DE60035097T2

DE60035097T2 - Vorrichtung zur Klimatisierung des Innenraums von Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE60035097T2
Application number: DE60035097T
Authority: DE
Inventors: Fabio Mingrino
Original assignee: Fiat Auto SpA
Current assignee: Fiat Auto SpA
Priority date: 1999-12-21
Filing date: 2000-12-18
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2020-12-19
Also published as: IT1311331B1; DE60035097D1; ITTO991120A0; EP1112873A3; EP1112873A2; ITTO991120A1; EP1112873B1; ES2286978T3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zum Kühlen und Heizen eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs.
Genauer ist der Gegenstand der Erfindung ein System, das in einem ersten Betriebszustand als Kühlsystem und in einem zweiten Betriebszustand als Heizsystem mit Wärmepumpe arbeiten kann.
Das Dokument DE 36 35 353 , das als der nächstliegende Stand der Technik angesehen wird, offenbart ein solches System, das in einem ersten Betriebszustand als Kühlsystem und in einem zweiten Betriebszustand als Heizsystem mit Wärmepumpe arbeiten kann. Im Wärmepumpenmodus ist ein weiterer Wärmetauscher am Motorkühlflussigkeitskreislauf des Kraftfahrzeugs angeschlossen, um als Verdampfer zu wirken.
Das Dokument US 4 616 484 offenbart ein weiteres Beispiel eines solchen Systems, das in einem ersten Betriebszustand als Kühlsystem und in einem zweiten Betriebszustand als Heizsystem mit Wärmepumpe arbeiten kann. Im Wärmepumpenmodus ist ein weiterer Wärmetauscher (Kühler) am Motorkühlflüssigkeitskreislauf des Kraftfahrzeugs angeschlossen, um als Verdampfer zu wirken. Die Heizleistung wird durch eine Vorrichtung geregelt, die fähig ist, den Kühlmittelstrom zum Einlass des Wärmetauschers als Funktion der Kühlmitteltemperatur zu verändern.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der weiteren Verbesserung des Systems, insbesondere wenn es als Kühlsystem in einem ersten Betriebszustand betrieben wird. Das erfindungsgemäße System umfasst Folgendes:
einen geschlossenen Kreislauf, in dem ein Treibmittel einem thermodynamischen Kreisprozess unterzogen wird und der einen Kompressor mit einer mit einem Kondensator verbundenen Zufuhröffnung umfasst, gefolgt von Fluidexpansionsmitteln und dann von einem Wärmetauscher, der als Verdampfer und Kondensator wirken kann und dessen Ausgang mit dem Saugeinlass des Kompressors verbunden ist,
ein Umgehungsrohr, bei dem das eine Ende zwischen dem Kompressor und dem Kondensator angeschlossen ist und das andere Ende zwischen den Expansionsmitteln und dem Eingang des Wärmetauschers angeschlossen ist,
elektrisch betriebene Schaltventilmittel, die einen ersten und einen zweiten Betriebszustand annehmen können, in denen das Umgehungsrohr vom Kreislauf ausgeschlossen bzw. mit diesem verbunden ist, so dass das System im ersten Zustand als Kühlsystem arbeitet und der Wärmetauscher als Verdampfer wirkt und das System im zweiten Zustand als Heizsystem mit Wärmepumpe arbeitet und der Austauscher als Kondensator wirkt,
einen weiteren Wärmetauscher vom Gas/Flüssigkeitstyp, der zwischen dem Wärmetauscher und dem Saugeinlass des Kompressors eingeschaltet ist und im ersten bzw. im zweiten Betriebszustand der Schaltventilmittel als Akkumulator für das Treibmittel im flüssigen Zustand und als Verdampfer wirken kann,
wobei der weitere Wärmetauscher mittels eines Magnetventils mit variabler Strömung am Motorkühlflüssigkeitskreislauf des Kraftfahrzeugs angeschlossen ist,
Steuermittel, die zum Magnetventil gehören und die Strömung im Magnetventil ändern können, wenn sich die Schaltventilmittel im ersten Betriebszustand befinden, um eine kontrollierte Überhitzung des Treibmittels zu bewirken, das in den Kompressor tritt, und zwar abhängig von seiner ermittelten Temperatur.
Weitere charakteristische Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung klar hervor, welche rein anhand eines nicht einschränkend gedachten Beispiels dargelegt ist, und zwar unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, welche die Struktur eines erfindungsgemäßen Systems in Form eines Blockschaltbilds zeigt.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung umfasst das im Allgemeinen mit 10 bezeichnete erfindungsgemäße System einen geschlossenen Kreislauf 12, mittels welchem ein Treibmittel einem thermodynamischen Kreisprozess unterzogen wird.
Im Kreislauf 12 sind ein Kompressor 14, ein erster Wärmetauscher 16, eine erste Expansionsvorrichtung 18 und ein zweiter Wärmetauscher 20 angeordnet.
Der Kompressor 14 ist beispielsweise ein Kompressor mit Verstellkolben und hat eine Zufuhröffnung 14a und einen Saugeinlass 14b.
Der Wärmetauscher 16 ist ein Kondensator und im Motorraum des Kraftfahrzeugs angeordnet, während der zweite Wärmetauscher 20 als Verdampfer und als Kondensator wirken kann und in einem (nicht dargestellten) Belüftungsrohr, das mit dem Fahrgastraum des Fahrzeugs in Verbindung steht, angeordnet ist.
Zwischen der Expansionsvorrichtung und dem Wärmetauscher 20 ist vorzugsweise ein Magnetschaltventil 19 angeordnet.
Die Expansionsvorrichtung 18 ist beispielsweise ein Rohr mit einer kalibrierten Öffnung.
Ein Kerzenfilter 17, z.B. in der Ausführung mit Kieselgel oder Zeolithen, kann zwischen dem Ausgang des Kondensators 16 und der Expansionsvorrichtung 18 vorteilhafterweise eingeschoben sein. Dieser Filter kann gegebenenfalls im Kondensator 16 eingebaut sein.
Eine im Allgemeinen mit 22 bezeichnete Ventilanordnung und ein weiterer Wärmetauscher 24 sind zwischen dem Ausgang des Wärmetauschers 20 und dem Saugeinlass 14b des Kompressors 14 eingefügt.
Die Ventilanordnung 22 umfasst ein Umleitungsmagnetventil 26, dessen Eingang am Ausgang des Wärmetauschers 20 angeschlossen ist, wobei ein erster Ausgang direkt mit dem Eingang des Wärmetauschers 24 verbunden ist und ein zweiter Ausgang über eine zweite Fluidexpansionsvorrichtung 28, wie z.B. ein Expansionsventil oder ein Rohr mit einer kalibrierten Öffnung, mit dem Eingang des Wärmetauschers 24 verbunden ist.
Der Wärmetauscher 24 gehört dem Gas/Flüssigkeitstyp an und kann als Akkumulator für das Treibmittel im flüssigen Zustand oder als Verdampfer wirken.
Der Wärmetauscher 24 ist mittels eines Magnetventils 32 mit variabler Strömung am (nicht dargestellten) Motorkühlflüssigkeitskreislauf 30 des Kraftfahrzeugs angeschlossen. Dieses Magnetventil ist beispielsweise ein Proportional-Magnetventil.
Ein mit 34 bezeichnetes zweites Umleitungsmagnetventil ist zwischen dem Ausgang 14a des Kompressors 14 und dem Eingang des Kondensators 16 angeordnet. Dieses Magnetventil hat einen ersten Ausgang, der mit dem Eingang des Kondensators 16 verbunden ist, und einen zweiten Ausgang, der mit einem Ende eines Umgehungsrohrs 36 verbunden ist. Das andere Ende dieses Umgehungsrohrs ist zwischen dem Magnetventil 19 und dem Eingang des Wärmetauschers 20 angeschlossen.
Ein Temperaturfühler 38 ist zwischen dem Ausgang des Wärmetauschers 24 und dem Saugeinlass 14b des Kompressors 14 im Kreislauf 12 angeordnet, um eine elektronische Steuereinheit 40 mit elektrischen Signalen zu versorgen, welche die Temperatur des gasförmigen Treibmittels am Einlass des Kompressors anzeigen.
Die Steuereinheit 40 ist auch dazu eingerichtet, die Magnetventile 19, 26, 32 und 34 gemäß den Methoden zu steuern, die nachstehend beschrieben werden.
Die Steuereinheit 40 ist dazu eingerichtet, die Umleitungsventile 26, 34 und das Magnetventil 19 dazu zu bringen, einen ersten Betriebszustand und einen zweiten Betriebszustand anzunehmen.
Im ersten dieser Zustande ist das Magnetventil 19 offen und das Treibmittel zirkuliert ausschließlich im Hauptkreislauf 12, d.h., ausgehend vom Kompressor 14 durch den Kondensator 16, die erste Expansionsvorrichtung 18, den Wärmetauscher 20, der in diesem Fall als Verdampfer wirkt, und das Ventil 26 und strömt von diesem Ventil direkt zu dem weiteren Wärmetauscher 24 und dann wieder zum Kompressor 14, ohne durch die zweite Expansionsvorrichtung 28 zu strömen. In diesem Zustand wirkt der Wärmetauscher 24 als Akkumulator für Treibmittel im flüssigen Zustand, und das Magnetventil 32 wird von der Steuereinheit 40 angetrieben, um eine kontrollierte Überhitzung des Treibmittels zu bewirken, das im gasförmigen Zustand in den Kompressor 14 tritt, und zwar abhängig von seiner vom Sensor 38 ermittelten Temperatur.
Im ersten Betriebszustand des obenstehend beschriebenen Systems strömt das Treibmittel somit im Wesentlichen entlang der in der Zeichnung gezeigten gestrichelten Linie. In diesem Zustand arbeitet das System als Kühlsystem, um die Luft im Fahrgastraum zu kühlen. Das Treibmittel, das sich im gasförmigen Zustand befindet, wird vom Kompressor 14 einem Anstieg des Drucks und der Temperatur unterworfen und erreicht dann den Kondensator 16, in dem es Wärme an die Außenatmosphäre abgibt, wobei es sich abkühlt und in den flüssigen Zustand wechselt. Beim Durchströmen der Expansionsvorrichtung 18 dehnt sich das Treibmittel dann rasch aus und kühlt ab. Beim Durchströmen des Wärmetauschers 20 kehrt das Treibmittel in den gasförmigen Zustand zurück und nimmt dabei Wärme aus dem Luftstrom auf, der in den Fahrgastraum des Kraftfahrzeugs geschickt wird. Am Ausgang des Verdampfers wird jegliches Treibmittel, das sich im flüssigen Zustand befindet, im Austauscher 24, der als Akkumulator wirkt, abgesetzt, während das Treibmittel, das sich im gasförmigen Zustand befindet und angemessen überhitzt ist, danach zum Kompressor 14 zurückkehrt.
Die Steuereinheit 40 ist dazu eingerichtet, die Umleitungsmagnetventile 26, 34 und das Magnetventil 19 dazu zu bringen, einen zweiten Betriebszustand anzunehmen, in dem das Magnetventil 19 geschlossen ist und das Treibmittel dem in der Zeichnung durch die strichpunktierte Linie angedeuteten Pfad folgt. In dieser Betriebsart fungiert das System 10 als Heizeinrichtung. Das Treibmittel, das sich im gasförmigen Zustand befandet, wird vom Kompressor 14 in der Tat einem Anstieg des Drucks und der Temperatur unterworfen und durch das Umleitungsventil 34 und das Umgehungsrohr 36 zum Wärmetauscher 20 gesendet, der im Belüftungsrohr, das mit dem Fahrgastraum des Fahrzeugs in Verbindung steht, angeordnet ist. In diesem Zustand wirkt der Wärmetauscher 20 als Kondensator und gibt an den zum Fahrgastraum geleiteten Luftstrom Wärme ab. Das Treibmittel wird dann durch das Umleitungsventil 26 in die zweite Expansionsvorrichtung 28 geleitet und kehrt in den gasförmigen Zustand zurück, wobei es dem Wärmetauscher 24, der mm als Verdampfer wirkt, Wärme entzieht. In diesem Zustand wird das Magnetventil 32 in einer solchen Art und Weise gesteuert, um eine vorbestimmte hohe Durchflussmenge an (heißer) Kühlflüssigkeit zum Wärmetauscher 24 zu gewährleisten. Das Magnetventil 32 kann in diesen Zuständen zum Beispiel vollständig offen gehalten werden.
Das erfindungsgemäße System ermöglicht das Erzielen der beiden obenstehend beschriebenen Betriebsarten mit einem hohen Maß an Effizienz und unter Verwendung einer geringen Zahl von Komponenten.
Natürlich können die Ausführungsformen und Konstruktionsdetails in Bezug auf jene, die rein anhand eines nicht einschränkend gedachten Beispiels beschrieben und veranschaulicht wurden, weitgehend abgewandelt werden, ohne dadurch vom in den angeschlossenen Ansprüchen definierten Umfang der Erfindung abzuweichen, wobei das Prinzip der Erfindung dasselbe bleibt.
Bei einer nicht dargestellten Variante kann die in der Zeichnung gezeigte Ventilanordnung 20 einfach durch ein Drosselmagnetventil ersetzt werden, das gezielt einen Zustand annehmen kann, in dem es gegenüber der Treibmittelströmung zwischen den Wärmetauschern 20 und 24 vollständig offen ist, sowie einen Zustand, in dem es den Strömungsquerschnitt für das Fluid drosselt und diesen dabei auf einen eingeschränkten Querschnitt reduziert, der zum Bewirken einer Expansion des Fluids geeignet ist.

Claims

System (10) zum Kühlen und Heizen des Fahrgastraums eines Fahrzeugs, umfassend: einen geschlossenen Kreislauf (12), in dem ein Treibmittel einem thermodynamischen Kreisprozess unterzogen wird und der einen Kompressor (14) mit einer mit einem Kondensator (16) verbundenen Zufuhröffnung (14a) umfasst, gefolgt von Fluidexpansionsmitteln (18) und dann von einem Wärmetauscher (20), der als Verdampfer und Kondensator wirken kann und dessen Ausgang mit dem Saugeinlass (14b) des Kompressors (14) verbunden ist, ein Umgehungsrohr (36), bei dem das eine Ende zwischen dem Kompressor (14) und dem Kondensator (16) angeschlossen ist und das andere Ende zwischen den Expansionsmitteln (18) und dem Eingang des Wärmetauschers (20) angeschlossen ist, elektrisch betriebene Schaltventilmittel (26, 34, 19), die einen ersten und einen zweiten Betriebszustand annehmen können, in denen das Umgehungsrohr (36) vom Kreislauf (12) ausgeschlossen bzw. mit diesem verbunden ist, so dass das System (10) im ersten Zustand als Kühlsystem arbeitet und der Wärmetauscher (20) als Verdampfer wirkt und das System (10) im zweiten Zustand als Heizsystem mit Wärmepumpe arbeitet und der Austauscher (20) als Kondensator wirkt, einen weiteren Wärmetauscher (24) vom Gas/Flüssigkeitstyp, der zwischen dem Wärmetauscher (20) und dem Saugeinlass des Kompressors (14) eingeschaltet ist und im ersten bzw. im zweiten Betriebszustand der Schaltventilmittel (26, 34, 19) als Akkumulator für das Treibmittel im flüssigen Zustand und als Verdampfer wirken kann, wobei der weitere Wärmetauscher (24) mittels eines Magnetventils mit variabler Strömung (32) am Motorkühlflüssigkeitskreislauf (30) des Kraftfahrzeugs angeschlossen ist, und Steuermittel (40), die zu diesem Magnetventil (32) gehören, die Strömung des Magnetventils (32) ändern können, wenn sich die Schaltventilmittel (26, 34, 19) im ersten Betriebszustand befinden, um eine kontrollierte Überhitzung des Treibmittels zu bewirken, das im gasförmigen Zustand in den Kompressor (14) tritt, und zwar abhängig von seiner ermittelten Temperatur.
System gemäß Anspruch 1, wobei die Steuermittel (40) das Magnetventil (32) in einem Zustand halten können, in dem dieses eine vorbestimmte Durchflussmenge von Motorkühlflüssigkeit zum weiteren Wärmetauscher (24) gewährleistet, wenn sich die Schaltventilmittel (26, 34, 19) im zweiten Betriebszustand befinden.
System gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Expansionsmittel (18) ein Rohr mit einer kalibrierten Öffnung (14) umfassen.
System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Ventilanordnung (22) zwischen dem Wärmetauscher (20) und dem weiteren Wärmetauscher (24) eingeschaltet ist und in einem ersten Zustand den Ausgang des Wärmetauschers (20) mit dem Eingang des weiteren Wärmetauschers (24) verbinden kann, ohne eine Expansion des Treibmittels zu bewirken, und in einem zweiten Zustand den Ausgang des Wärmetauschers (20) mit dem Eingang des weiteren Wärmetauschers (24) verbinden kann und dabei eine Expansion des Treibmittels bewirkt.
System gemäß Anspruch 4, wobei die Ventilanordnung (22) ein Umleitungsventil (26) umfasst, das den Ausgang des Wärmetauschers (20) direkt in selektiver Weise bzw. durch zweite Fluidexpansionsmittel (28) mit dem Eingang des weiteren Wärmetauschers (24) verbinden kann.
System gemäß Anspruch 5, wobei die zweiten Fluidexpansionsmittel ein Rohr mit einer kalibrierten Öffnung umfassen.
System gemäß Anspruch 4, wobei die Ventilanordnung (22) ein Drosselmagnetventil umfasst, das zwischen dem Ausgang des Wärmetauschers (20) und dem Eingang des weiteren Wärmetauschers (24) eingeschaltet ist und zwischen diesen eine Treibmittelströmung in selektiver Weise durch einen vollständigen Strömungsquerschnitt bzw. durch einen eingeschränkten Strömungsquerschnitt, der zum Bewirken einer Expansion des Treibmittels geeignet ist, ermöglichen kann.