DE602005001771T2

DE602005001771T2 - Kühlsystem für eine Klimaanlage

Info

Publication number: DE602005001771T2
Application number: DE602005001771T
Authority: DE
Inventors: Jean-Claude Petesch
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 2005-06-02
Filing date: 2005-06-02
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2025-06-03
Also published as: EP1728662A1; ATE367942T1; EP1728662B1; DE602005001771D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kühlungssystem für ein Klimaanlagensystem und insbesondere auf ein Kühlungssystem, das im transkritischen Modus betrieben wird.
Kohlendioxid wird als Ersatzkühlmittel für Klimaanlagensysteme in Erwägung gezogen, insbesondere zur Verwendung in der Automobilindustrie sowie bei anderen Applikationen, hauptsächlich wegen der geringen Toxizität eines solchen Kühlmittels. Systeme auf der Basis von Kohlendioxid weisen jedoch zahlreiche Herausforderungen auf, die aus der Tatsache resultieren, dass derartige Systeme in einem transkritischen Modus betrieben werden, was zu hohem Druck und hohen Kompressoraustrittstemperaturen führt. Weitere Herausforderungen sind die niedrige kritische Temperatur und die Form der Isotherme um den kritischen Punkt. Die Leistung des Gaskühlers wird daher durch die Temperatur der Umgebungsluft eingeschränkt, da das Kühlmittel nicht auf eine niedrigere Temperatur als Umgebungstemperatur gekühlt werden kann.
Um die Leistung solcher Kohlendioxidsysteme zu verbessern ist es wünschenswert, über zusätzliche Kühlung des Kühlmittels unterhalb des Ausgangs des Gaskühlers zu verfügen. Dies wird gewöhnlich auf dem Stand der Technik durch einen internen Wärmeaustauscher erreicht, bei dem kaltes Kühlmittel von dem Verdampfer verwendet wird, um das Kühlmittel, das den Gaskühler verlässt, weiter abzukühlen. Obwohl dieses Verfahren das Ziel des Verbesserns der Kühlkapazität erreicht, weist es den Nachteil auf, dass es die Menge an Überhitzungswärme, die in den Kompressor geht, drastisch erhöht, und resultiert daher in einer niedrigeren Kühlmitteldichte an dem Saugeinlass des Kompressors und einer höheren Ausgangstemperatur an dem Kompressor, was die Lebensdauer des Kompressors verkürzen kann und was erfordert, dass der Gaskühler aus speziellem wärmebeständigem Material gefertigt ist sowie den COP (Leistungskoeffizienten) des Systems reduzieren kann.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, weiteres Kühlen des Kühlmittels auf eine geringere Temperatur als Umgebungstemperatur bereitzustellen, wobei das Erfordernis vermieden wird, eine große Überhitzungswärme und eine hohe Kompressorausgangstemperatur zu vermeiden, wodurch die Effizienz und die Leistung des Systems verbessert werden.
Das Dokument WO 03/026103 , das als nächstliegender Stand der Technik betrachtet wird, offenbart die Verwendung eines weiteren Wärmeaustauschers unterhalb des Gaskühlers/des Kondensators und oberhalb des Expansionsventils, wobei der weitere Wärmeaustauscher angeordnet ist, um Umgebungsluft zu empfangen. Die Effizienz dieses Systems kann jedoch weiter verbessert werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Kühlungssystem für eine Klimaanlage, das einen Kompressor zum Komprimieren eines Kühlmittels, einen Gaskühler oder Kondensator unterhalb des Kompressors unter Benutzung von Umgebungsluft zum Kühlen und/oder Kondensieren des Kühlmittels, ein Expansionsventil unterhalb des Gaskühlers/Kondensators zum Reduzieren des Drucks des Kühlmittels und einen ersten Wärmeaustauscher unterhalb des Expansionsventils zum Verdampfen des Kühlmittels und zum Kühlen der Luft, die an einen zu kühlenden Raum geliefert wird, beinhaltet, wobei ein weiterer Wärmeaustauscher unterhalb des Gaskühlers/Kondensators und oberhalb des Expansionsventils bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Wärmeaustauscher angeordnet ist, um Luft von dem zu kühlenden Raum zu empfangen, wobei die Luft von dem zu kühlenden Raum unterhalb des weiteren Wärmeaustauschers ausgestoßen wird.
Das Kühlmittel ist vorzugsweise Kohlendioxid.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 ein schematisches Diagramm des Kühlungskreislaufs eines Klimaanlagensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Kühlen des Innenraums eines Fahrzeugs ist;
2 ein schematisches Diagramm des Klimaanlagensystems aus 1 ist, wobei der Kühlungskreislauf angepasst ist, um in einem Wärmepumpenmodus zum Wärmen des Innenraums eines Fahrzeugs betrieben zu werden.
1 stellt ein Klimaanlagensystem gemäß der vorliegenden Erfindung zur Verwendung bei einem Fahrzeug bereit, um die Lufttemperatur innerhalb des Innenraums des Fahrzeugs zu steuern. Das Klimaanlagensystem beinhaltet einen Kompressor 10, einen vorderen Wärmeaustauscher 20 (Kondensator/Gaskühler), der sich in einer Vorderseite des Fahrzeugmotorabteils befinden kann, zur Benutzung von Umgebungsluft, um Kühlmittel zu kühlen/zu kondensieren, einen ersten Wärmeaustauscher 30, vorzugsweise bereitgestellt in der Vorderseite des Innenraums des Fahrzeugs 25 (z.B. innerhalb des Armaturenbretts oder der Instrumententafel), der fähig ist, Umgebungsluft von außerhalb des Fahrzeugs zu empfangen und der angeordnet ist, um die Luft unterhalb des ersten Wärmeaustauschers 30 in den Innenraum des Fahrzeugs 25 auszustoßen, einen weiteren Wärmeaustauscher 40, vorzugsweise in der Rückseite des Innenraums 25, der angeordnet ist, um Luft von dem Innenraum des Fahrzeugs 25 zu empfangen und Luft aus dem Innenraum 25 unterhalb des weiteren Wärmeaustauschers 40 auszustoßen, ein Expansionsventil 50 zum Reduzieren des Drucks des Kühlmittels und einen Akkumulator/Behälter 60 des Kühlmittels.
Wenn das Klimaanlagensystem konfiguriert ist, wie in 1 gezeigt, um das Fahrzeug zu kühlen, leitet der Kühlmittelkreislauf Kühlmittel von dem Kompressor 10 in den vorderen Wärmeaustauscher 20, wobei das Kühlmittel durch Wärmetransfer mit Umgebungsluft, die durch den vorderen Wärmeaustauscher 20 läuft, kondensiert und/oder gekühlt wird, wobei das Kühlmittel anschließend in den weiteren Wärmeaustauscher 40 geleitet wird, wobei das Kühlmittel ferner durch Wärmetransfer mit Luft von innerhalb des Innenraums 25 des Fahrzeugs gekühlt wird, wobei diese Luft auf eine Temperatur unter der Temperatur der Umgebungsluft außerhalb des Fahrzeugs kraft des Klimaanlagensystems gekühlt wird. Das Kühlmittel wird dann durch das Expansionsventil 50 geleitet, wobei der Druck des Kühlmittels reduziert wird, bevor es durch den ersten Wärmeaustauscher 30 geleitet wird, wobei das Kühlmittel verdampft wird, wodurch Kühlluft durch den ersten Wärmeaustauscher 30 in den Innenraum 25 läuft. Das Kühlmittel tritt dann aus dem ersten Wärmeaustauscher 30 aus und läuft durch den Akkumulator 50, bevor es zu dem Kompressor 10 zurückkehrt, um komprimiert und zurück zu der Hochdruckseite des Kühlmittelkreislaufs geleitet zu werden. Die Luft, die durch den ersten Wärmeaustauscher verläuft, kann aus Umgebungsluft, rezirkulierter Innenraumluft oder einer Mischung aus den beiden ausgewählt werden, abhängig von der Einstellung des Steuersystems der Klimaanlage, wie im Fach üblich.
Durch die Verwendung von Luft, die aus dem Innenraum des Fahrzeugs bei einer Temperatur gezogen wird, die niedriger als die Umgebungsluft außerhalb des Fahrzeugs ist, um das Kühlmittel weiter zu kühlen, während es durch den weiteren Wärmeaustauscher läuft, kann das Kühlmittel unter Verwendung von Umgebungsluft allein ohne die schädlichen Effekte der Verwendung von Kühlmittel unter niedrigem Druck auf eine Temperatur unter der erreichbaren gekühlt werden, um das Kühlmittel unter hohem Druck in einem internen Wärmeaustauscher zu kühlen. Die vorliegende Erfindung stellt folglich einen erhöhten Leistungskoeffizienten (COP) und reduzierte Kompressorausgangstemperaturen bereit.
Durch das Steuern des Luftflusses durch den weiteren Wärmeaustauscher 40 kann der Wärmetransfer zwischen der Luft und dem Kühlmittel und folglich die Menge an Unterkühlung des Kühlmittels gesteuert werden, wodurch der Betrieb des Kühlungssystems gesteuert wird. Diese Steuerung des Luftflusses kann mittels eines Gebläses oder eines Lüfters variabler Geschwindigkeit oder durch Gitter oder Klappen über dem weiteren Wärmeaustauscher erreicht werden.
Wie in 2 gezeigt, kann der weitere Wärmeaustauscher optional in einem Kühlmittelzyklus einer Wärmepumpe benutzt werden, wobei der weitere Wärmeaustauscher 40 als ein Kondensator/Gaskühler für den Kühlungszyklus anstelle des vorderen Wärmeaustauschers 20 wirkt. Bei Verwendung als seine Wärmepumpe ist die Lufttemperatur innerhalb des Innenraums höher als die Umgebungstemperatur. Durch die Verwendung des weiteren Wärmeaustauschers 40 als ein Kondensator/Gaskühler anstelle des vorderen Wärmeaustauschers, um das Gas zu kühlen, empfängt der weitere Wärmeaustauscher 40 Luft bei einer höheren Temperatur als der Umgebungsluft, das Problem der Eisbildung in dem Kondensator/Gaskühler wird vermieden.
Während die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Bezug auf ein Klimaanlagensystem für ein Fahrzeug beschrieben worden ist, ist vorgesehen, dass die vorliegende Erfindung gleichermaßen in beliebigen Verhältnissen anwendbar ist, wobei die Lufttemperatur innerhalb eines geschlossenen Raums gesteuert werden muss, wie etwa in einem Hotelzimmer oder in einer anderen Behausung oder bei anderen Formen des Transports wie etwa bei einem Luftfahrzeug oder Schiffen.

Claims

Ein Kühlungssystem für eine Klimaanlage, das einen Kompressor (10) zum Komprimieren eines Kühlmittels, einen Gaskühler oder Kondensator (20) unterhalb des Kompressors (10) unter Benutzung von Umgebungsluft zum Kühlen und/oder Kondensieren des Kühlmittels, mindestens ein Expansionsventil (50) unterhalb des Gaskühlers/Kondensators (20) zum Reduzieren des Drucks des Kühlmittels und einen ersten Wärmeaustauscher (30) unterhalb des Expansionsventils (50) zum Verdampfen des Kühlmittels und zum Kühlen der Luft, die an einen zu kühlenden Raum geliefert wird, beinhaltet, wobei ein weiterer Wärmeaustauscher (40) unterhalb des Gaskühlers/Kondensators (20) und oberhalb des Expansionsventils (50) bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Wärmeaustauscher (40) angeordnet ist, um Luft von dem zu kühlenden Raum zu empfangen, wobei die Luft von dem zu kühlenden Raum unterhalb des weiteren Wärmeaustauschers (40) ausgestoßen wird.
Kühlungssystem gemäß Anspruch 1, wobei das Kühlmittel Kohlendioxid ist.
Kühlungssystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zu kühlende Raum der Innenraum eines Fahrzeugs ist.
Kühlungssystem gemäß Anspruch 3, wobei der Gaskühler/Kondensator (20) außerhalb des Innenraums, vorzugsweise in der Vorderseite des Fahrzeugs, bereitgestellt wird.
Kühlungssystem gemäß Anspruch 3 oder Anspruch 4, wobei der weitere Wärmeaustauscher (40) in oder angrenzend an einem hinteren Teilabschnitt des Innenraums bereitgestellt wird.
Kühlungssystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner Steuermittel zum selektiven Anpassen des Systems zum Betreiben als eine Wärmepumpe beinhaltet, wobei das Kühlmittel oberhalb des Kompressors (10) das Kondensgas/den Kühler (20) umgeht, und direkt in den ersten Wärmeaustauscher (30) läuft, wobei das Kühlmittel kondensiert/gekühlt wird, was verursacht, dass Umgebungsluft in den Innenraum durch den ersten zu wärmenden Wärmeaustauscher (30) läuft, wobei das Kühlmittel nachfolgend durch das mindestens eine Expansionsventil (50) läuft und dann in den weiteren Wärmeaustauscher (40) läuft, wobei das Kühlmittel durch Wärmetransfer mit Luft von innerhalb des Innenraums verdampft wird, wobei das Kühlmittel von dem weiteren Wärmeaustauscher (40) zurück zu dem Kompressor (10) läuft.
Kühlungssystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das ferner Mittel zum Steuern des Flusses an Luft durch den weiteren Wärmeaustauscher (40) beinhaltet.
Kühlungssystem gemäß Anspruch 7, wobei das Mittel zum Steuern des Flusses an Luft durch den weiteren Wärmeaustauscher einen Lüfter oder ein Gebläse variabler Geschwindigkeit beinhaltet.