet, der in der
Regel vom Fahrzeugmotor angetrieben wird, beispielsweise über einen
Riemen.
-
Im
vorstehend erläuterten
Zusammenhang ist vorzugsweise weiterhin vorgesehen, dass der zweite
Kompressor zumindest im Standbetrieb von einer Batterie und/oder
von einem Generator und/oder von einer Brennstoffzelle und/oder
zumindest teil weise von einer Solaranlage elektrisch angetrieben
wird. Als Batterie kommt sowohl eine standardmäßig im Kraftfahrzeug vorgesehene
Batterie als auch zumindest eine Zusatzbatterie in Betracht. In ähnlicher
Weise kann es sich bei dem Generator um einen (gegebenenfalls verstärkten) ohnehin
vorhandenen Generator oder einen Zusatzgenerator handeln.
-
Wie
oben bereits angedeutet, ist bei bevorzugten Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems
vorgesehen, dass der erste Kompressor ein vom Fahrzeugmotor angetriebener Kompressor
ist.
-
Insbesondere
alternativ zum Einsatz des Kältespeichers
als Kondensator umfasst die Erfindung auch ein Klimatisierungssystem,
bei dem vorgesehen ist, dass es zum Entladen des Kältespeichers
einen Gasstrom, insbesondere einen Luftstrom, zunächst durch
den Kältespeicher
und/oder an dem Kältespeicher
vorbei und danach durch den Kondensator und/oder an dem Kondensator
vorbeiführen
kann. Um eine möglichst
gute Wärmeübertragung
zu erzielen, ist sowohl der Kältespeicher
als auch der Kondensator vorzugsweise lamellenartig ausgestaltet.
Der Kondensator wird bei dieser Lösung durch den kalten Gasstrom
von außen
gekühlt, so
dass die Kondensationstemperatur im Vergleich zu einem Betrieb ohne äußere Kühlung gesenkt
wird.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
baut auf dem gattungsgemäßen Stand
der Technik dadurch auf, dass dem Kältespeicher zum Entladen des
Kältespeichers
komprimiertes Kältemittel
zugeführt
wird. Dadurch ergeben sich die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Klimatisierungssystem
erläuterten
Vorteile in gleicher oder ähnlicher
Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechenden
Textpassagen verwiesen wird.
-
Gleiches
gilt sinngemäß für die folgenden bevorzugten
Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
wobei auch bezüglich
der damit verbundenen Eigenschaften und Vorteile auf die entsprechenden
Ausführungen
im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Klimatisierungssystem verwiesen
wird.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
sieht vorzugsweise weiterhin vor, dass dem Kältespeicher das aus dem Kondensator
austretende Kältemittel beim
Laden des Kältespeichers über ein
zweites Expansionsorgan zugeführt
wird.
-
Dabei
kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
weiterhin vorgesehen sein, dass dem Kältespeicher beim Entladen des
Kältespeichers
weniger stark komprimiertes Kältemittel
zugeführt
wird, als es beim Laden des Kältespeichers
dem Kondensator zugeführt
wird.
-
Auch
für das
erfindungsgemäße Verfahren wird
bevorzugt, dass dem Kältespeicher
beim Entladen durch einen zweiten Kompressor komprimiertes Kältemittel
zugeführt
wird.
-
Dabei
wird es als vorteilhaft erachtet, dass der zweite Kompressor eine
geringere Leistung als der erste Kompressor aufweist.
-
Weiterhin
kann das erfindungsgemäße Verfahren
in diesem Zusammenhang vorsehen, dass der zweite Kompressor elektrisch
angetrieben wird.
-
In
diesem Zusammenhang sieht eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
vor, dass der zweite Kompressor zumindest im Standbetrieb von einer
Batterie und/oder von einem Generator und/oder von einer Brennstoffzelle und/oder
zumindest teilweise von einer Solaranlage elektrisch angetrieben
wird.
-
Weiterhin
wird für
das erfindungsgemäße Verfahren
bevorzugt, dass der erste Kompressor vom Fahrzeugmotor angetrieben
wird.
-
Auch
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kommen
Ausführungsformen
in Betracht, bei denen vorgesehen ist, dass zum Entladen des Kältespeichers
ein Gasstrom, insbesondere ein Luftstrom, zunächst durch den Kältespeicher
und/oder an dem Kältespeicher
vorbei und danach durch den Kondensator und/oder an dem Kondensator
vorbeigeführt wird.
-
Die
Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
anhand bevorzugter Ausführungsformen
beispielhaft erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 eine zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignete erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems
in einer Betriebsweise, bei der während der Fahrt gekühlt wird;
-
2 das Klimatisierungssystems
gemäß 1 in einer Betriebsweise,
bei der der Kältespeicher
während
der Fahrt geladen wird;
-
3 das Klimatisierungssystem
gemäß 1 in einer Betriebsweise,
bei der im Standbetrieb gekühlt
wird;
-
4 eine zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignete zweite Ausführungsform
des er findungsgemäßen Klimatisierungssystems
in einer Betriebsweise, bei der während der Fahrt gekühlt und
der Kältespeicher
geladen wird;
-
5 das Klimatisierungssystem
gemäß 4 in einer Betriebsweise,
bei der im Standbetrieb gekühlt
wird;
-
6 eine zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignete dritte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems
in einer Betriebsweise, bei der während der Fahrt gekühlt wird;
-
7 das Klimatisierungssystem
gemäß 6 in einer Betriebsweise,
bei der der Kältespeicher
während
der Fahrt geladen wird;
-
8 das Klimatisierungssystem
gemäß 6 in einer Betriebsweise,
bei der im Standbetrieb gekühlt
wird;
-
9 eine zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignete vierte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems
in einer Betriebsweise, bei der während der Fahrt gekühlt und
der Kältespeicher
geladen wird;
-
10 das Klimatisierungssystem
gemäß 9 in einer Betriebsweise,
bei der während
der Fahrt nur gekühlt
wird; und
-
11 das Klimatisierungssystem
gemäß 9 in einer Betriebsweise,
bei der im Standbetrieb gekühlt
wird.
-
In
den Zeichnungen sind gleiche oder ähnliche Komponenten durchgehend
mit gleichen Bezugszeichen versehen. Aktive Kompressoren sind hell
eingezeichnet, während
nicht aktive Kompressoren dunkel eingezeichnet sind. Weiterhin sind
geöffnete
Ventile hell eingezeichnet, während
geschlossene Ventile dunkel dargestellt sind. Leitungsabschnitte,
in denen Kältemittel
zirkuliert sind dunkel dargestellt, während Leitungsabschnitte, in
denen keine Zirkulation des Kältemittels
auftritt, hell dargestellt sind.
-
In
den 1 bis 3 ist eine zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignete erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems
dargestellt. Diese Ausführungsform umfasst
in an sich bekannter Weise einen über den Fahrzeugmotor mechanisch
angetriebenen ersten Kompressor 10, einen Kondensator 12,
dem ein erstes Gebläse 28 zugeordnet
ist, einen Sammler/Trockner 34, ein erstes Expansionsorgan 14 und
einen Verdampfer 16, dem ein zweites Gebläse 30 zugeordnet
ist. Zusätzlich
zu den in bekannter Weise vorgesehenen Komponenten umfasst die erste
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems
ein erstes Ventil 38, ein zweites Ventil 40, ein
drittes Ventil 42, ein viertes Ventil 44, ein
Rückschlagventil 32,
einen zweiten Sammler/Trockner 36, einen zweiten Kompressor 22,
einen Kältespeicher 18 sowie
ein zweites Expansionsorgan 20. Alle Komponenten der ersten
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems
sind in der dargestellten Weise durch Leitungen verbunden, wobei
in unterschiedlichen Abschnitten des Systems in Ab hängigkeit
von der jeweiligen Betriebsweise Kältemittel zirkuliert. Bei dem
zweiten Kompressor 22 handelt es sich um einen elektrisch
angetriebenen Kompressor, der zumindest im Standbetrieb von einer
nur schematisch angedeuteten Batterie 24 versorgt wird, bei
der es sich gegebenenfalls um eine verstärkte Batterie handeln kann.
Obwohl dies in den 1 bis 3 nicht dargestellt ist,
kann bei der ersten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems
auch eine Betriebsweise vorgesehen sein, bei welcher der Kältespeicher
geladen und gleichzeitig gekühlt
wird.
-
1 zeigt eine Betriebsweise,
bei der die erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems
im Fahrtbetrieb, das heißt
bei laufendem Antriebsmotor des Kraftfahrzeugs, (ausschließlich) zum
Kühlen
eingesetzt wird. Das zweite Ventil 40, das dritte Ventil 42 und
das vierte Ventil 44 sind bei dieser Betriebsweise geschlossen
und der zweite Kompressor 22 ist abgeschaltet. Aufgrund
des geöffneten
ersten Ventils 38 ergibt sich bei dieser Betriebsweise
ein an sich bekannter Kompressionskältekreislauf. Bei dieser Betriebsweise
verdichtet der mechanisch angetriebene erste Kompressor 10 das gasförmige Kältemittel,
wodurch das Kältemittel
stark komprimiert wird. Das komprimierte und stark erwärmte Kältemittel
wird durch den Kondensator 12 geleitet. Dabei wird dem
stark erwärmten
Kältemittel Wärme entzogen,
was dazu führt,
dass das Kältemittel
kondensiert, also seinen Zustand von gasförmig auf flüssig ändert. Anschließend wird
das Kältemittel durch
den ersten Sammler/Trockner 34 geleitet, der unter anderem
Verunreinigungen und Lufteinschlüsse
von dem nun flüssigen
Kältemittel
abscheidet. Der erste Sammler/Trockner 34 (und gegebenenfalls auch
alle weiteren nachfolgend erwähnten
Sammler/Trockner) dient auch als Kältemittelpuffer, da bei unterschiedlichen
Randbedingungen unterschiedliche Kältemittelmengen zirkulieren.
Das aus dem ersten Sammler/Trockner 34 austretende Kältemittel strömt durch
das erste Ventil 38 zu dem ersten Expansionsorgan 14,
das vor dem Verdampfer 16 angeordnet ist, und wird dort
expandiert, so dass es stark abkühlt.
In dem Verdampfer 16 ändert
das Kältemittel seinen
Aggregatzustand von flüssig
zu gasförmig, wodurch
Verdampfungskälte
frei wird. Diese Verdampfungskälte
kann über
das zweite Gebläse 30 direkt
oder indirekt dem Fahrzeuginnenraum zugeführt werden.
-
2 zeigt das Klimatisierungssystem
gemäß 1 in einer Betriebsweise,
bei der der Kältespeicher 18 während der
Fahrt geladen wird. Diese Betriebsweise wird erzielt, indem das
erste Ventil 38 geschlossen, das zweite Ventil 40 geöffnet, das
dritte Ventil 42 geschlossen und das vierte Ventil 44 geschlossen
wird. Bei dieser Betriebsweise wird das aus dem ersten Sammler/Trockner 34 austretende Kältemittel
nicht dem ersten Expansionsorgan 14 sondern dem vor dem
Kältespeicher 18 angeordneten
zweiten Expansionsorgan 20 zugeführt, so dass der Kältespeicher 18 während des
Ladens als Verdampfer betrieben wird, wobei die beim Verdampfen frei
werdende Verdampfungskälte
zumindest teilweise in dem Kältespeicher 18 gespeichert
wird. Obwohl dies in 2 nicht
dargestellt ist, könnte
das erste Ventil 38 zumindest teilweise ebenfalls geöffnet werden,
so dass zusätzlich
zum Laden des Kältespeichers 18 auch
eine Kühlung
des Fahrzeuginnenraums möglich
wäre. Das
Rückschlagventil 32 verhindert,
dass Kältemittel
zurück
zum Kältespeicher 18 strömt und sich
dort ausbreitet, wenn das System abgeschaltet ist oder im Kühlbetrieb
arbeitet.
-
3 zeigt das Klimatisierungssystem
gemäß 1 in einer Betriebsweise,
bei der im Standbetrieb gekühlt
wird. Diese Betriebsweise wird hervorgerufen, indem das erste Ventil 38 geschlossen, das
zweite Ventil 40 geschlossen, das dritte Ventil 42 geöffnet und
das vierte Ventil 44 geöffnet
wird. Im Standbetrieb ist der erste Kompressor 10 nicht
in Betrieb, sondern die Verdichtung des Kältemittels wird durch den zweiten
Kompressor 22 vorgenommen, bei dem es sich insbesondere
um einen elektrischen Kompressor mit vergleichsweise geringer Leistung handeln
kann. Bei dieser Betriebsweise übernimmt der
Kältespeicher 18 die
Funktion des Kondensators, das heißt von dem zweiten Kompressor 22 verdichtetes
Kältemittel
wird dem in dieser Betriebsweise als Kondensator arbeitenden Kältespeicher 18 zugeführt. Durch
die in dem Kältespeicher 18 gespeicherte
Kälte ist
die Kondensationstemperatur in dem Kältespeicher 18 besonders
niedrig, was zu einem niedrigen Hochdruck führt, was die bei dieser Betriebsweise
höhere
Kälteanlagenleistungszahl
(COP) ergibt. Das aus dem Kältespeicher 18 austretende
Kältemittel
wird über
den zweiten Sammler/Trockner 36 dem ersten Expansionsorgan 14 und
dann dem Verdampfer 16 zugeführt. Der Kreislauf wird geschlossen,
indem das aus dem Verdampfer 16 austretende Kältemittel
wieder dem zweiten Kompressor 22 zugeführt wird.
-
In
den 4 und 5 ist eine zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignete zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems
dargestellt. Bei dieser zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems
sind zwei vollständig
getrennte Kältemittelkreisläufe vorgesehen.
Der erste, äußere Kältemittelkreislauf
umfasst einen über
den Fahrzeugmo tor mechanisch angetriebenen ersten Kompressor 10,
einen Kondensator 12, dem ein erstes Gebläse 28 zugeordnet
ist, einen ersten Sammler/Trockner 34, ein zweites Expansionsorgan 20 und
den Kältespeicher 18,
der hinsichtlich des äußeren Kältemittelkreislaufs
als Verdampfer betrieben wird. Der zweite, innere Kältemittelkreislauf
umfasst einen zweiten vorzugsweise elektrisch angetriebenen Kompressor 22,
einen Verdampfer 16, dem ein zweites Gebläse 30 zugeordnet
ist, ein erstes Expansionsorgan 14, einen zweiten Sammler/Trockner 36 und
den Kältespeichers 18,
der hinsichtlich des zweiten Kältemittelkreislaufs
als Kondensator betrieben wird. Alle Komponenten der zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems
sind in der dargestellten Weise durch Leitungen verbunden, wobei
in unterschiedlichen Abschnitten des Systems in Abhängigkeit
von der jeweiligen Betriebsweise Kältemittel zirkuliert. Obwohl
dies in den 4 und 5 nicht dargestellt ist,
kann bei der zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems
auch eine Betriebsweise vorgesehen sein, bei welcher der Kältespeicher
geladen wird, ohne dass gleichzeitig gekühlt wird.
-
4 zeigt die zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems
in einer Betriebsweise, bei der während des Fahrtbetriebs, das
heißt
bei laufendem Antriebsmotor, gekühlt
und gleichzeitig der Kältespeicher 18 geladen
wird. Hinsichtlich des ersten, äußeren Kältemittelkreislaufs
arbeitet der Kältespeicher 18 als
Verdampfer, wobei die frei werdende Verdampfungskälte zumindest
teilweise in dem Kältespeicher 18 gespeichert
wird. Hinsichtlich des zweiten, inneren Kältemittelkreislaufs arbeitet
der Kältespeicher 18 als
Kondensator, wobei die Kondensationstemperatur aufgrund des gleichzeitig
in dem Kältespeicher 18 durchgeführten Verdampfungsprozesses
besonders niedrig ist, was zu einer Erhöhung der Kälteanlagenleistungszahl (COP)
führt.
Bei dieser Ausführungsform
ist das System vorzugsweise derart konditioniert, dass dem Kältespeicher 18 durch
den Verdampfungsprozess im äußeren Kältemittelkreislauf
mehr Kälte
zugeführt wird,
als ihm durch den Kondensationsprozess im inneren Kältemittelkreislauf
entzogen wird.
-
5 zeigt das Klimatisierungssystem
gemäß 4 in einer Betriebsweise,
bei der im Standbetrieb gekühlt
wird. Bei dieser Betriebsweise ist der äußere Kältemittelkreislauf nicht aktiv.
Der Kältespeicher 18 arbeitet
aufgrund der in ihm gespeicherten Kälte als Kondensator bei einer
sehr niedrigen Temperatur, so dass sich eine hohe Kälteanlagenleistungszahl
(COP) ergibt. Ein besonderer Vorteil der zweiten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems
besteht darin, dass aufgrund des getrennten äußeren und inneren Kältemittelkreislaufs
keine Ventileinrichtungen erforderlich sind. Da der elektrisch angetriebene
zweite Kompressor 22 sowohl im Fahrtbetrieb als auch im
Standbetrieb aktiv ist, kann es bei dieser Ausführungsform vorteilhaft sein,
gegebenenfalls eine Zusatzbatterie 24 und/oder einen verstärkten Generator 26 vorzusehen.
-
In
den 6 bis 8 ist eine zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignete dritte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems
dargestellt. Bei dieser Ausführungsform
ist, ähnlich
wie bei der anhand der 1 bis 3 erläuterten ersten Ausführungsform,
ein an sich bekannter Kältemittelkreislauf
vorgesehen, der einen über
den Fahrzeugmotor mechanisch angetriebenen ers ten Kompressor 10,
einen Kondensator 12, dem ein erstes Gebläse 28 zugeordnet
ist, ein erstes Expansionsorgan 14 und einen Verdampfer 16 umfasst, dem
ein zweites Gebläse 30 zugeordnet
ist. Zusätzlich
zu diesen an sich bekannten Komponenten sind bei der dritten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems
ein zweites Expansionsorgan 20, ein Kältespeicher 18 und
ein zweiter, vorzugsweise elektrisch angetriebener Kompressor 22 vorgesehen.
Der zweite Kompressor 22 kann beispielsweise über eine
gegebenenfalls verstärkte
Batterie 24 angetrieben werden. Weiterhin weist diese Ausführungsform
ein erstes Ventil 38, ein zweites Ventil 40, ein
drittes Ventil 42, ein viertes Ventil 44, ein
fünftes
Ventil 46 und ein sechstes Ventil 48 auf. Alle
Komponenten der dritten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems
sind in der dargestellten Weise durch Leitungen verbunden, wobei
in unterschiedlichen Abschnitten des Systems in Abhängigkeit
von der jeweiligen Betriebsweise Kältemittel zirkuliert. Obwohl
dies in den 6 bis 8 nicht dargestellt ist,
kann bei der dritten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems
auch eine Betriebsweise vorgesehen sein, bei welcher der Kältespeicher
geladen und gleichzeitig gekühlt
wird.
-
6 zeigt die dritte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems
in einer Betriebsweise, bei der im Fahrtbetrieb gekühlt wird. Diese
Betriebsweise wird erreicht, indem das erste Ventil 38 geöffnet, das
zweite Ventil 40 geöffnet,
das dritte Ventil 42 geschlossen, das vierte Ventil 44 geschlossen,
das fünfte
Ventil 46 geschlossen und das sechste Ventil 48 geschlossen
wird. Bei dieser Betriebsweise wird der Kältespeicher 18 nicht
von Kältemittel
durchströmt,
sondern das System arbeitet als herkömmlicher Kompressionskältekreislauf,
wobei das Kältemittel
von dem ersten Kompressor 10 zu dem Kondensator 12 und über das
erste Expansionsorgan 14 zu dem Verdampfer 16 strömt.
-
7 zeigt die dritte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystem
in einer Betriebsweise, bei der der Kältespeicher 18 während des
Fahrtbetriebs, das heißt
bei laufendem Antriebsmotor, geladen wird. Diese Betriebsweise wird
erreicht, indem das erste Ventil 38 geöffnet, das zweite Ventil 40 geschlossen,
das dritte Ventil 42 geschlossen, das vierte Ventil 44 geschlossen,
das fünfte
Ventil 46 geöffnet
und das sechste Ventil 48 geöffnet wird. Bei dieser Betriebsweise
arbeitet der Kältespeicher 18 als
Verdampfer, wobei die entstehende Verdampfungskälte zumindest teilweise in
dem Kältespeicher 18 gespeichert
wird. Obwohl dies in 7 nicht
dargestellt ist, könnte
das zweite Ventil 40 gegebenenfalls ganz oder teilweise
geöffnet
werden, um parallel zum Laden des Kältespeichers 18 eine
Kühlung
des Fahrzeuginnenraums zu ermöglichen.
-
8 zeigt die dritte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems
in einer Betriebsweise, bei der während des Standbetriebs gekühlt wird.
Diese Betriebsweise wird erreicht, indem das erste Ventil 38 geschlossen,
das zweite Ventil 40 geöffnet,
das dritte Ventil 42 geöffnet,
das vierte Ventil 44 geöffnet,
das fünfte
Ventil 46 geschlossen und das sechste Ventil 48 geschlossen wird.
Bei dieser Betriebsweise arbeitet der Kältespeicher 18 als
Kondensator, wobei die Kondensationstemperatur aufgrund der in dem
Kältespeicher 18 gespeicherten
Kälte sehr
niedrig ist, so dass sich eine hohe Kälteanlagenleis tungszahl (COP)
ergibt. Wie bei allen Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems
führt die
niedrigere Kondensationstemperatur zu einem niedrigeren Druck und
somit zu der höheren
Kälteanlagenleistungszahl (COP),
so dass der elektrische zweite Kompressor 22 eine kleinere
Leistung aufweisen kann als der mechanisch angetriebene erste Kompressor 10.
-
In
den 9 bis 11 ist eine zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignete vierte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems
dargestellt. Bei dieser Ausführungsform
weist das Klimatisierungssystem einen mechanisch angetriebenen ersten
Kompressor 10, einen Kondensator 12, einen Sammler/Trockner 34, ein
erstes Expansionsorgan 14 und einen Verdampfer 16 auf,
dem ein zweites Gebläse 30 zugeordnet ist.
Weiterhin ist ein elektrisch betriebener zweiter Kompressor 22,
ein zweites Expansionsorgan 20 sowie ein Kältespeicher 18 vorgesehen.
Ein erstes Gebläse 28 ist
derart positioniert, dass es einen Luftstrom durch den beziehungsweise
an dem Kältespeicher 18 vorbei
und durch den Kondensator 12 erzeugen kann. Weiterhin ist
ein erstes Ventil 38, ein zweites Ventil 40 und
ein drittes Ventil 42 vorgesehen. Alle Komponenten der
vierten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems
sind in der dargestellten Weise durch Leitungen verbunden, wobei
in unterschiedlichen Abschnitten des Systems in Abhängigkeit
von der jeweiligen Betriebsweise Kältemittel zirkuliert. Zum Antrieb
des elektrischen zweiten Kompressors 22 ist eine Batterie 24 beziehungsweise
eine Zusatzbatterie und ein gegebenenfalls verstärkter Generator 26 vorgesehen.
Weiterhin ist dem Kältespeicher 18 eine
Klappe 50 zugeordnet, deren jeweilige Stellung bestimmt,
ob ein von dem ersten Gebläse 28 erzeugter
Luftstrom durch den Kältespeicher 18 oder
an diesem vorbeigeführt
wird. Obwohl dies in den 9 bis 11 nicht dargestellt ist,
kann bei der vierten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems
auch eine Betriebsweise vorgesehen sein, bei welcher der Kältespeicher geladen
wird, ohne dass gleichzeitig gekühlt
wird.
-
9 zeigt die vierte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems
in einer Betriebsweise, bei der während des Fahrtbetriebs, das
heißt
bei laufendem Antriebsmotor, gekühlt
und der Kältespeicher 18 geladen
wird. Diese Betriebsweise wird erzielt, indem das erste Ventil 38 geöffnet, das
zweite Ventil 40 geschlossen und das dritte Ventil 42 geöffnet wird.
Bei dieser Betriebsweise ist lediglich der erste Kompressor 10 aktiv.
Das aus dem Kondensator 12 austretende Kältemittel
wird teilweise dem ersten Expansionsorgan 14 und teilweise
dem zweiten Expansionsorgan 20 zugeführt, das heißt der Kältespeicher 18 wird
bei dieser Betriebsweise als Verdampfer betrieben, wobei die entstehende
Verdampfungskälte
zumindest teilweise in dem Kältespeicher 18 gespeichert
wird. Um eine Entladung des Kältespeichers 18 zu
vermeiden, verhindert die Klappe 50 bei dieser Betriebsweise,
dass ein von dem ersten Gebläse 28 erzeugter
Luftstrom durch den Kältespeicher 18 strömt. Stattdessen
wird der durch das erste Gebläse 28 erzeugte
Luftstrom in an sich bekannter Weise durch den Kondensator 12 geleitet, um
dort den erwünschten
Wärmeaustausch
zu ermöglich.
Gegebenenfalls kann vor dem ersten Expansionsorgan 14 ein
weiteres Ventil vorgesehen werden, beispielsweise um eine Betriebsweise
zu ermöglichen,
bei der ausschließlich
der Kältespeicher 18 geladen
wird, ohne dass dem ersten Expansionsorgan 14 Kältemittel
zugeführt
wird.
-
10 zeigt die vierte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems
in einer Betriebsweise, bei der während des Fahrtbetriebes nur
gekühlt
wird. Diese Betriebsweise wird erzielt, indem das erste Ventil 38 geschlossen,
das zweite Ventil 40 geschlossen und das dritte Ventil 42 geöffnet wird.
Bei dieser Betriebsweise bilden der erste Kompressor 10,
der Kondensator 12, der Sammler/Trockner 34, das erste
Expansionsorgan 14 und der Verdampfer 16 einen
herkömmlichen
Kompressionskältekreislauf.
-
11 zeigt die vierte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems
in einer Betriebsweise, bei der im Standbetrieb gekühlt wird. Diese
Betriebsweise wird erzielt, indem das erste Ventil 38 geschlossen,
das zweite Ventil 40 geöffnet und
das dritte Ventil 42 geschlossen wird. Nur der elektrisch
angetriebene zweite Kompressor 22 ist bei dieser Betriebsweise
aktiv. Die dem Kältespeicher 18 zugeordnete
Klappe 50 wird bei dieser Betriebsweise in eine Stellung
bewegt, die es ermöglicht,
dass ein durch das erste Gebläse 28 erzeugter
Luftstrom durch den Kältespeicher 28 strömt, wo er
abgekühlt wird,
um anschließend
dem Kondensator 12 zugeführt zu werden. Dadurch wird
der vorzugsweise lamellenartig ausgebildete Kondensator 12 von
außen mit
kalter Luft gekühlt,
so dass die Kondensationstemperatur gesenkt und die Kälteanlagenleistungszahl
(COP) erhöht
wird. Aufgrund der mit Hilfe der in dem Kältespeicher 18 gespeicherter
Kälte herabgesetzten
Kondensationstemperatur ist es ausreichend, wenn der elektrisch
angetriebene zweite Kompressor 22 eine geringere Leistung
auf weist, als der mechanisch angetriebene erste Kompressor 10.
-
Nachfolgend
wird, unabhängig
von einer speziellen Ausführungsform,
ein Beispiel für
die erzielbare Kälteanlagenleistungszahl
(COP) und die Bestimmung der erforderlichen Verdichtergröße gegeben.
wenn die durch den Kältespeicher
herabgesetzte Kondensationstemperatur TC 10
bis 15°C
beträgt,
ergibt sich am Ausgang des zweiten Kompressors ein Druck pv2 von
4,1 bis 4,9 bar. Bei einer Verdampfertemperatur T0 von beispielsweise
5°C ergibt sich
für den
zweiten Kompressor ein eingangsseitiger Druck pv1 von ungefähr 3,5 bar.
-
Ein
erster durch die Erfindung erzielbarer Effekt besteht in der Steigerung
der Kompressorwirkungsgrade, welche durch das niedrige Kompressionsverhältnis stark
ansteigen. Für
das angegebene Beispiel ist das Kompressionsverhältnis pv2/pv1 = 1,4, wobei
dieses Verhältnis
bei konventionellen Kreisläufen
ungefähr
5 bis 7 beträgt.
Die Leistungsaufnahme des zweiten Kompressors ist entsprechend sehr
gering, was auf die erhebliche Steigerung der Kälteanlagenleistungszahl (COP)
auf Werte von beispielsweise mehr als 10 zurückzuführen ist. Bei konventionellen
Kreisläufen
beträgt
die Kälteanlagenleistungszahl
(COP) in der Regel nur ungefähr
3.
-
Ein
zweiter durch die erfindungsgemäße Lösung erzielbarer
Effekt besteht in der Steigerung der Enthalpiedifferenz am Verdampfer.
-
Beispielsweise
im Vergleich zu einem herkömmlichen
elektrischen Klimatisierungssystem kann durch das erfindungsgemäße System
eine in vielen Fällen
erhebliche Gewichtsredu zierung erreicht werden. Bei den herkömmlichen
elektrischen Systemen führen
insbesondere Zusatzbatterien und ein Zusatzgeneratoren zu zusätzlichem
Gewicht. Im Vergleich hierzu kann das durch die erfindungsgemäß eingesetzten
Latentspeicher verursachte zusätzliche
Gewicht deutlich geringer gehalten werden.
-
Die
in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den
Ansprüchen
offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch
in beliebiger Kombination für
die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
-
- 10
- erster
Kompressor
- 12
- Kondensator
- 14
- erstes
Expansionsorgan
- 16
- Verdampfer
- 18
- Kältespeicher
- 20
- zweites
Expansionsorgan
- 22
- zweiter
Kompressor
- 24
- Batterie
- 26
- Generator
- 28
- erstes
Gebläse
- 30
- zweites
Gebläse
- 32
- Rückschlagventil
- 34
- erster
Sammler/Trockner
- 36
- zweiter
Sammler/Trockner
- 38
- erstes
Ventil
- 40
- zweites
Ventil
- 42
- drittes
Ventil
- 44
- viertes
Ventil
- 46
- fünftes Ventil
- 48
- sechstes
Ventil
- 50
- Klappe