DE10253357A1 - Kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe zum Einsatz in Kraftfahrzeugen zum Kühlen, Heizen und Entfeuchten des Fahrzeuginnenraumes - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe zum Einsatz in Kraftfahrzeugen zum Kühlen, Heizen und Entfeuchten des Fahrzeuginnenraumes mittels einer Belüftungsanlage (3), welche sich dadurch auszeichnet, dass der Kältemittelkreislauf der Kälteanlage/Wärmepumpe (1) über ein Innenwärmeübertragersystem mit der Belüftungsanlage (3) thermisch gekoppelt ist und dass das Innenwärmeübertragersystem zwei Funktionseinheiten A, B (41, 42) aufweist, wobei die Funktionseinheiten A, B (41, 42) im Heizbetrieb als Kondensator/Gaskühler der Wärmepumpe und im Kühlbetrieb als Verdampfer der Kälteanlage geschaltet sind und dass im kombinierten Entfeuchtungs-Reheat-Betrieb eine der Funktionseinheiten A, B (41, 42) als Verdampfer und die andere als Kondensator/Gaskühler geschaltet ist. DOLLAR A Besonders vorteilhaft ist das Betreiben der erfindungsgemäßen Kälteanlage/Wärmepumpe mit dem Kältemittel Kohlendioxid.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe zum Einsatz in Kraftfahrzeugen zum Kühlen, Heizen und Entfeuchten des Fahrzeuginnenraumes mittels einer Belüftungsanlage.
  • An die Belüftungsanlagen von Kraftfahrzeugen werden verschiedene Anforderungen gestellt. In erster Linie wird in der kalten Jahreszeit die Erwärmung der dem Fahrgastraum zuströmenden Luft im Vordergrund stehen.
  • Zunehmend werden Kraftfahrzeuge auch mit Klimaanlagen ausgerüstet, welche dann die Kühlung der dem Fahrgastraum zuströmenden Luft im Sommer übernehmen.
  • Beim Einsatz einer Kälteanlage für die Kühlung ist es möglich, gerade in den Übergangszeiten zwischen warmer und kalter Jahreszeit, die Feuchtigkeit der dem Fahrgastinnenraum zuströmenden Luft herabzusetzen. Dazu wird der Verdampfer der Kälteanlage zur Entfeuchtung der Luft genutzt, welche nachfolgend mit dem Heizer des Motorkühlkreislaufes auf die gewünschte Temperatur erwärmt wird. Auf diese Weise ist es möglich, ein Beschlagen der Scheiben wirkungsvoll zu verhindern.
  • Eine im Stand der Technik bekannte klassische Ausführung dieses kombinierten Betriebes ist in 1 zum besseren Verständnis der Erfindung einführend dargestellt.
  • Die Motorkühlung 2 besteht dabei in ihrer einfachsten Form aus einem Kühlmittelkreislauf, welcher üblicherweise mit einem Glykol-Wasser-Gemisch arbeitet, und aus einer Pumpe 12, welche das Kühlmittel über den Motor bzw. das Antriebsaggregat 13 des Kraftfahrzeuges zu einem Thermostatventil 14 befördert, wo je nach Anforderung entweder der Heizungswärmeübertrager 5 der Belüftungsanlage im Motorkühlkreislauf oder der Kühler 15 oder auch beide angeströmt werden, wonach sich der Kreislauf bei der Pumpe 12 wieder schließt.
  • Die Kälteanlage 1 besteht aus den Komponenten Kompressor bzw. Verdichter 6, welcher das Kältemittel verdichtet, dem Außenwärmeübertrager 7 und dem inneren Wärmeübertrager 8 der Hochdruckseite sowie dem Expansionsorgan 9. Nach dem Expansionsorgan 9 gelangt das entspannte Kältemittel in den Innenwärmeübertrager 4, der in der Belüftungsanlage 3 angeordnet ist und für die Entfeuchtung der zuströmenden Luft in der Übergangszeit oder für die Kühlung der Luft in der warmen Jahreszeit sorgt. Nach dem Innenwärmeübertrager/Verdampfer 4 durchströmt das Kältemittel den Akkumulator 10 zur Separierung und Speicherung von Flüssigkeit und Gas und den inneren Wärmeübertrager 11 auf der Niederdruckseite, gelangt schließlich den Kreislauf schließend zum Kompressor 6.
  • Das nachfolgende Erhitzen der entfeuchteten und gekühlten dem Fahrgastraum zuströmenden Luft wird auch als Reheat bezeichnet. Die Richtung des Luftstromes in der Belüftungsanlage 3 wird durch den Pfeil 16 dargestellt.
  • Im Stand der Technik sind gleichfalls Systeme bekannt, welche für Kraftfahrzeuge die Kombination von Kälteanlage und Wärmepumpe zeigen. Ein derartiges System wird in 2 dargestellt.
  • Wiederum wird ein Kältemittelkreislauf einer Kälteanlage/Wärmepumpe 1 mit dem Motorkühlkreislauf der Motorkühlung 2 und der Belüftungsanlage 3 des Kraftfahrzeuges kombiniert. Dabei wird der Motorkühlkreislauf 2 dahin gehend erweitert, dass als weiterer Verbraucher bzw. Abnehmer der Wärmeenergie des Motors ein Kopplungswärmeübertrager 17 zwischen dem Kältemittelkreislauf und dem Motorkühlkreislauf vorgesehen wird. Dieser Kopplungswärmeübertrager 17 nutzt die Wärme des Motorkühlkreislaufes zur Verdampfung des Kältemittels und stellt damit diese Wärme der Wärmepumpe als Verdampfungswärme zur Verfügung.
  • Für den Reheat-Betrieb im Kälteanlagenmodus wird in beiden genannten Systemen der Motorkühlkreislauf 2 verwendet. Dazu ist ein Heizungswärmeübertrager 5 vorgesehen. Im Kälteanlagenbetrieb wird also die Luft von dem als Verdampfer arbeitenden Innenwärmeübertrager 4 der Kälteanlage 1 entfeuchtet und anschließend vom Heizungswärmeübertrager 5 erwärmt.
  • Im Wärmepumpenbetrieb wird Wärme des Motorkühlkreislaufes 2 über den Kopplungswärmeübertrager 17 an den Kältemittelkreislauf 1 der Wärmepumpe übertragen, welcher die Wärme dann im als Kondensator/Gaskühler arbeitenden Innenwärmeübertrager 4 zur Beheizung der dem Fahrgastraum zuströmenden Luft abgibt. Für ein sehr effektives und dynamisches System ist es förderlich, wenn die in den Fahrzeuginnenraum strömende Luft in diesem Betriebsfall den Heizungswärmeübertrager 5 nicht durchströmt. Dies wird durch die Klappenstellung in der Luftverteilungskammer der Belüftungsanlage 3, auch Heating-, Ventilation-, Air-Conditioning-Anlage – HVAC genannt, erreicht.
  • Der Kältemittelkreislauf 1 bzw. der Motorkühlkreislauf 2 wird dabei durch den Kopplungswärmeübertrager 17 und entsprechende Umschaltventile und weiteres mehr im Vergleich zu dem vorangehenden System erweitert.
  • Den beschriebenen Systemen haftet der Nachteil an, dass die benötigten Wärmeübertrager sehr teuer sind und in den üblichen Gestaltungsvarianten auch sehr viel Platz einnehmen, was einen großen Nachteil für mobile Anwendungen darstellt.
  • Aufgabe der Erfindung ist, eine Vorrichtung derart zu modifizieren, dass die Wärmeübertragungsaufgabe in der Belüftungsanlage eines Kraftfahrzeuges Platz sparend realisiert wird.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe von einer kombinierten Kälteanlage/Wärmepumpe zum Einsatz in Kraftfahrzeugen zum Kühlen, Heizen und Entfeuchten des Fahrzeuginnenraumes mittels einer Belüftungsanlage gelöst, in welcher der Kältemittelkreislauf der Kälteanlage/Wärmepumpe über ein Innenwärmeübertragersystem mit der Belüftungsanlage thermisch gekoppelt ist. Das Innenwärmeübertragersystem weist zwei Funktionseinheiten auf, wobei die Funktionseinheiten im Heizbetrieb als Kondensator/Gaskühler der Wärmepumpe und im Kühlbetrieb als Verdampfer der Kälteanlage geschaltet sind und dass im Entfeuchtungsbetrieb mit Reheat in der Übergangszeit eine Funktionseinheit des Innenwärmeübertragersystems als Verdampfer und eine andere Funktionseinheit als Kondensator/Gaskühler geschaltet ist.
  • Vorteilhaft realisiert wird das Innenwärmeübertragersystem im Kältemittelkreislauf mit den zwei Funktionseinheiten derart ausgeführt, dass die beiden Funktionseinheiten baulich als ein Wärmeübertrager ausgeführt sind. Dabei wird ein Wärmeübertrager derart modifiziert, dass ein Teil seiner Kapazität als Verdampfer und ein anderer Teil seiner Kapazität als Kondensator/Gaskühler arbeitet, jedoch auch beide Funktionseinheiten einheitlich als Kondensator oder als Verdampfer arbeiten können.
  • Die vorgenannte Arbeitsweise, insbesondere des kombinierten Betriebes mit den zwei Funktionseinheiten, erfordert die Schaltung dieser Funktionseinheiten nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform über zwei Mehrwegeventile.
  • Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht in erster Linie darin, dass der Wärmeübertrager des Motorkühlkreislaufes eingespart werden kann und somit eine Komponente im Unterschied zu herkömmlichen Ausgestaltungsformen eingespart wird. Anstelle des eingesparten Wärmeübertragers sind nach der erfindungsgemäßen Realisierung lediglich ein bzw. zwei Ventile zusätzlich erforderlich, um die erfindungsgemäße Schaltung zu realisieren.
  • Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass die Lösung bei zukünftigen innovativen Klimaanlagenkonzepten, welche das Heizen und Kühlen durch die Kombination von Kälteanlage und Wärmepumpe realisieren, einsetzbar ist. Dadurch wird es möglich, dass im Frühling/Herbst, also der Übergangszeit, die Kombination von Kühlen/Entfeuchten im Teillastbetrieb und von Heizen im Reheat gleichzeitig mit der Kälteanlage/Wärmepumpe möglich wird. Der in der Belüftungsanlage für den Reheat-Betrieb bzw. im Winter für den Heizbetrieb erforderliche Kühlmittelluftwärmeübertrager des Motorkühlkreislaufes kann dadurch wie beschrieben entfallen.
  • Nach der Konzeption der Erfindung wird beim kombinierten Kühl- und Heizbetrieb zur Entfeuchtung in der Übergangszeit (Herbst/Frühling) für die Entfeuchtung der Verdichter der Klimaanlage in Betrieb genommen. Der thermodynamische Prozess erfordert, dass neben der Wärmeaufnahme im Verdampfer zur Entfeuchtung auch Wärme im Kondensator/Gaskühler abgegeben wird. Diese Wärme steht dem System zur Verfügung und wird für die Erwärmung der Luft im Reheat-Betrieb verwendet.
  • Im Winter bei sehr tiefen Temperaturen wird der Wärmepumpenbetrieb genutzt. Ist die Motorwärme ausreichend, wird das Kältemittel als Wärmeträger verwendet, der die Wärme vom Glykolwärmeübertrager zum Interiorwärme übertrager bzw. Innenwärmeübertrager überträgt. Der Verdichter überwindet dabei nur die Druckverluste im System und arbeitet somit als Pumpe.
  • Der Kühlbetrieb verläuft wie in einer konventionellen Kraftfahrzeugklimaanlage üblich.
  • Besonders vorteilhaft wird die Erfindung dadurch, dass bei zukünftigen Kälteanlagen/Wärmepumpen-Systemen kupplungslose Verdichter verwendet werden. Das bedeutet, dass der Verdichter immer in Betrieb sein wird.
  • Die Klimaanlage wird im Sommer bzw. im Winter zum Heizen bzw. Kühlen daher ständig verwendbar sein. Dabei wird die Anlage jeweils im Volllastmodus bei 100 % Heizen ohne Entfeuchtung bei sehr tiefen Umgebungstemperaturen im Winter oder bei 100 % Kühlen ohne Reheat bei sehr heißen Temperaturen im Sommer betrieben. Der Innenwärmeübertrager der Belüftungsanlage wird dabei ausschließlich als Verdampfer bzw. Gaskühler/Kondensator verwendet. Besonders vorteilhaft ist insbesondere eine Kälteanlage/Wärmepumpe unter Verwendung des Kältemittels Kohlendioxid.
  • In den meisten Anwendungsfällen wird die Anlage jedoch in Teillast und bei Umgebungsbedingungen betrieben, die ein Kühlen/Entfeuchten und Heizen erfordern. Teillast bedeutet, es wird nur ein Teil der maximalen Leistung des Systems bzw. der Komponenten benötigt. Da aber für das Entfeuchten und anschließende Heizen zwei Wärmeübertrager benötigt werden, wird der Innenwärmeübertrager konzeptionsgemäß in zwei Funktionseinheiten unterteilt. Für diesen Anwendungsfall wird dieser Wärmeübertrager gleichzeitig als Verdampfer und Gaskühler/Kondensator arbeiten.
  • Konzeptionsgemäß wird die Kälteanlage/Wärmepumpe derart betrieben, dass im kombinierten Entfeuchtungs-Reheat-Betrieb der Kältemittelmassenstrom zur Wärmeabgabe für den Reheat über eine der Funktionseinheiten und anschließend nach Entspannung über die andere der Funktionseinheiten zur Entfeuchtung der Luft geführt wird.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird im kombinierten Entfeuchtungs-Reheat-Betrieb der Kältemittelmassenstrom nach dem Verdichter in Teilströme aufgeteilt und ein Teilstrom für den Reheat und ein anderer Teilstrom für die Entfeuchtung in den jeweiligen Funktionseinheiten genutzt. Die Kältemittelteilströme werden dann je nach Ausgestaltung der Schaltung vor der Verdichtung zusammengeführt.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird dadurch realisiert, dass die Funktionseinheiten mit einem beidseitig durchströmbaren Expansionsorgan mit Bypass verbunden sind und dass ein weiteres beidseitig durchströmbares Expansionsventil mit Bypass im Kältemittelkreislauf vorgesehen ist. Dabei ist wesentlich, dass das Expansionsventil mit Bypass in der Bypassstellung nicht drosselt, sondern vollständig öffnet.
  • Äußerst vorteilhaft ist nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, dass als Wärmequelle für den Wärmepumpenbetrieb ein Kopplungswärmeübertrager fungiert, welcher den Kältemittelkreislauf der Kälteanlage/Wärmepumpe und den Kühlmittelkreislauf der Motorkühlung thermisch koppelt. Dabei wird Wärme vom Kühlmittelkreislauf der Motorkühlung an den Kältemittelkreislauf der Kälteanlage/Wärmepumpe übertragen.
  • Gleichermaßen vorteilhaft ist es, als Wärmequelle für den Wärmepumpenbetrieb einen Luftwärmeübertrager vorzusehen, welcher beim Wärmepumpenbetrieb Wärme aus der Luft auf den Kältemittelkreislauf der Kälteanlage/Wärmepumpe überträgt.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, mit welcher nicht der ganze Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung realisiert wird, ist, wenn im Innenwärme übertragersystem zusätzlich ein Heizungswärmeübertrager des Motorkühlkreislaufes in die Belüftungsanlage integriert wird. Auf diese Art und Weise kann ein gemischter Betrieb bzw. ein unterstützter Heizbetrieb des Gesamtsystems realisiert werden.
  • Der Vorteil dieser modifizierten erfindungsgemäßen Lösung besteht in erster Linie darin, dass der Wärmeübertrager des Motorkühlkreislaufes kleiner ausgeführt werden kann.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
  • 1: Fließbild Kälteanlage Motorkühlung und Belüftungsanlage,
  • 2: Kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe als Kältemittelkreislauf und modifizierter Motorkühlkreislauf mit Glykolwärmeübertrager und Heizungswärmeübertrager in der Belüftungsanlage,
  • 3: Kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe mit Innenwärmeübertragersystem aus zwei Funktionseinheiten im Kältemittelkreis,
  • 4: Kälteanlage/Wärmepumpe mit 6/2- und 3/2-Wegeventil,
  • 5: Übersicht über die Ventilstellungen der Mehrwegeventile A, B, C und D,
  • 6: Mehrwegeventil 18,
  • 7: Kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe mit beidseitig durchströmbaren Expansionsventilen mit Bypass,
  • 8: Übersicht über die Ventilstellungen der Mehrwegeventile A, B, C und D,
  • 9 Kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe im kombinierten Entfeuchtungs-Reheat-Betrieb,
  • 10 Kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe im kombinierten Entfeuchtungs-Reheat-Betrieb mit Einbindung des Kopplungswärmeübertragers.
  • In 3 wird eine bevorzugte Ausgestaltungsform der Erfindung anhand eines Schaltbildes gezeigt. Dieses System gewährleistet neben dem Kühlen und Heizen auch eine sehr komfortable Entfeuchtung im Reheatbetrieb der Anlage.
  • Die Hauptkomponenten der erfindungsgemäßen Gesamtanlage bestehen aus einer Kälteanlage/Wärmepumpe 1 der Motorkühlung mit dem Kühlkreislauf 2 und der Belüftungsanlage 3 eines Kraftfahrzeuges.
  • Im Kälteanlagenbetrieb wird das Kältemittel, vorzugsweise Kohlendioxid, im Kompressor auf Hochdruck verdichtet, durchströmt das Mehrwegeventil 21 und wird im Außenwärmeübertrager 7 abgekühlt. Es durchströmt hernach die Hochdruckseite des inneren Wärmeübertragers 8, wird im beidseitig durchströmbaren Expansionsorgan 91 entspannt und gelangt schließlich in die Funktionseinheit A 41 und über das Mehrwegeventil D 18 in die Funktionseinheit B 42 des innenwärmeübertragers.
  • Das Kältemittel durchströmt die Funktionseinheiten A 41 und B 42 und nimmt aus der in Pfeilrichtung 16 strömenden Luft Wärme auf.
  • Das Kältemittel gelangt über das Mehrwegeventil A 19 und das Mehrwegeventil B 20 sowie den Akkumulator 10 und die Niederdruckseite des Innenwärmeübertragers 11 zum Kompressor 6. Der Kältemittelkreislauf im Kälteanlagenbetrieb ist geschlossen.
  • Im Wärmepumpen oder Heizbetrieb des Systems wird der Kältemitteldampf im Kompressor 6 verdichtet und gelangt über die Mehrwegeventile C 21 und A 19 in die Funktionseinheit B 42 und weiter über das Mehrwegeventil D 18 in die Funktionseinheit A 41 des Innenwärmeübertragersystems. Dort wird das Kohlendioxid über- bzw. unterkritisch vom Luftstrom mit der Richtung 16 abgekühlt.
  • Das abgekühlte bzw. kondensierte Kältemittel durchströmt das beidseitig durchströmbare Expansionsventil 91 und gelangt zum Kopplungswärmeübertrager 17, welcher Wärme aus dem Motorkühlkreislauf der Motorkühlung 2 an den Kältemittelstrom überträgt. In diesem Falle arbeitet der Kopplungswärmeübertrager 17 als Verdampfer. Der Kältemitteldampf gelangt schließlich über das Mehrwegeventil B 20 und den Akkumulator 10 über die Niederdruckseite des inneren Wärmeübertragers 11 zum Kompressor 6, der Kreislauf ist geschlossen.
  • Im Frühling/Herbst, also den Übergangsjahreszeiten, wird der Reheat, das heißt, eine Entfeuchtung der in den Fahrgastinnenraum strömenden Luft mit anschließender Erwärmung der Luft, benötigt. Dies geschieht, um die erwärmte Luft derart zu konditionieren, dass sie nicht an den Scheiben kondensiert und damit zu einer Verschlechterung der Sichtverhältnisse in der Fahrzeugkabine führt.
  • Im Entfeuchtungs- bzw. Reheat-Betrieb wird das Kältemittel im Kompressor 6 verdichtet und anschließend im Mehrwegeventil C 21 in zwei Masseströme aufgeteilt.
  • Der erste Teil des Massestromes gelangt über das Mehrwegeventil A 19 in die Funktionseinheit B 42 des Innenwärmeübertragersystems und wird dort unter Wärmeabgabe abgekühlt, realisiert folglich in der Belüftungsanlage 3 den Reheat, der Kältemitteldampf gelangt schließlich über das Mehrwegeventil D 18, wo es entspannt wird, zum Mehrwegeventils A 19 und über das Mehrwegeventil B 20 zum Akkumulator 10 und die Niederdruckseite des inneren Wärmeübertragers 11 in den Kompressor 6 zur Verdichtung.
  • Der zweite Teil des Kältemittelmassenstromes gelangt über das Mehrwegeventil C 21 in den Außenwärmeübertrager 7, den inneren Wärmeübertrager/Hochdruckseite 8, das Entspannungsorgan 91 in die Funktionseinheit A 41 des Innenwärmeübertragersystems und führt folglich durch Verdampfung des Kältemittels und Abkühlung der Luft zu deren Entfeuchtung. Der entstehende Kältemitteldampf vereinigt sich im Mehrwegeventil D 18 mit dem Kältemittel aus der Funktionseinheit B 42.
  • Die Kälteleistung wird beispielsweise durch die Drehzahl des Lüfters bzw. Fan des Außenwärmeübertragers 7 geregelt, womit die Überhitzung des Kältemittels in der Funktionseinheit A 41 beeinflusst werden kann.
  • Das Mehrwegeventil C 21 wird in verschiedenen Modifizierungen ausgeführt. Im separaten Heiz- bzw. Kühlbetrieb ist es in der jeweiligen Stellung zu 100 % offen. Während des kombinierten Kühl- und Heizbetriebes kann es in beide Richtungen zum Kühlen oder Heizen zu 100 % geöffnet sein. Das System wird jeweils durch das Expansionsorgan 91 bzw. das Orifice 27 gemäß 6 geregelt.
  • Alternativ dazu wird das Mehrwegeventil C 21 getaktet und lässt in die jeweilige Richtung nur die benötigte Kältemittelmenge durch.
  • Das Mehrwegeventil D 18 gibt beim separaten Heizen oder Kühlen den vollen Durchströmquerschnitt frei, um jedwede signifikante Druckbeeinträchtigung zu verhindern. Der Weg zum Mehrwegeventil A 19 hin muss nicht geschlossen sein, nur beim Umschalten auf kombiniertes Kühlen und Heizen ist dieser Querschnitt zu untarbrechen, so dass das Niederdruckkältemittel bzw. Kohlendioxid durch einen freien Querschnitt und das Hochdruckkältemittel/Kohlendioxid durch einen engen Querschnitt gedrosselt wird. Dies wird als Festdrossel oder regelbar ausgeführt. Im Anschluss vermischen sich beide Ströme und fließen in Richtung des Mehrwegeventils A 19.
  • Dabei wird nach der Konzeption mit zwei Masseströmen im Entfeuchtungs-Reheat-Betrieb gearbeitet. Die verschiedenen Masseströme werden innerhalb des Kreislaufes, jedoch spätestens vor dem Verdichter, wieder zusammengeführt.
  • Ganz besonders vorteilhaft ist für diese erfindungsgemäße Ausgestaltung, dass ein Heizungswärmeübertrager in der Belüftungsanlage eingespart wird und damit der Platzbedarf sinkt.
  • Ein weiteres Problem kann mit diesem Kreislauf passiv verringert werden. Nach dem Betrieb der Anlage im Kälteanlagen-Modus kann sich Feuchtigkeit im Verdampfer ansammeln. Wird anschließend in den Wärmepumpen-Modus geschaltet, kann es zum Beschlagen der Scheiben kommen, dieser Effekt wird auch als „flash fogging" bezeichnet.
  • Betreibt man jedoch die erfindungsgemäße Anlage im kombinierten Betrieb und sorgt dafür, dass nur der Kälteanlagenteil betrieben wird, wird die gekühlte und getrocknete Luft beim Durchströmen der Funktionseinheit B 42 diese trocknen.
  • Ist die Funktionseinheit B 42 soweit getrocknet, dass kein flash fogging mehr auftritt, wird auch der Heizkreislauf in Betrieb genommen.
  • Hervorzuheben ist gleichfalls die Ausführung des Mehrwegeventils D 18, deren Drosselquerschnitt stetig veränderbar ausgebildet wird bzw. als Festdrossel ausgestaltet ist.
  • Die Ölzirkulation im Kältemittelkreislauf wird durch eine entsprechende Verdichterdrehzahländerung, den Kolbenhub bzw. Kreislaufumschaltungen gewährleistet.
  • Auf der Basis eines kombinierten Temperatur/Feuchtesensors entscheidet eine Steuerung oder Regelung, ob der kombinierte Kreislauf oder ein separater Heiz- oder Kühlkreislauf verwendet wird.
  • Bei Verwendung des Kältemittels CO2 wird ein besonderer Effekt dadurch erreicht, dass das beidseitig durchströmbare Expansionsventil 91 beim separaten Heizbetrieb derart ausgebildet ist, dass es annähernd auf den Durchmesser des Rohrquerschnittes geöffnet werden kann. Alternativ dazu kann an einer bestimmten Ventilstellung ein Bypass freigegeben werden. Dies wird benötigt, wenn im Heizbetrieb der Kältemittelkreislauf nur als Wärmeträgerkreislauf arbeitet, was der Fall ist, wenn der Glykolkreislauf bzw. der Kühlmittelkreislauf der Motorkühlung 2 erwärmt ist und das Kältemittel Kohlendioxid die Wärme in den Innenraum des Kraftfahrzeuges transportiert. Bei der Nutzung des Kältemittels CO2 als Wärmeträger ist es vorteilhaft und erfindungsgemäß möglich, dass der Prozess außerhalb des Zweiphasengebietes realisiert wird.
  • Ein erfindungsgemäß ausgebildetes Mehrwegeventil D 18 wird in 6 dargestellt.
  • In 4 werden die erfindungsgemäßen Prozesse durch verschiedene Pfeile schematisch dargestellt. Die Legende zur Zuordnung der Pfeile ist in 5 zu sehen.
  • 5 zeigt eine Übersicht über die Schaltstellung der Mehrwegeventile A, B C und D 19, 20, 21 und 18, wobei den entsprechenden Betriebsweisen, separates Kühlen, separates Heizen und kombiniertes Kühlen und Heizen die entsprechenden Pfeile zugeordnet sind.
  • Das Mehrwegeventil D 18 gemäß 6 wird erfindungsgemäß derart ausgestaltet, dass der Rohrquerschnitt über einen Verschlusselement 22 vollständig verschlossen oder vollständig geöffnet werden kann. Der Anschluss 23 weist zum Funktionselement 42, der Anschluss 24 zum Funktionselement 41. Der Anschluss 25 ist mit dem Mehrwegeventil A 19 verbunden. Neben dem die Anschlüsse 23 und 24 direkt verbindenden Rohrquerschnitt ist ein weiterer Kanal 26 für den kombinierten Kälteanlagen/Wärmepumpenbetrieb vorgesehen, nämlich dann, wenn das Verschlusselement 22 die direkte Verbindung zwischen 23 und 24 verschließt. Der im kombinierten Betrieb von der Funktionseinheit 42 kommende Kältemittelstrom wird im Mehrwegeventil D 18 über das Orifice bzw. die Festblende 27 gedrosselt und vereint sich danach mit dem Kältemitteldampf aus dem Funktionselement 41 und gelangt, wie beschrieben, über den Anschluss 25 zum Mehrwegeventil A 19.
  • Gleichfalls vorteilhaft ausführbar ist die Erfindung dadurch, dass das Orifice 27 als regelbares Expansionsorgan ausgeführt wird.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung lässt sich das Mehrwegeventil D 18 mit dem Mehrwegeventil A 19 baulich zu einer Einheit kombinieren. Sofern das Orifice 27 im Mehrwegeventil A 19 angeordnet wird, kann der Strang auch als regelbares Ventil ausgeführt werden, derart, dass die Spule beim Einschalten das Absperrventil stellt und dann die Stellung des Expansionsventils beeinflusst.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Kreislauf gemäß 7 dahingehend modifiziert, dass anstelle der Mehrwegeventile A 19 und D 18 kombinierte beidseitig durchströmbare Expansionsorgane mit Bypass 92, 93 eingesetzt werden.
  • Mit dieser Ausführungsform ist das separate Kühlen bzw. das separate Heizen in vollem Umfang möglich.
  • Beim kombinierten System gibt es zwei Varianten, einmal stärker Heizen oder stärker Kühlen.
  • Bei der Variante kombinierter Kühl- und Heizbetrieb mit einer höheren Kapazität für Kühlen wird eine andere Strömungsrichtung 16 des Luftstromes in der Belüftungsanlage 3 erfordert als bei den Varianten kombinierter Kühl- und Heizbetrieb bei stärkerer Heizanforderung, bei separatem Kühlen bzw. separatem Heizen.
  • Das in 7 gezeigte erfindungsgemäße Konzept gewährleistet neben dem Kühlen und Heizen auch die Entfeuchtung-Reheat der Anlage, jedoch bei einem deutlich geringerem Komfort, aber auch einem deutlich geringeren anlagentechnischen Aufwand.
  • Das Innenwärmeübertragersystem ist, wie in 3 dargestellt, getrennt in die Funktionseinheiten 41 und 42 ausgeführt. Das separate Kühlen und Heizen funktioniert ohne jede Einschränkung im Vergleich zu dem nach 3 dargestellten System. Der kombinierte Betrieb unterscheidet sich je nach Strömungsrichtung des Kältemittels in einen Kreislauf, in welchem stärker gekühlt bzw. stärker geheizt wird.
  • Das Kältemittel strömt im kombinierten Betrieb mit stärkerer Heizleistung mit Entfeuchtung durch die Funktionseinheit 42 und wird danach im beidseitig durchströmbaren Expansionsventil 92 gedrosselt. In der zweiten Funktionseinheit 41 liegt somit gedrosseltes Kältemittel zum Entfeuchten vor. Wird jedoch zu wenig zugeheizt, so ist auch die entsprechende Kälteleistung gering. Der Luftstrom in der Belüftungsanlage 3 verläuft in gleicher Weise wie in 3.
  • Im kombinierten Betrieb mit einer stärkeren Kühlleistung und Entfeuchtung wird das Kältemittel zwischen den beiden Funktionseinheiten 41, 42 des Innenwärmeübertragersystems im beidseitig durchströmbaren Expansionsventil 92 entspannt. Da das Kältemittel bereits im Außenwärmeübertrager 7 und im inneren Wärmeübertrager 8 abgekühlt wurde, steht nur noch eine geringe Heizleistung in der Funktionseinheit 41, aber eine große Kälteleistung in der Funktionseinheit 42 zur Verfügung. Deshalb wird dieser Modus auch als Modus mit erhöhter Kälteleistung bezeichnet. Die Abkühlung des Kältemittels Kohlendioxid kann durch die Drehzahl des Motorgebläses (Fan) beeinflusst werden.
  • Der Luftstrom 16 in der Belüftungsanlage 3 muss in diesem Modus umgekehrt werden, da sonst zunächst geheizt und im Anschluss gekühlt wird. Das bedeutet, dass die beiden Funktionseinheiten 41, 42 ihre Funktionen in diesem Modus getauscht haben. Die letztgenannte Schaltung wird dadurch ermöglicht, dass im beidseitig durchströmbaren Expansionsventil mit Bypass 93 die Bypassschaltung für das Kältemittel gewählt wird.
  • Vorteilhaft für diese Ausgestaltung ist, dass gleichfalls der Heizungswärmeübertrager des Motorkühlkreislaufes der Motorkühlung 2 nicht benötigt wird. Wiederum kann durch einen kombinierten Temperatur/Feuchtesensor geregelt werden, ob ein kombinierter Kreislauf Verwendung finden soll. Zu einem verringerten apparativen Aufwand führt der Umstand, dass in jeder Betriebsart nur mit einem Massestrom gefahren wird.
  • Die Ausführung der beidseitig durchströmbaren Expansionsorgane mit Bypass A und D 92, 93 erfolgt mit regelbaren Drosselquerschnitten oder als Festdrosseln.
  • Die beidseitig durchströmbaren Expansionsventile 92, 93 können den Strömungsquerschnitt im separaten Heizbetrieb oder Kälteanlagenbetrieb annähernd auf den Durchmesser des Rohrquerschnittes öffnen oder aber auch ab einer bestimmten Ventilstellung den Bypass freigeben. Dies ist wiederum dann nötig, wenn im Heizbetrieb der Kältemittelkreislauf nur als Wärmeträgerkreislauf arbeitet.
  • Wiederum wird die Ölzirkulation durch entsprechende Verdichterdrehzahländerungen, Kolbenhub bzw. Kreislaufumschaltungen gewährleistet. 8 zeigt eine Übersicht über die Stellung der beidseitig durchströmbaren Expansionsventile A, D 92, 93 und der Mehrwegeventile B 20, C 21, wobei den entsprechenden Betriebsweisen, separates Kühlen, separates Heizen und kombiniertes Kühlen und Heizen mit höherer Kälteleistung und dem kombinierten Heizen und Kühlen mit höherer Heizleistung die entsprechenden Pfeile 16 der Strömungsrichtung der Luft in der Belüftungsanlage zugeordnet sind.
  • In 9 wird eine kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe im kombinierten Entfeuchtungs-Reheat-Betrieb dargestellt. Dabei wird durch die erfindungsgemäße Anordnung der Komponenten der kombinierte Entfeuchtungs-Reheat-Betrieb mit und ohne Trennung bzw. Aufteilung des Kältemittelmassenstromes möglich.
  • Bei der Schaltung des Kältemittelkreislaufes ohne Teilströme wird das Kältemittel zunächst im Verdichter bzw. Kompressor 6 verdichtet und über das Mehrwegeventil C 21 zur Funktionseinheit B 42 geleitet, welche hier als Kondensator/Gaskühler arbeitet. Danach gelangt das Kältemittel über eine Kältemittelleitung mit Absperrorgan 28 zum beidseitig durchströmbaren Expansionsorgan 91 und wird dort entspannt und nimmt schließlich in der Funktionseinheit A 41 bei der Entfeuchtung der Luft Wärme auf. Über das Mehrwegeventil D 18, den Akkumulator 10 und den inneren Wärmeübertrager bei Niederdruck 11 gelangt das Kältemittel schließlich zurück zum Verdichter 6.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet bei kombiniertem Entfeuchtungs-Reheat-Betrieb mit geteiltem Kältemittelmassenstrom derart, dass ein Kältemittelteilstrom in gleicher Weise durch die Anlage geführt wird, wie im Betrieb bei ungeteiltem Kältemittelmassenstrom, während der andere Teilstrom nach dem Verdichter 6 über das Mehrwegeventil C 21, den Außenwärmeübertrager 7, den inneren Wärmeübertrager auf der Hochdruckseite 8 zum beidseitig durchströmbaren Expansionsorgan 91 geführt wird, wo sich die beiden Kältemittelmassenströme vereinen und gemeinsam entspannt werden.
  • Die Betriebsarten Kälteanlage und Wärmepumpe lassen sich mit der in 9 dargestellten Vorrichtung analog den vorher beschriebenen Vorrichtungen realisieren.
  • In 10 wird nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ein Kältemittelteilstrom des Wärmepumpenkreislaufes bzw. der zusammengeführte Gesamtkältemittelmassenstrom von Kälteanlagen- und Wärmepumpenkreislauf durch den Kopplungswärmeübertrager 17 geführt.
  • Die Überhitzung wird über ein getaktet geschaltetes Ventil im Motorkühlkreislauf 2 geregelt.
  • Das Mehrwegeventil D 18 weist dabei am Anschluss 25 ein zusätzliches Absperrorgan auf.
    • 1
    Kälteanlage/Wärmepumpe
    2
    Motorkühlung/Motorkühlkreislauf
    3
    Belüftungsanlage eines Kraftfahrzeuges
    4
    Innenwärmeübertrager – Verdampfer
    41
    Innenwärmeübertrager – Funktionseinheit A
    42
    Innenwärmeübertrager – Funktionseinheit B
    5
    Heizungswärmeübertrager der Belüftungsanlage im Motorkühlkreislauf
    6
    Kompressor/Verdichter
    7
    Außenwärmeübertrager – Exteriorwärmeübertrager
    8
    innerer Wärmeübertrager der Hochdruckseite IHX
    9
    Expansionsorgan
    91
    beidseitig durchströmbares Expansionsorgan ohne Bypass
    92
    beidseitig durchströmbares Expansionsorgan mit Bypass
    93
    beidseitig durchströmbares Expansionsorgan mit Bypass
    10
    Akkumulator
    11
    innerer Wärmeübertrager der Niederdruckseite IHX
    12
    Pumpe Motorkühlkreislauf
    13
    Motor/Antriebsaggregat des Kraftfahrzeuges
    14
    Thermostatventil
    15
    Kühler
    16
    Richtung des Luftstromes
    17
    Kopplungswärmeübertrager zwischen Kältemittelkreislauf und
    Motorkühlkreislauf
    18
    Mehrwegeventil D
    19
    Mehrwegeventil A
    20
    Mehrwegeventil B
    21
    Mehrwegeventil C
    22
    Verschlusselement
    23
    Anschluss
    24
    Anschluss
    25
    Anschluss
    26
    Kanal
    27
    Orifice/Festdrossel/Festblende
    28
    Absperrorgan

Claims (9)

  1. Kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe zum Einsatz in Kraftfahrzeugen zum Kühlen, Heizen und Entfeuchten des Fahrzeuginnenraumes mittels einer Belüftungsanlage (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf der Kälteanlage/Wärmepumpe (1) über ein Innenwärmeübertragersystem mit der Belüftungsanlage (3) thermisch gekoppelt ist und dass das Innenwärmeübertragersystem zwei Funktionseinheiten A, B (41, 42) aufweist, wobei die Funktionseinheiten A, B (41, 42) im Heizbetrieb als Kondensator/Gaskühler der Wärmepumpe und im Kühlbetrieb als Verdampfer der Kälteanlage geschaltet sind und dass im kombinierten Entfeuchtungs-Reheat-Betrieb eine der Funktionseinheiten A, B (41, 42) als Verdampfer und die andere als Kondensator/Gaskühler geschaltet ist.
  2. Kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenwärmeübertragersystem im Kältemittelkreislauf mit den zwei Funktionseinheiten A, B (41, 42) baulich als ein Wärmeübertrager ausgeführt ist.
  3. Kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionseinheiten A, B (41, 42) über ein 3/2-Mehrwegeventil (18) und ein 4/2-Mehrwegeventil (19) in den Kälteanlagen-/Wärmepumpenkreislauf (1) eingebunden sind.
  4. Kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionseinheiten A, B (41, 42) über ein beidseitig durchströmbares Expansionsorgan mit Bypass (92) miteinander verbunden sind und dass ein weiteres beidseitig durchströmbares Expansionsorgan mit Bypass (93) im Kältemittelkreislauf vorgesehen ist.
  5. Kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmequelle für den Wärmepumpenbetrieb ein Kopplungswärmeübertrager (17) vorgesehen ist, welcher den Kältemittelkreislauf der Kälteanlage/Wärmepumpe (1) und den Kühlmittelkreislauf der Motorkühlung (2) thermisch koppelt, wobei Wärme vom Kühlmittelkreislauf der Motorkühlung (2) an den Kältemittelkreislauf der Kälteanlage/Wärmepumpe (1) übertragen wird.
  6. Kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmequelle für den Wärmepumpenbetrieb ein Luftwärmeübertrager vorgesehen ist, welcher im Wärmepumpenbetrieb Wärme aus der Luft auf den Kältemittelkreislauf der Kälteanlage/Wärmepumpe (1) überträgt.
  7. Kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Innenwärmeübertragersystem zusätzlich ein Heizungswärmeübertrager (5) des Motorkühlkreislaufes (2) in der Belüftungsanlage (3) vorgesehen ist.
  8. Verfahren zum Betreiben einer kombinierten Kälteanlage/Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im kombinierten Entfeuchtungs-Reheat-Betrieb der Kältemittelmassenstrom zur Wärmeabgabe für den Reheat über eine der Funktionseinheiten A, B (41, 42) und anschließend nach Entspannung über die andere der Funktionseinheiten A, B (41, 42) zur Entfeuchtung der Luft geführt wird.
  9. Verfahren zum Betreiben einer kombinierten Kälteanlage/Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im kombinierten Entfeuchtungs-Reheat-Betrieb der Kältemittelmassenstrom nach dem Verdichter in Teilströme aufgeteilt wird und ein Teilstrom für den Reheat und ein anderer Teilstrom für die Entfeuchtung in den jeweiligen Funktionseinheiten A, B (41, 42) genutzt werden.
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