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Die Erfindung betrifft ein System
zum Kühlen,
insbesondere für
ein Fahrzeug, mit mindestens einem ersten Kältekreis mit mindestens einem
ersten Verdampfer, mindestens einem zweiten Kältekreis mit mindestens einem
zweiten Verdampfer und mindestens einem Kompressor, der in mindestens
einem dem mindestens einen ersten Kältekreis und dem mindestens
einen zweiten Kältekreis
gemeinsamen Zweig angeordnet ist.
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Derartige Kühlsysteme mit zwei oder mehr Kältekreisen
sind bekannt. Sie dienen beispielsweise der Kühlung verschiedener Bereiche
des Innenraums eines Nutzfahrzeugs. So kann etwa vorgesehen sein,
den ersten Kältekreis
zur Kühlung
des vorderen Bereiches im Fahrerhaus vorzusehen, während der zweite
Kältekreis
zur Kühlung
des Liegebereichs verwendet wird. Dabei ist der Kältekreis
zur Kühlung
des vorderen Bereichs im Fahrerhaus insbesondere mit einer sogenannten
Klimabox oder HVAC ("Heat
Ventilation Air Condition")
ausgestattet.
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Häufig
ist erwünscht,
dass die beiden den Kältekreisen
zugeordneten Verdampfer Aufgaben erfüllen, denen unterschiedliche
Temperaturanforderungen zugrunde liegen. So kann zum Beispiel vorgesehen
sein, dass der erste Verdampfer in einer Klimabox mit einem Luftstrom
beaufschlagt wird, während
der zweite Verdampfer zur Erzeugung von Kälte in einem Latentspeicher
vorgesehen ist. Letzterer wird somit vorzugsweise mit einer niedrigeren
Verdampfungstemperatur arbeiten als der luftstrombeaufschlagte Verdampfer
in der Klimabox. Ebenfalls können
niedrigere Verdampfungstemperaturen im Zusammenhang mit der Kühlung eines
Tiefkühllastkraftwagens
erwünscht
sein.
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Aufgrund dieser unterschiedlichen
Aufgaben ist es bislang erforderlich, die beiden zusammenhängenden
Kühlkreise
abwechselnd zu betreiben und dies durch ein aufwendiges Magnetventilsystem
zu steuern. Beispielsweise wird das Laden des Latentspeichers vorzugsweise
dann erfolgen, wenn der erste mit der Klimabox in Verbindung stehende
Kühlkreis
abgekoppelt ist.
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Nachteilig an derartigen Lösungen ist,
dass das Vorsehen von Magnetventilen und Komponenten für deren
Ansteuerung mit hohem Aufwand verbunden ist; weiterhin können Defekte
an Magnetspulen, der Ansteuerung etc. auftreten. Ferner be stehen
Sicherheitsrisiken bei stromlos geschlossenen Ventilen, da es bei
Stromausfall zu einer Sperrung beider Kreisläufe kommen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Kühlsystem
zur Verfügung
zu stellen, das die Nachteile des Standes der Technik überwindet
und insbesondere eine kostengünstige
und sicherheitstechnisch unbedenkliche Lösung zum Betrieb zweier Kühlkreise
mit unterschiedlichen Anforderungen zur Verfügung stellt.
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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen
des unabhängigen
Anspruches gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung
werden in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen System
dadurch auf, dass eine Einrichtung mit mindestens einer Venturidüse vorgesehen
ist, über die
dem mindestens einen Kompressor Kältemittel aus dem mindestens
einen ersten Kältekreis
und dem mindestens einen zweiten Kältekreis zuführbar ist,
so dass während
des gleichzeitigen Betriebs beider Kältekreise in dem mindestens
einen zweiten Kältekreis
ein geringerer Druck erzeugt werden kann als in dem mindestens einen
ersten Kältekreis.
Auf diese Weise wird der kontinuierliche Betrieb beider Kältekreise
ermöglicht,
wobei die unter schiedlichen Verdampfungstemperaturen in den beiden
Verdampfern der Kältekreise
durch Bereitstellung unterschiedlicher Drücke in den Kältekreisen
erfolgt. Diese unterschiedlichen Drücke werden unter Verwendung
des Venturi- Prinzips
erzeugt, welches besagt, dass bei einem Rohr mit einer Verengung,
wobei der Übergang
so geformt ist, dass die Querschnittsveränderung der Strömung möglichst
ohne Wirbelbildung erfolgt, im Bereich der Verengung ein niedrigerer
Druck vorliegt als vor und hinter dem Rohr. Dieser Unterdruck lässt sich
nun ausnutzen, um in einem der Kältekreise
einen niedrigeren Druck zu erzeugen als in dem anderen Kältekreis
und somit in dem Kältekreis mit
niedrigerem Druck eine niedrigere Verdampfungstemperatur zu ermöglichen.
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Die Erfindung ist in besonders vorteilhafter Weise
so ausgestaltet, dass die Einrichtung mit der mindestens einen Venturidüse zwei
Eingangsanschlüsse
und einen Ausgangsanschluss aufweist, wobei einem ersten Eingangsanschluss
Kältemittel aus
dem ersten Kältekreis
zugeführt
wird, das die mindestens eine Venturidüse im Wesentlichen axial durchströmt, einem
zweiten Eingangsanschluss Kältemittel
aus dem zweiten Kältekreis
zugeführt
wird, das seitlich in Bereiche geringen Drucks der mindestens einen
Venturidüse
einströmt,
und das Kältemittel der
beiden Kältekreise
gemeinsam über
den Ausgangsanschluss dem Kompressor zugeführt wird. Die Einrichtung lässt sich
also nach Art eines T-Stücks
in das zwei Kältekreise
umfassende Kühlsystem
einbauen, wobei insbesondere bestehende Kühlsysteme, die zur Kopplung
der Kältekreise
vor dem Kompressor ein T-Stück
umfassen, in einfacher und kostengünstiger Weise zu dem erfindungsgemäßen Kühlsystem
weitergebildet werden können,
da lediglich das T-Stück
durch die den Venturieffekt bereitstellende Einrichtung ersetzt
werden muss. Das Kältemittel
aus dem ersten Kältekreis
durchströmt die
Venturidüse
im Wesentlichen axial und erfährt den
bekannten Druckverlust im Bereich der Verengung. Wird in diesem
Bereich die Kältemittelströmung des
zweiten Kältekreises
zugeführt,
so erreicht man hierdurch eine Druckverminderung im zweiten Kältekreis
und somit eine entsprechende Absenkung der Verdampfungstemperatur.
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Ebenfalls kann in nützlicher
Weise vorgesehen sein, dass die Einrichtung mit der mindestens einen
Venturidüse
mehrere axial hintereinander angeordnete Venturidüsen aufweist,
denen das Kältemittel
aus dem zweiten Kältekreis über eine
Verteilung zuführbar
ist. Somit lässt
sich über
ein System mit hintereinandergeschalteten Venturidüsen die
Effizienz der Druckverminderungen auf der Grundlage des Venturieffektes
erhöhen.
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Dabei ist das System in vorteilhafter
Weise so ausgelegt, dass der Druck innerhalb der mindestens einen
Venturidüse
geringer ist als der Saugdruck des Kompressors. Auf diese Weise
erhält
man den zusätzlichen
Saugeffekt zur Druckverminderung im zweiten Kältekreis.
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Das erfindungsgemäße Kühlsystem ist in besonders vorteilhafter
Weise dadurch weitergebildet, dass in Strömungsrichtung hinter dem Kompressor ein
Kondensator in dem dem ersten Kältekreis
und dem zweiten Kältekreis
gemeinsamen Zweig angeordnet ist. Derselbe Kondensator wird also
in bekannter Weise für
beide Kältekreise
verwendet, wodurch die Anzahl der Komponenten im System weiter minimiert
wird.
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Das erfindungsgemäße System zum Kühlen ist
vorzugsweise so ausgelegt, dass die Verdampfungstemperatur im zweiten
Verdampfer geringer ist als im ersten Verdampfer, wobei insbesondere
der erste Verdampfer mit einer Verdampfungstemperatur größer als
0°C arbeitet
und der zweite Verdampfer mit einer Verdampfungstemperatur kleiner
als 0°C
arbeitet. Auf diese Weise können
unterschiedliche Kühlaufgaben
wahrgenommen werden, bei denen an die Verdampfungstemperaturen die
Anforderungen einerseits einer Temperatur oberhalb des Gefrierpunktes
von Wasser und andererseits unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser
gestellt werden.
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In diesem Zusammenhang ist es besonders nützlich,
dass der erste Verdampfer in einem Klimagerät, insbesondere einer Standklimaanlage
eines Fahrzeugs, angeordnet ist und mit einem zu kühlenden
Luftstrom beaufschlagt wird. Da der erste Verdampfer vorzugsweise
bei einer Verdampfungstemperatur oberhalb von 0°C arbeitet, ist bei der Beaufschlagung
des Verdampfers mit einem Luftstrom keine Vereisung zu befürchten.
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Ebenfalls ist es besonders nützlich,
dass der zweite Verdampfer in einem Latentspeicher angeordnet ist.
Die Kältespeicherung
kann somit aufgrund der niedrigen Verdampfungstemperatur im zweiten Verdampfer
mit hohem Wirkungsgrad erfolgen.
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Weiterhin kann von Vorteil sein,
dass der zweite Verdampfer zur Kühlung
eines Laderaums eines Nutzfahrzeugs vorgesehen ist. Auch hier sind niedrige
Verdampfungstemperaturen er forderlich, beispielsweise für den Transport
von Lebensmitteln.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis
zugrunde, dass ein Kühlsystem
mit zwei zusammenhängenden Kältekreisen
kontinuierlich und ohne hohen Aufwand an Magnetventilen und entsprechender
Ansteuerung betrieben werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass
in den beiden Kältekreisen
unter Ausnutzung des Venturieffekts unterschiedliche Drücke zur
Verfügung
gestellt werden. Mithin können
gleichzeitig unterschiedliche Verdampfungstemperaturen in den Verdampfern
vorliegen, so dass unterschiedliche Aufgaben durch die Verdampfer
erfüllt
werden können.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug
auf die begleitenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsformen
beispielhaft erläutert.
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Dabei zeigt:
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1 ein
schematisches Diagramm zur Erläuterung
eines erfindungsgemäßen Systems;
und
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2 eine
erste Ausführungsform
einer Einrichtung zur Bereitstellung des Venturieffekts.
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Bei der nachfolgenden detaillierten
Beschreibung der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche
oder vergleichbare Komponenten.
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1 zeigt
ein schematisches Diagramm zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Systems. Das
dargestellte System umfasst einen ersten Kältekreis 10 mit einem
ersten Verdampfer 12, der in einem Klimagerät 36 angeordnet
ist. Das Klimagerät 36 kann
beispielsweise in Form einer sogenannten Frontbox, Klimabox oder
HVAC im vorderen Bereich eines Fahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs,
angeordnet sein. Innerhalb des Klimagerätes 36 können neben
dem Verdampfer 12 weitere Wärmetauscher 38 vorgesehen
sein, beispielsweise solche, die mit einem Heizkreislauf des Fahrzeugs
in Verbindung stehen. Ebenfalls ist in dem Klimagerät 36 ein
Gebläse 40 angeordnet,
das den ersten Verdampfer 12 und gegebenenfalls die weiteren
Wärmetauscher 38 mit
einem Luftstrom beaufschlagt, der letztlich zum Kühlen und
gegebenenfalls auch zum Heizen eines Fahrzeuginnenraums verwendet
wird.
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In dem ersten Kühlkreislauf ist weiterhin ein Kompressor 18 und
ein dem Kompressor 18 nachgeschalteter Kondensator 34 vorgesehen.
Vor dem ersten Verdampfer 12 ist ein erstes Expansionsorgan 42 angeordnet.
Neben dem ersten Kältekreis 10 ist
ein zweiter Kältekreis 14 vorgesehen,
der mit dem ersten Kältekreis 10 über zwei
Verzweigungen 44, 46 in Verbindung steht. Auf
diese Weise teilen sich der erste Kältekreis 10 und der
zweite Kältekreis 14 einen
gemeinsamen Zweig 20, in dem der Kompressor 18 und der
Kondensator 34 angeordnet sind. In dem zweiten Kältekreis 14 ist
ein zweiter Verdampfer 16 angeordnet, dem der im Kreislauf
zirkulierende Kälteträger von
dem Kondensator 34 über
ein Magnetventil 48 und ein Expansionsorgan 50 zugeführt wird.
Der aus dem zweiten Verdampfer 16 ausströmende Kälteträger muss ein
Rückschlagventil 52 passieren,
bevor er wieder zur Verzweigung 44 gelangen kann. Das Magnetventil 48 und
das Rückschlagventil 42 sind
nur dann erforderlich, wenn der zweite Verdampfer 16 zur
Kälteerzeugung
in einem Latentspeicher eingesetzt wird.
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Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass an
der Verzweigung 44 eine Einrichtung 22 mit einer Venturidüse angeordnet
ist. Diese Einrichtung 22 wird nachfolgend im Zusammenhang
mit 2 näher erläutert.
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2 zeigt
eine erste Ausführungsform
einer Einrichtung zur Bereitstellung des Venturieffekts. Die Einrichtung 22 umfasst
eine Venturidüse 24 beziehungsweise
ein Venturirohr, das sich durch einen verengten Bereich 32 bezogen
auf die Strömungsrichtung
vom Eingangsanschluss 26 zum Ausgangsanschluss 30 auszeichnet.
Die dargestellte Venturidüse 24 ist
in ihrem Querschnittsverlauf symmetrisch ausgebildet, was jedoch
nicht erforderlich ist. Vielmehr können eine große Vielfalt
von Querschnittsverläufen
realisiert werden und der entsprechenden Anforderungen angepasst
werden. Die Anschlüsse 26, 30 der
Venturidüse
können
vorzugsweise kreisförmigen
Querschnitt haben aber auch in anderer Weise ausgestaltet sein.
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Strömt nun der Kälteträger in den
Eingangsanschluss 26 der Venturidüse 24 mit einem Druck
p1 ein, so erfährt er aufgrund der Strömungsmechanik der
Venturidüse 24 zum
verengten Bereich 32 hin eine Druckverminderung auf einen
Druck p2; beim Ausströmen aus der Venturidüse 24 aus
dem Aus gangsanschluss 30 liegt dann wieder ein erhöhter Druck
p3 vor, so dass insgesamt gilt:
P1 > P2 < P3
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Führt
man nun in der Einrichtung 22 der Venturidüse 24 seitlich
einen weiteren Kälteträgerstrom 28 in
dem Bereich 32 mit vermindertem Druck zu, so kann der an
dem Eingangsanschluss 28 angeschlossene Kältekreis
mit geringerem Druck betrieben werden als der am Eingangsanschluss 26 angeschlossene
Kältekreis.
Bei korrekter Auslegung der Venturidüse 24 kann der für den zweiten
Kältekreis
bereitgestellte Druck geringer sein als der Saugdruck am ausgangseitig
der Einrichtung 22 angeordneten Kompressor.
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Zur Erläuterung einiger beispielhafter
Betriebsarten des erfindungsgemäßen Kühlsystems wird
nun nochmals auf 1 Bezug
genommen. Hierzu wird von dem Beispiel ausgegangen, dass der Verdampfer 16 im
zweiten Kältekreis 14 dem
Laden eines Latentspeichers dient, wobei dies ohne Beschränkung der
Allgemeinheit der vorliegenden Erfindung zu verstehen ist, da durch
den zweiten Verdampfer 16 beliebige Kühlaufgaben wahrgenommen werden
können,
für die
eine geringe Verdampfungstemperatur von Vorteil ist. Wesentlich
für den
Betrieb des Systems ist, dass der erste Kältekreis 10 und der zweite
Kältekreis 14 gleichzeitig
betrieben werden können,
wobei dennoch unterschiedliche Drücke in den Kältekreisen 10, 14 zur
Verfügung
gestellt werden. Dies ist der Erfolg des Bereitstellens einer Einrichtung 22 mit
einer Venturidüse 24 vor
dem Kompressor 18, mit der in erfindungsgemäßer Weise
eine Druckverminderung im zweiten Kältekreis 14 er reicht wird.
Es ist also keine aufwendige Beschattung des Systems mit Magnetventilen
erforderlich, wie es bei Systemen des Standes der Technik der Fall
war. Hier konnte aufgrund der unterschiedlichen Kühlanforderungen
der Verdampfer stets nur einer der Kältekreise 10, 14 bestimmungsgemäß betrieben
werden, da sich ansonsten aufgrund des zwangsläufig stattfindenden Druckausgleiches
auch keine stark unterschiedlichen Verdampfungstemperaturen in den
Verdampfern hätten
realisieren lassen.
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Beim Entladen des Latentspeichers,
das heißt
insbesondere beim Standkühlbetrieb,
oder im Stillstand des Systems wird vorzugsweise das Magnetventil 48 vor
dem Expansionsorgan 50 vor dem Eingang des zweiten Verdampfers 16 geschlossen, um
so eine Verlagerung von Kühlmittel
zu verhindern. Das Magnetventil 48 kann ansonsten stets
geöffnet bleiben.
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Beispielsweise kann ein erfindungsgemäßes Kühlsystem
mit einem Kältemittelvolumenstrom
von 1 l/s mit einem Druck von 3 bar vor der Venturidüse 24 und
einem Druck von 1,9 bar in der Venturidüse 24 betrieben werden,
wobei der Kompressoransaugdruck 2,8 bar beträgt. Auf diese Weise kann man
beispielsweise eine Verdampfungstemperatur im ersten Verdampfer
von 0,7°C
und eine Verdampfungstemperatur im Speicherverdampfer von –11°C erreichen.
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Die Erfindung führt zu einer Kostenreduzierung
insbesondere bei einer Standklimaanlage durch die Einsparung von
Magnetventilen. Hierdurch ergeben sich erhebliche Einsparungen in
der Dimensionierung und der Auslegung der Kältemittelteitungen vor dem
ersten Verdampfer und weiterhin im Hinblick auf die Ansteuerung
der Anlage, da keine Ansteuerung des Kompressors durch die Standklimaanlagensteuerung
mehr erfolgen muss. Die Venturidüse
lässt sich
in einfacher Weise integrieren, da lediglich das bereits vorhandene
T-Stück
durch die entsprechende Einrichtung ersetzt werden muss.
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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.
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- 10
- erster
Kältekreis
- 12
- erster
Verdampfer
- 14
- zweiter
Kältekreis
- 16
- zweiter
Verdampfer
- 18
- Kompressor
- 20
- gemeinsamer
Zweig
- 22
- Einrichtung
mit Venturidüse
- 24
- Venturidüse
- 26
- Eingangsanschluss
- 28
- Eingangsanschluss
- 30
- Ausgangsanschluss
- 32
- verengter
Bereich
- 34
- Kondensator
- 36
- Klimagerät
- 38
- weitere
Wärmetauscher
- 40
- Gebläse
- 42
- Expansionsorgan
- 44
- Verzweigung
- 46
- Verzweigung
- 48
- Magnetventil
- 50
- Expansionsorgan
- 52
- Rückschlagventil