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WO2015049642A1 - Klimatisierungssystem für ein kraftfahrzeug - Google Patents

Klimatisierungssystem für ein kraftfahrzeug Download PDF

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Publication number
WO2015049642A1
WO2015049642A1 PCT/IB2014/064985 IB2014064985W WO2015049642A1 WO 2015049642 A1 WO2015049642 A1 WO 2015049642A1 IB 2014064985 W IB2014064985 W IB 2014064985W WO 2015049642 A1 WO2015049642 A1 WO 2015049642A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
air
mass flow
air mass
flow
partial
Prior art date
Application number
PCT/IB2014/064985
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Roberto Della Rovere
Marc Graaf
Navid Durrani
Original Assignee
Halla Visteon Climate Control Corporation
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Halla Visteon Climate Control Corporation filed Critical Halla Visteon Climate Control Corporation
Priority to US14/770,846 priority Critical patent/US9821627B2/en
Publication of WO2015049642A1 publication Critical patent/WO2015049642A1/de

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Definitions

  • the invention relates to an air conditioning system for conditioning the air of a passenger compartment of a motor vehicle.
  • the air conditioning system has a housing with a first flow channel and a second flow channel for conducting air and a refrigerant circuit with at least two heat exchangers.
  • a first heat exchanger is arranged in the first flow channel and a second heat exchanger is arranged in the second flow channel.
  • the invention relates to methods for operating the air conditioning system for a combined operation in the refrigeration system and heat pump mode and for a Nachfindmodus for conditioning the air of the passenger compartment in Nachfindmodus and in heat pump mode.
  • Air conditioners which have long been part of the state of the art, condition the air to be introduced into the passenger compartment, the heat required in the heat pump mode or in the reheating mode for heating the air mass flow being absorbed by different heat sources.
  • the amount of energy that can be stored in the battery of the vehicle is also lower than the amount of energy that can be stored in the form of liquid fuel within the fuel tank.
  • the power required for the air conditioning of the passenger compartment of an electrically driven vehicle also has a significant influence on the range of the vehicle.
  • DE 102 44 954 A1 discloses a vehicle air conditioning system with a heat exchanger of a heat pump cooling cycle in an air conditioning housing.
  • the heat exchanger is used for heating or cooling air flowing through.
  • the air conditioning case is formed with a bypass passage through which air flows to a downstream side while bypassing the heat exchanger.
  • FR 2 743 027 A1 discloses a vehicle air conditioning system with a conventional refrigerant circuit, comprising only an evaporator, a compressor, a condenser and an expansion element.
  • the heat exchangers are arranged in separate, at least fluidically separated flow channels. The flow channels have cross connections or bypasses.
  • the air mass flows sucked in by means of blowers are conducted over the surfaces of the heat exchangers by closing and opening flaps as well as passing through the bypasses as required and operating mode.
  • the air mass flows are cooled and / or dehumidified or heated and then spent in the passenger compartment and / or the environment.
  • reheat mode the air supplied to the passenger compartment is cooled and dehumidified, and then the dehumidified air is slightly heated
  • the required afterheating power is usually lower than the required cooling capacity for cooling and dehumidifying the air.
  • the air conditioning systems known from the prior art have a flow channel through which upstream depending on the air intake mode fresh air from the environment or circulating air sucked from the passenger compartment, conditioned and passed downstream through an air outlet switching device in the passenger compartment.
  • the air conditioning systems have no air outlet flap, with which the cooled or heated air can be spent in the environment of the air conditioner or at least outside the passenger compartment.
  • the object of the present invention is to provide an air-conditioning system with heating functionality, in particular for use in motor vehicles.
  • the system should also be designed for combined operation in the refrigeration and heat pump modes, as well as the reheat mode for heating, cooling and dehumidifying the passenger compartment air to be conditioned.
  • the operation is also in environments with heat sources of low capacity, such as energy-efficient internal combustion engines or hybrid drives from internal combustion engine and electric motor or non-existing heat sources from the drive, such as in electrically powered vehicles, fulfilling all requirements for a comfortable climate in the passenger compartment , to be possible.
  • the object is achieved by an air conditioning system for conditioning the air of a passenger compartment of a motor vehicle.
  • the air conditioning system has a housing with a first and a second flow channel for conducting air and a refrigerant circuit with at least two heat exchangers, wherein a first heat exchanger in the first flow channel and a second heat exchanger in the second flow channel is arranged.
  • the air conditioning system is designed for combined operation in refrigeration and heat pump mode for cooling and heating of the passenger compartment as well as for a Nachffymodus.
  • the first heat exchanger is independent of the operating mode as an evaporator and the second heat exchanger is independent of the operating mode as a capacitor formed and operable.
  • the housing has at least one air guiding device with which an air mass flow conditioned in the air conditioning system can be diverted into the environment.
  • the refrigerant circuit is formed according to the invention with a heat exchanger, which is arranged outside the housing and, depending on requirements and operating mode as an evaporator or as a condenser is operable.
  • the heat exchanger arranged in the first flow channel is always operated independently of the operating mode as an evaporator and the heat exchanger arranged in the second flow channel is always operated as a capacitor irrespective of the operating mode and is designed accordingly
  • the third heat exchanger arranged outside the housing is either heat-absorbed as required and operating mode the refrigerant is operated as an evaporator or for heat release from the refrigerant as a condenser. Since the heat exchangers, which can be operated exclusively as evaporators or condenser, are arranged in the flow channels and thus within the housing, these are referred to as internal heat exchangers, while the third heat exchanger is arranged outside the housing and is consequently referred to as an external heat exchanger.
  • the air guide and an additional cold air flow path are formed on the first flow channel in the flow direction of the air after the evaporator.
  • an air mass flow passed and conditioned through the first flow channel can be divided into partial air mass flows, wherein a first partial air mass flow through a cold air flow path into the passenger compartment and a second partial air mass flow through the additional cold air flow path into the environment of the housing can be conducted.
  • a development of the invention consists in that an air guiding device and an additional hot air flow path are formed on the second flow channel in the flow direction of the air after the condenser.
  • an air mass flow passed and conditioned through the second flow channel can be divided into partial air mass flows, wherein a first partial air mass flow through a hot air flow path into the passenger compartment and a second partial air mass flow through the additional hot air flow path into the environment of the housing can be conducted.
  • louvers By forming the louvers with additional cold air flow path or additional hot air flow path, a heated and / or a cooled air mass flow in each case either in the passenger compartment or otherwise in the environment of the housing, that is out of the housing, are passed.
  • the air mass flows conditioned in this way can be used for heating or cooling the batteries, fuel cells or other drive components.
  • the evaporator, the condenser and the heat exchanger arranged outside the housing are designed as refrigerant-air heat exchangers.
  • the external heat exchanger uses the air as a heat source or, in the heat transfer from the refrigerant to the air, the air as a heat sink depending on the need and operating mode in the heat absorption by the refrigerant.
  • the air conditioning system is preferably formed with at least one fan, which promotes an air mass flow through the air conditioning system.
  • Air mass flow is conducted through the first flow channel or through the second flow channel or Air mass flow is divided proportionally to the first flow channel and the second flow channel.
  • the air conditioning system is formed with two independently operable blowers, wherein a first blower promotes an air mass flow in the first flow channel and a second blower air mass flow in the second flow channel.
  • a bypass channel is formed around the evaporator.
  • the bypass channel can advantageously be opened or closed with an air guiding device so that an air mass flow conveyed by the fan can be conducted around the evaporator when the air guiding device is open.
  • the bypass channel preferably opens into the second flow channel.
  • Each flow channel is advantageously acted upon with fresh air from the environment, circulating air from the passenger compartment or a mixture of fresh air and recirculated air.
  • the flow channels are preferably arranged such that the flow directions of the air mass flows in the direction of the passenger compartment are substantially identical.
  • a method according to the invention for operating an air conditioning system for combined operation in refrigeration and heat pump mode for cooling and heating and for a reheating mode for conditioning the air of a passenger compartment of a motor vehicle comprises the following steps in the reheating mode:
  • An alternative method according to the invention for operating an air-conditioning system for combined operation in refrigeration and heat pump mode for cooling and heating and for a reheating mode for conditioning the air of a passenger compartment of a motor vehicle comprises the following steps in the reheating mode:
  • Dividing the cooled first partial air mass flow in a ratio of 0% or 100% means that the entire cooled first partial air mass flow is discharged into the environment as partial air mass flow for reheating or as cold air mass flow is forwarded. In the case of a distribution deviating from 0% or 100%, both a proportion of the cooled first partial air mass flow into the environment, as partial air mass flow for reheating and / or as cold air mass flow is conducted. Again, a proportion of the partial air mass flows can be zero.
  • the mixing of the partial air mass flow for reheating with the second partial air mass flow is thus dependent on the ratio of the division of the cooled first partial air mass flow in the partial air mass flow, which is discharged into the environment, the partial air mass flow for reheating and the cold air mass flow. It is understood that the mixing of the partial air mass flow for reheating with the second partial air mass flow takes place only in those cases in which the partial air mass flow for postheating has a proportion of more than 0%.
  • the subsequent heating during the overflow of the condenser of the refrigerant circuit accordingly relates to the mixed from the partial air mass flow for reheating with the second partial air mass flow air mass flow or the unmixed second partial air mass flow.
  • the mixing of the heated during the overflow of the condenser air mass flow with the preconditioned cold air mass flow is in turn dependent on the ratio of the division of the cooled first partial air mass flow in the partial air mass flow, which is discharged into the environment, the partial air mass flow for reheating and the cold air mass flow. It is understood that the mixing of the heated air mass flow with the preconditioned cold air mass flow takes place only in those cases in which the preconditioned cold air mass flow has a proportion of more than 0%.
  • the heat absorbed by the refrigerant in the evaporator is either 100% released again in the condenser or it will be a proportion of the heat to be delivered on the dissipated outside the housing arranged heat exchanger, wherein the proportion is less than 100%.
  • the method according to the invention for operating an air conditioning system for combined operation in refrigeration and heat pump mode for cooling and heating and for a reheating mode for conditioning the air of a passenger compartment of a motor vehicle comprises the following steps in heat pump mode:
  • Dividing the first partial air mass flow in a ratio of 0% or 100% means that the entire partial air mass flow is discharged into the environment or introduced into the passenger compartment. For a distribution different from 0% or 100% a proportion of the first partial air mass flow into the environment and a proportion in the passenger compartment out.
  • FIGS. 1 to 4 each show an air conditioning system with two flow channels or cold air and hot air flow paths and two heat exchangers, which can be operated as evaporator and condenser.
  • An air conditioning system shows: 1: two air guide flaps and an air outlet flap in a cold air flow path,
  • Fig. 4 three air duct flaps, each having an air outlet flap in one
  • Fig. 5 two independent fans, two air control flaps and a
  • Air outlet flap in a cold air flow path Air outlet flap in a cold air flow path.
  • FIG. 1 shows an air-conditioning system 1 with a housing 2, comprising a first flow channel 3 and a second flow channel 4, with a fan 5 both an air mass flow through the first flow channel 3 and through the second flow channel 4 can be promoted.
  • the flow channels 3, 4 can be acted upon with fresh air from the environment, circulating air from the passenger compartment or a mixture of fresh air and circulating air.
  • an evaporator 6 of a refrigerant circuit is arranged in the flow direction of the air after the blower 5, an evaporator 6 of a refrigerant circuit, not shown, is arranged. After the evaporator 6, the air mass flow with the aid of louvers 1 1, 12, 13 to the flow channels 3, 4 can be divided. The first and second flow channels 3, 4 are separated from one another by the dividing wall 8.
  • the louver 1 1 is used to open and close a cold air flow path 9, which extends through the first flow channel 3.
  • the louver 13 serves the Opening and closing the inlet into the second flow channel 4.
  • a condenser 7 of the refrigerant circuit is provided within the second flow channel 4.
  • the evaporator 6 and the condenser 7 are each designed as air-blown heat exchangers.
  • the evaporator 6 takes in the entire flow cross-section of the flow channels 3, 4 a.
  • Evaporator 6 and capacitor 7 are referred to as internal heat exchanger due to the arrangement within the flow channels 3, 4 and thus within the housing 2.
  • the blower 5 leads the sucked air as the air mass flow to the evaporator 6.
  • the air mass flow is cooled and / or dehumidified.
  • the exiting cold air mass flow from the evaporator 6 is as a partial air mass flow through the first flow channel 3 via the cold air flow path 9 in the direction of the passenger compartment, via the cold air flow path 10 in the environment of the air conditioning system 1 and / or through the second flow channel 4 in the direction of the passenger compartment directed.
  • the cold air mass flow is split in a required ratio or completely assigned to one of the cold air flow paths 9, 10 and the second flow channel 4.
  • the cold air mass flow is divided by means of flaps designed as louvers 1 1, 12, 13.
  • the louvers 12, 13 When operating in the refrigeration system mode, that is, the cooling of the passenger compartment to be supplied air, the louvers 12, 13 are closed.
  • the louver 1 1 is oriented such that the air mass flow is passed through the cold air flow path 9 to the passenger compartment.
  • the cold air flow path 9 is open.
  • the fan 5 conveys the air to the evaporator 6.
  • the air is cooled or dehumidified and flows through the first flow channel 3 through the cold air flow path 9 into the passenger compartment.
  • the heat absorbed by the refrigerant in the evaporator 6 is released in a non-illustrated, integrated in the refrigerant circuit heat exchanger.
  • the heat exchanger operated as a condenser in the refrigeration plant mode is arranged outside the housing 2.
  • the arrangement of the heat exchanger, which uses the ambient air as a heat sink, on the vehicle front allows the flow of heat transfer surface with wind, which improves the process of heat transfer without the use of additional components, such as fans. Due to the arrangement outside the housing 2, the heat exchanger is also referred to as an external heat exchanger.
  • the louvers 1 1, 12 When operating in heat pump mode, that is, the heating of the passenger compartment to be supplied air, the louvers 1 1, 12 are closed. The louver 13 is opened, so that the air mass flow is passed through the hot air flow path 17 to the passenger compartment. No heat is transferred in the evaporator 6.
  • the heat released from the refrigerant to the air in the condenser 7 is absorbed in the non-illustrated external heat exchanger, which is operated in the heat pump mode as an evaporator.
  • louvers 1 1, 12, 13 When operating in Nachloommodus the louvers 1 1, 12, 13 are arranged as required in different positions between fully open to fully closed. Due to the positions of the louvers 1 1, 12, 13 and the speed of the blower 5, the air mass flow to be heated is varied.
  • the partial air mass flow reheated in the overflow of the heat transfer surface of the condenser 7 flows through the partial air mass flow flowing through the cold air flow path 9 Partial air mass flow of the cold air mass flow mixed.
  • the partial air mass flow through the first flow channel 3 can be regulated via the adjustment of the louver 12.
  • the louver 12 is open, the partial air mass flow through the first flow duct 3 is reduced, depending on the position of the louver 12.
  • the louver 1 1 When the louver 1 1 is closed, the air mass flow reheated during the overflow of the condenser 7 is conducted unmixed into the passenger compartment. Part of the cold air mass flow conditioned in the overflow of the evaporator 6 is discharged through the opened air guiding device 12 through the cold air flow path 10 into the environment of the air conditioning system 1.
  • heat can also be transmitted in the also operated as an evaporator or condenser, not shown external heat exchanger.
  • FIG. 1 shows the air conditioning system 1 with two air guide flaps 1 1, 13 and an air outlet flap 12 in the cold air flow path 10
  • FIG. 2 shows the air conditioning system 1 with two air guide flaps 1 1, 16, the air outlet flap 12 in the cold air flow path 10th and a bypass channel 14 around the evaporator 6 with an associated designed as an air guide flap louver 15th
  • the evaporator 6 does not extend over the entire flow cross-section of the flow channels 3, 4. Rather, the flow cross-section is divided into a region in which the evaporator 6 is arranged and a bypass channel 14 formed parallel thereto 14 is closed by means of the louver 15.
  • the first and second flow channels 3, 4 are separated from each other by a dividing partition 8a, 8b.
  • the first part of the partition wall 8a corresponds to the partition 8 of FIG. 1.
  • the second part of the partition wall 8b delimits the bypass channel 14 from the evaporator 6.
  • the two subsegments of the partition wall 8a, 8b are interconnected via an air guiding device 16 in such a way that the air guiding device 16 in the closed state, in connection with the subsegments of the partition 8a, 8b, fluidically seals the first and the second flow channel 3, 4 ,
  • louvers 12, 16 When operating in refrigeration system mode, the louvers 12, 16 are closed.
  • the louver 1 1 is open, so that the funded by the blower 5 and conditioned at the overflow of the evaporator 6 air mass flow is passed through the open cold air flow path 9 to the passenger compartment.
  • the heat absorbed in the evaporation of the refrigerant heat is discharged in the not shown, operated as a condenser, outside the air conditioning system 1 arranged heat exchanger again.
  • the louvers 1 1, 16 When operating in heat pump mode, that is, in pure heating mode, the louvers 1 1, 16 are closed.
  • the louvers 12, 15 are open so that a first partial air mass flow delivered by the blower 5 gives off heat to the refrigerant when it flows over the evaporator 6 and is subsequently transported through the cold air flow path 10 into the environment of the air conditioning system 1.
  • the guided over the evaporator 6 air mass flow of circulating air from the passenger compartment, fresh air from the environment or a mixture of circulating air and fresh air serves as a heat source.
  • a second partial air mass flow is guided through the bypass channel 14 to the condenser 7, where it absorbs heat and is conducted into the passenger compartment.
  • the heat to be supplied to the evaporator 6 for the evaporation of the refrigerant can be partly taken from the passenger compartment to 100%.
  • the warm air is sucked in as circulating air from the passenger compartment of the blower 5 and conveyed through the evaporator 6. If the air mass flow taken in from the passenger compartment is insufficient to provide the heat to be supplied to the evaporator 6, the air mass flow taken in from the passenger compartment is mixed with an air mass flow from the environment.
  • the air mass flow sucked or mixed from the passenger compartment cools down and / or is dehumidified. Depending on requirements, the thus conditioned air mass flow can be discharged into the environment or returned to the passenger compartment.
  • the temperature of the exiting air mass flow from the evaporator 6 is higher than the temperature of the ambient air, and the funded by the first flow channel 3 air mass flow is also to use for efficiency of the heating of the passenger compartment. Then conveyed through the first flow channel 3 and the second flow channel 4 air mass flows are directed into the passenger compartment.
  • the evaporative temperature of the refrigerant In heat pump mode, to absorb heat of vaporization from the air, the evaporative temperature of the refrigerant must usually be 5K to 10K lower than the temperature of the air. Since the suction pressure in Refrigerant circuit is largely determined by the evaporation temperature of the refrigerant, a low evaporation temperature leads to a correspondingly low suction pressure.
  • the heat absorbed to evaporate the refrigerant via the evaporator 6 it is possible to increase by mixing warm air from the passenger compartment with the fresh air from the environment, the temperature of the air in front of the evaporator 6 via the temperature of the ambient air.
  • This increase in the temperature of the air before the evaporator 6 leads to an increase in the evaporation temperature of the refrigerant and thus also the suction pressure in the refrigerant circuit.
  • Increasing the suction pressure reduces the power consumption of the compressor, increases the coefficient of performance and thus also the efficiency of the refrigerant circuit and of the air conditioning system 1.
  • the pure heating mode with unconditioned air is switched when dehumidification of the air to be supplied to the passenger compartment is not required or not desired.
  • the louvers 1 1, 12, 15, 16 When operating in Nachmoremodus the louvers 1 1, 12, 15, 16 are arranged as required in various positions between fully open to fully closed. Due to the positions of the louvers 1 1, 12, 15, 16 and the speed of the blower 5, the air mass flow to be heated is variable.
  • the unillustrated heat exchanger can be operated as needed as an evaporator or condenser.
  • the louvers 1 1, 15 are open and the louver 16 is closed, the partial air mass flow heated during the overflow of the heat transfer surface of the condenser 7 is mixed with the partial air mass flow of the cold air mass flow flowing through the cold air flow path 9.
  • the partial air mass flow through the first flow channel 3 can via the adjustment of the louver 12th be regulated.
  • the louver 12 is open, the partial air mass flow through the first flow duct 3 is reduced, depending on the position of the louver 12.
  • the air conditioning system 1 with heat pump functionality that is to say with the cooling and / or dehumidifying and subsequent heating of the air mass flow, can be operated in the reheating mode, also referred to as reheat operation.
  • the reheating mode is possible as a pure Nachmos compassion, that is without admixing unconditioned air.
  • the entire air mass flow to be heated can be cooled and / or dehumidified before being heated when the heat transfer surface of the evaporator 6 flows over.
  • the louver 1 1 When the louver 1 1 is closed and the louver 16 is open, the air mass flow reheated during the overflow of the condenser 7 is directed into the passenger compartment.
  • the louver 15 When the louver 15 is open, the cold air mass flow preconditioned when the evaporator 6 flows over may be mixed with the partial air mass flow conducted through the bypass duct 14. Part of the cold air mass flow conditioned in the overflow of the evaporator 6 is discharged through the opened air guiding device 12 through the cold air flow path 10 into the environment of the air conditioning system 1.
  • FIG. 3 shows a development of the air-conditioning system 1 according to FIG. 1 with two additional air guiding devices 19, 20 arranged within the second flow channel 4.
  • the air conditioning system 1 according to FIG. 3 thus has three air guiding devices 1 1, 13, 19 and respectively designed as air guiding flaps a designed as an air outlet flap in the cold air flow path 10 and the hot air flow path 18 louver 12, 20.
  • louver 13 On the arranged at the entrance to the second flow channel 4 louver 13 may also be omitted. Operation in the refrigeration system mode is identical to the method described with reference to FIG. When dispensing with the louver 13, the louvers 19, 20 are closed.
  • louvers 1 1, 12 When operating in heat pump mode, the louvers 1 1, 12 are closed.
  • the louver 13, if present, is open, so that the air mass flow conveyed by the blower 5 flows through the second flow channel 4, via the condenser 7 and is heated. No heat is transferred in the evaporator 6.
  • the louver 20 is closed.
  • the heated air mass flow is thus conducted with open air guide 19 through the hot air flow path 17 to the passenger compartment.
  • the heat to be released in the condenser 7 from the refrigerant to the air is again absorbed in the unillustrated external heat exchanger, which is operated in the heat pump mode as an evaporator.
  • louvers 1 1, 12, 13, 19, 20 When operating in the reheating mode by means of the positions of the louvers 1 1, 12, 13, 19, 20 and the speed of the blower 5 of the heated air mass flow varies, the louvers 1 1, 12, 13, 19, 20 as needed in different positions between completely open to fully closed can be arranged.
  • the louvers 1 1, 13, 19 When the louvers 1 1, 13, 19 are open, the partial air mass flow reheated during the overflow of the heat transfer surface of the condenser 7 is mixed with the partial air mass flow of the cold air mass flow flowing through the cold air flow path 9.
  • the guided through the first flow channel 3 partial air mass flow can, as in the method described for Fig. 1, on the adjustment of the louver 12 are regulated.
  • the louver 12 When the louver 12 is open, the partial air mass flow through the first flow duct 3 is reduced, depending on the position of the louver 12.
  • the louver 1 1 When the louver 1 1 is closed and the louver 19 is open, the air mass flow reheated when the condenser 7 flows over is introduced into the passenger compartment without mixing. Part of the conditioned during the overflow of the evaporator 6 cold air mass flow is discharged through the open louver 12 through the cold air flow path 10 in the environment of the air conditioning system 1.
  • louvers 1 1, 19 can be spent at least partially open louver 20, a reheated partial air mass flow through the hot air flow path 18 in the environment of the air conditioning system 1.
  • the exiting from the condenser 7 hot air mass flow is thus divided into a guided over the hot air flow path 18 in the environment partial air mass flow and in a to be initiated via the hot air flow path 17 in the passenger compartment partial air mass flow in a required ratio or completely one of the hot air flow paths 17, 18 assigned.
  • Fig. 4 in contrast to Fig. 2, the air conditioning system 1 with three air guide flaps 1 1, 16, 17, the air outlet flaps 12, 20 in the cold air flow path 10 and in the warm air flow path 18 and the air guide flap 15 in the bypass channel 14 to the evaporator 6 shown.
  • louvers 12, 15, 16 When operating in refrigeration system mode, either the louvers 12, 15, 16 may be closed. When open louver 1 1 is then funded by the fan 5 and the overflow of the evaporator. 6 conditioned air mass flow is passed through the cold air flow path 9 to the passenger compartment. The heat absorbed by the refrigerant during the evaporation is released again in the unillustrated heat exchanger outside the air-conditioning system 1.
  • louvers 12, 16 are closed while the louver 15 is open.
  • the louver 1 1 When the louver 1 1 is open, the air mass flow conveyed by the blower 5 and conditioned during the overflow of the evaporator 6 is in turn conducted through the cold air flow path 9 to the passenger compartment.
  • the capacitor 7 in the delivery of the Enthitzungs- and condensation heat to the air in addition to the unillustrated outer heat exchanger supportive. Due to the distribution of the heat load to be delivered to two heat exchangers and the concomitant increase in the heat transfer area is in the refrigerant circuit a condensation temperature, which with 5 K to 10 K, a lower difference to the temperature of the air than with conventional capacitors with about 15 K of the case is.
  • the reduction of the condensation temperature results in a reduction of the high pressure of the refrigerant.
  • the reduction of the high pressure reduces the power consumption of the compressor, thus increasing the coefficient of performance and thus also the efficiency of the refrigerant circuit and the air conditioning system.
  • the louvers 1 1, 16, 20 When operating in heat pump mode, the louvers 1 1, 16, 20 are closed. When the air guiding devices 12, 15, 19 are open, a first partial air mass flow conveyed by the fan 5, which delivers heat to the refrigerant when the evaporator 6 flows over, is conducted through the cold air flow path 10 into the environment of the air conditioning system 1. A second, guided by the bypass channel 14 to the condenser 7 Partial air mass flow is passed after heat absorption by the hot air flow path 17 in the passenger compartment.
  • additional heat can be transferred to the evaporating refrigerant, which can be dispensed, if necessary, to the partial air mass flow to be heated for the passenger compartment.
  • louvers 1 1, 12, 15, 16, 19, 20 When operating in Nachloommodus the louvers 1 1, 12, 15, 16, 19, 20 are arranged as required in various positions between fully open to fully closed. By positioning the louvers 1 1, 12, 15, 16, 19, 20 and the speed of the blower 5, the air mass flow to be heated can be adjusted.
  • the partial air mass flow reheated on overflow of the heat transfer surface of the condenser 7 after cooling and / or dehumidification is mixed with the partial air mass flow of the cold air mass flow flowing through the cold air flow path 9.
  • the partial air mass flow conducted through the first flow channel 3 as in the method explained with reference to FIG. 1, can be regulated.
  • the partial air mass flow through the first flow channel 3 is reduced.
  • the louver 1 1 When the louver 1 1 is closed and the louvers 16, 19 open, the air mass flow reheated when the capacitor 7 flows over is introduced into the passenger compartment without being mixed up. A portion of the conditioned during the overflow of the evaporator 6 cold air mass flow is passed through the open louver 12 through the cold air flow path 10 in the environment of the air conditioning system 1.
  • louver 15 can be opened by opening the louver 15 both with open louvers 1 1, 16, 19 as well as with closed louver 1 and 1 Heilleiteinnchtungen 16, 19 an additional air mass flow to be mixed in the overflow of the evaporator 6 preconditioned cold air mass flow.
  • the mixed air mass flow is then passed to the condenser 7.
  • the cold air mass flow cooled and / or dehumidified when the evaporator 6 flows through can be mixed with the warm air mass flow conducted through the hot air flow path 17 and heated during the overflow of the condenser 7.
  • a reheated or heated partial air mass flow can be discharged through the hot air flow path 18 into the environment of the air conditioning system 1.
  • the exiting from the condenser 7 hot air mass flow is thus divided into a guided over the hot air flow path 18 in the environment partial air mass flow and in a to be initiated via the hot air flow path 17 in the passenger compartment partial air mass flow in a required ratio or completely one of the hot air flow paths 17, 18 assigned.
  • FIG. 5 is an air conditioning system 1 with two independent fans 5a, 5b, two air guide flaps 1 1, 16 and an air outlet flap 12 in the cold air flow path 10 shows.
  • the air conditioning system 1 from FIG. 5 has the second independent fan 5b instead of the air guiding device 15 in the bypass channel 14.
  • the separately controllable fans 5a, 5b cause an advantageous dynamics of the air conditioning system 1, since the first flow channel 3 with the evaporator 6 and the second flow channel 4 with the capacitor 7 with Air mass flows of different speeds can be acted upon and thus allow rapid response to changing operating conditions.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Klimatisierungssystem (1) zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges, aufweisend ein Gehäuse (2) mit einem ersten und einem zweiten Strömungskanal (3, 4) zum Leiten von Luft sowie einen Kältemittelkreislauf mit mindestens zwei Wärmeübertragern, wobei ein erster Wärmeübertrager im ersten Strömungskanal (3) und ein zweiter Wärmeübertrager im zweiten Strömungskanal (4) angeordnet ist. Das Klimatisierungssystem (1) ist für einen Betrieb im Kälteanlagenmodus und im Wärmepumpenmodus sowie im Nachheizmodus ausgebildet. Der erste Wärmeübertrager ist dabei unabhängig vom Betriebsmodus als Verdampfer (6) und der zweite Wärmeübertrager als Kondensator (7) ausgebildet und betreibbar. Das Gehäuse (2) weist mindestens eine Luftleiteinrichtung (12, 20) auf, mit welcher ein im Klimatisierungssystem (1) konditionierter Luftmassenstrom in die Umgebung ableitbar ist. Der Kältemittelkreislauf ist mit einem Wärmeübertrager ausgebildet, welcher außerhalb des Gehäuses (2) angeordnet und als Verdampfer oder Kondensator betreibbar ist. Die Erfindung betrifft auch Verfahren zum Betreiben des Klimatisierungssystems (1) im Nachheizmodus und im Wärmepumpenmodus.

Description

Klimatisierungssystem für ein Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Klimatisierungssystem zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges. Das Klimatisierungssystem weist ein Gehäuse mit einem ersten Strömungskanal und einem zweiten Strömungskanal zum Leiten von Luft sowie einen Kältemittelkreislauf mit mindestens zwei Wärmeübertragern auf. Ein erster Wärmeübertrager ist im ersten Strömungskanal und ein zweiter Wärmeübertrager ist im zweiten Strömungskanal angeordnet.
Des Weiteren betrifft die Erfindung Verfahren zum Betreiben des Klimatisierungssystems für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Wärmepumpenmodus sowie für einen Nachheizmodus zur Konditionierung der Luft des Fahrgastraumes im Nachheizmodus sowie im Wärmepumpenmodus.
Seit Längerem zum Stand der Technik gehörende Klimaanlagen konditionieren die in den Fahrgastraum einzuleitende Luft, wobei die im Wärmepumpenmodus oder im Nachheizmodus zur Erwärmung des Luftmassenstromes erforderliche Wärme aus unterschiedlichen Wärmequellen aufgenommen wird.
Gattungsgemäße Klimaanlagen mit Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager, welche die Heizleistung aus dem Kühlmittelkreislauf eines effizienten Verbrennungsmotors des Fahrzeugantriebs beziehen, erreichen zum einen bei geringen Umgebungstemperaturen, zum Beispiel weniger als -10 °C, nicht mehr das für eine komfortable Aufheizung des Fahrzeuginnenraumes erforderliche Temperaturniveau. Ähnliches gilt für Anlagen in Fahrzeugen mit Hybridantrieb. Für diese Fahrzeuge ist der Einsatz von Zuheizkonzepten notwendig. Zum anderen wird dem Kühlmittel Wärme entzogen, sodass der Verbrennungsmotor längere Zeit bei geringen Temperaturen betrieben wird, was sich negativ auf die Abgasemissionen und den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Aufgrund des intermittierenden Betriebes des Verbrennungsmotors bei Hybridfahrzeugen wird bei längeren Fahrten keine ausreichend hohe Kühlmitteltemperatur mehr erreicht. Infolgedessen wird der Start-Stop-Betrieb des Verbrennungsmotors bei geringen Umgebungstemperaturen ausgesetzt. Der Verbrennungsmotor wird nicht abgeschaltet.
Zudem besteht der Trend zur vollständigen Elektrifizierung des Antriebs, wie zum Beispiel bei mit Batterien oder Brennstoffzellen angetriebenen Fahrzeugen. Dabei entfällt die Abwärme des Verbrennungsmotors als mögliche Wärmequelle für die Erwärmung der Luft.
Die in der Batterie des Fahrzeuges speicherbare Energiemenge ist außerdem geringer als die in Form von flüssigem Kraftstoff innerhalb des Kraftstofftanks speicherbare Energiemenge. Damit hat die für die Klimatisierung des Fahrgastraumes eines elektrisch angetriebenen Fahrzeuges benötigte Leistung zudem einen wesentlichen Einfluss auf die Reichweite des Fahrzeuges.
Aus dem Stand der Technik sind Klimaanlagen für Kraftfahrzeuge für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Wärmepumpenmodus zum Heizen, Kühlen und Entfeuchten der dem Fahrgastraum zuzuführenden und zu konditionierenden Luft bekannt.
Die DE 102 44 954 A1 offenbart eine Fahrzeugklimaanlage mit einem Wärmeübertrager eines Wärmepumpenkühlzyklus in einem Klimaanlagengehäuse. Der Wärmeübertrager dient dem Erwärmen oder Kühlen durchströmender Luft. Das Klimaanlagengehäuse ist mit einem Bypasskanal ausgebildet, durch welchen Luft an eine Abströmseite unter Bypass des Wärmeübertragers strömt.
Ebenso sind Klimaanlagen mit Wärmepumpenfunktion bekannt, bei welchen der Verdampfer sowohl im Kälteanlagenmodus als auch im Wärmepumpenmodus als Verdampfer und der Kondensator ebenfalls sowohl im Kälteanlagenmodus als auch im Wärmepumpenmodus als Kondensator betrieben werden. Die Klimaanlagen sind entweder kältemittelkreislaufseitig und/oder luftseitig gesteuert. Aus der FR 2 743 027 A1 geht eine Fahrzeugklimaanlage mit einem herkömmlichen Kältemittelkreislauf, aufweisend lediglich einen Verdampfer, einen Verdichter, einen Kondensator und ein Expansionsorgan, hervor. Die Wärmeübertrager sind in separaten, voneinander zumindest strömungstechnisch getrennt ausgebildeten Strömungskanälen angeordnet. Die Strömungskanäle weisen Querverbindungen oder Bypässe auf. Die mittels Gebläsen angesaugten Luftmassenströme werden durch Verschließen und Öffnen von Klappen sowie Hindurchleiten durch die Bypässe je nach Bedarf und Betriebsmodus über die Flächen der Wärmeübertrager geleitet. Dabei werden die Luftmassenströme gekühlt und/oder entfeuchtet beziehungsweise erwärmt sowie anschließend in den Fahrgastraum und/oder die Umgebung verbracht.
Mit den luftseitig gesteuerten Klimaanlagen ist jedoch kein Betrieb im Nachheizmodus, auch als Reheat bezeichnet, möglich. Die für einen zusätzlichen Nachheizbetrieb ausgebildeten Klimaanlagen weisen wiederum einen komplizierten Kältemittelkreislauf mit einer Vielzahl an Komponenten, wie Wärmeübertrager, Umschaltventile und Expansionsventile, auf.
Im „Reheat"- beziehungsweise Nachheizbetrieb wird die dem Fahrgastraum zugeführte Luft abgekühlt und dabei entfeuchtet, anschließend wird die entfeuchtete Luft geringfügig aufgeheizt. In diesem Betriebsmodus ist die erforderliche Nachheizleistung zumeist geringer als die erforderliche Kälteleistung zum Kühlen und Entfeuchten der Luft.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Klimaanlagen weisen einen Strömungskanal auf, durch welchen stromaufwärtig je nach Lufteinlassbetriebsart Frischluft aus der Umgebung beziehungsweise Umluft aus dem Fahrgastraum angesaugt, konditioniert und stromabwärtig durch eine Luftauslassumschaltvorrichtung in den Fahrgastraum geleitet wird. Die Klimaanlagen weisen jedoch keine Luftaustrittsklappe auf, mit welcher die abgekühlte oder erwärmte Luft in die Umgebung der Klimaanlage oder zumindest außerhalb des Fahrgastraumes verbracht werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Klimatisierungssystem mit Heizfunktionalität, insbesondere für die Anwendung in Kraftfahrzeugen, zur Verfügung zu stellen. Das System sollte zudem für den kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Wärmepumpenmodus sowie den Nachheizmodus zum Heizen, Kühlen und Entfeuchten der zu konditionierenden Luft des Fahrgastraumes ausgelegt sein. Dabei soll der Betrieb auch in Umgebungen mit Wärmequellen geringer Kapazität, wie zum Beispiel bei energieeffizienten Verbrennungsmotoren oder Hybridantrieben aus Verbrennungsmotor und Elektromotor beziehungsweise bei nicht vorhandenen Wärmequellen aus dem Antrieb, wie zum Beispiel bei elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen, alle Anforderungen an ein komfortables Klima im Fahrgastraum erfüllend, möglich sein.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Klimatisierungssystem zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges gelöst. Das Klimatisierungssystem weist ein Gehäuse mit einem ersten und einem zweiten Strömungskanal zum Leiten von Luft sowie einen Kältemittelkreislauf mit mindestens zwei Wärmeübertragern auf, wobei ein erster Wärmeübertrager im ersten Strömungskanal und ein zweiter Wärmeübertrager im zweiten Strömungskanal angeordnet ist.
Nach der Konzeption der Erfindung ist das Klimatisierungssystem für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Wärmepumpenmodus zum Kühlen und zum Heizen des Fahrgastraumes sowie für einen Nachheizmodus ausgebildet. Der erste Wärmeübertrager ist unabhängig vom Betriebsmodus als Verdampfer und der zweite Wärmeübertrager ist unabhängig vom Betriebsmodus als Kondensator ausgebildet und betreibbar. Das Gehäuse weist mindestens eine Luftleiteinrichtung auf, mit welcher ein im Klimatisierungssystem konditionierter Luftmassenstrom in die Umgebung ableitbar ist.
Der Kältemittelkreislauf ist erfindungsgemäß mit einem Wärmeübertrager ausgebildet, welcher außerhalb des Gehäuses angeordnet und je nach Bedarf und Betriebsmodus als Verdampfer oder als Kondensator betreibbar ist.
Während der im ersten Strömungskanal angeordnete Wärmeübertrager unabhängig vom Betriebsmodus stets als Verdampfer und der im zweiten Strömungskanal angeordnete Wärmeübertrager unabhängig vom Betriebsmodus stets als Kondensator betrieben wird und dementsprechend ausgebildet ist, wird der außerhalb des Gehäuses angeordnete dritte Wärmeübertrager je nach Bedarf und Betriebsmodus entweder zur Wärmeaufnahme durch das Kältemittel als Verdampfer oder zur Wärmeabgabe vom Kältemittel als Kondensator betrieben. Da die ausschließlich als Verdampfer beziehungsweise Kondensator betreibbaren Wärmeübertrager in den Strömungskanälen und damit innerhalb des Gehäuses angeordnet sind, werden diese als innere Wärmeübertrager bezeichnet, während der dritte Wärmeübertrager außerhalb des Gehäuses angeordnet ist und folglich als äußerer Wärmeübertrager bezeichnet wird.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind am ersten Strömungskanal in Strömungsrichtung der Luft nach dem Verdampfer die Luftleiteinrichtung und ein zusätzlicher Kaltluft-Strömungspfad ausgebildet. Damit ist ein durch den ersten Strömungskanal hindurchgeleiteter und konditionierter Luftmassenstrom in Teilluftmassenströme aufteilbar, wobei ein erster Teilluftmassenstrom durch einen Kaltluft-Strömungspfad in den Fahrgastraum und ein zweiter Teilluftmassenstrom durch den zusätzlichen Kaltluft-Strömungspfad in die Umgebung des Gehäuses leitbar sind. Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass am zweiten Strömungskanal in Strömungsrichtung der Luft nach dem Kondensator eine Luftleiteinrichtung und ein zusätzlicher Warmluft-Strömungspfad ausgebildet sind. Damit ist ein durch den zweiten Strömungskanal hindurchgeleiteter und konditionierter Luftmassenstrom in Teilluftmassenströme aufteilbar, wobei ein erster Teilluftmassenstrom durch einen Warmluft-Strömungspfad in den Fahrgastraum und ein zweiter Teilluftmassenstrom durch den zusätzlichen Warmluft-Strömungspfad in die Umgebung des Gehäuses leitbar sind.
Durch die Ausbildung der Luftleiteinrichtungen mit zusätzlichem Kaltluft- Strömungspfad beziehungsweise zusätzlichem Warmluft-Strömungspfad kann ein erwärmter und/oder ein abgekühlter Luftmassenstrom jeweils entweder in den Fahrgastraum oder anderweitig in die Umgebung des Gehäuses, das heißt aus dem Gehäuse heraus, geleitet werden. Zum Beispiel können die derart konditionierten Luftmassenströme beim Einsatz in Elektro- und Hybridfahrzeugen für die Erwärmung oder Abkühlung der Batterien, Brennstoffzellen oder anderer Antriebskomponenten genutzt werden.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind der Verdampfer, der Kondensator und der außerhalb des Gehäuses angeordnete Wärmeübertrager als Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager ausgebildet.
Der äußere Wärmeübertrager nutzt folglich je nach Bedarf und Betriebsmodus bei der Wärmeaufnahme durch das Kältemittel die Luft als Wärmequelle oder bei der Wärmeabgabe vom Kältemittel an die Luft die Luft als Wärmesenke.
Das Klimatisierungssystem ist bevorzugt mit mindestens einem Gebläse ausgebildet, welches einen Luftmassenstrom durch das Klimatisierungssystem fördert.
Der Luftmassenstrom wird je nach Betriebsmodus durch den ersten Strömungskanal oder durch den zweiten Strömungskanal geleitet oder der Luftmassenstrom wird auf den ersten Strömungskanal und den zweiten Strömungskanal anteilig aufgeteilt.
Nach einer alternativen Ausgestaltung ist das Klimatisierungssystem mit zwei unabhängig voneinander betreibbaren Gebläsen ausgebildet, wobei ein erstes Gebläse einen Luftmassenstrom in den ersten Strömungskanal und ein zweites Gebläse einen Luftmassenstrom in den zweiten Strömungskanal fördert.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Bypasskanal um den Verdampfer ausgebildet. Der Bypasskanal kann vorteilhaft mit einer Luftleiteinrichtung geöffnet beziehungsweise geschlossen werden, sodass ein vom Gebläse geförderter Luftmassenstrom bei geöffneter Luftleiteinrichtung um den Verdampfer herumleitbar ist. Der Bypasskanal mündet bevorzugt in den zweiten Strömungskanal.
Jeder Strömungskanal ist vorteilhaft mit Frischluft aus der Umgebung, Umluft aus dem Fahrgastraum oder einer Mischung aus Frischluft und Umluft beaufschlagbar. Die Strömungskanäle sind bevorzugt derart angeordnet, dass die Strömungsrichtungen der Luftmassenströme in Richtung des Fahrgastraumes im Wesentlichen identisch sind.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Wärmepumpenmodus zum Kühlen und zum Heizen sowie für einen Nachheizmodus zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges, umfasst im Nachheizmodus folgende Schritte:
- Fördern eines Luftmassenstromes in einem Gehäuse des Klimatisierungssystems,
- Abkühlen des Luftmassenstromes beim Überströmen eines Verdampfers eines Kältemittelkreislaufes und - Aufteilen des abgekühlten Luftmassenstromes in einen Teilluftmassenstrom, welcher in die Umgebung abgeleitet wird, einen Teilluftmassenstrom zum Nachheizen sowie einen Kaltluftmassenstrom, wobei der abgekühlte Luftmassenstrom jeweils im Verhältnis zwischen 0 % und 100 % aufgeteilt wird und der Anteil des Teilluftmassenstromes zum Nachheizen größer als 0 % ist,
- Erwärmen des Teilluftmassenstromes zum Nachheizen beim Überströmen eines Kondensators des Kältemittelkreislaufes, wobei die im Verdampfer vom Kältemittel aufgenommene Wärme anteilig im Kondensator und einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Wärmeübertrager abgegeben wird,
- Mischen des nachgeheizten Teilluftmassenstromes mit dem vorkonditionierten Kaltluftmassenstrom und
- Einleiten des vermischten Luftmassenstromes in den Fahrgastraum.
Unter dem Aufteilen des abgekühlten Luftmassenstromes in einem Verhältnis von 0 % beziehungsweise 100 % mit einem Anteil des Teilluftmassenstromes zum Nachheizen von mehr als 0 % ist zu verstehen, dass der Anteil des nicht als Teilluftmassenstrom zum Nachheizen geführten Luftmassenstromes vollständig in die Umgebung abgeleitet oder vollständig als Kaltluftmassenstrom weitergeleitet wird. Bei einer von 0 % oder 100 % abweichenden Aufteilung wird ein Anteil des nicht als Teilluftmassenstrom zum Nachheizen geführten Luftmassenstromes in die Umgebung abgeleitet und ein Anteils als Kaltluftmassenstrom weitergeleitet.
Das Mischen des nachgeheizten Teilluftmassenstromes mit dem vorkonditionierten Kaltluftmassenstrom ist folglich vom Verhältnis der Aufteilung des abgekühlten Luftmassenstromes in den Teilluftmassenstrom, welcher in die Umgebung abgeleitet wird, und den Kaltluftmassenstrom abhängig. Es versteht sich, dass das Mischen des nachgeheizten Teilluftmassenstromes mit dem vorkonditionierten Kaltluftmassenstrom nur in den Fällen erfolgt, in welchen der vorkonditionierte Kaltluftmassenstrom einen Anteil von mehr als 0 % aufweist. Ein alternatives erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Wärmepumpenmodus zum Kühlen und zum Heizen sowie für einen Nachheizmodus zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges, umfasst im Nachheizmodus folgende Schritte:
- Fördern eines ersten und eines zweiten Teilluftmassenstromes in einem Gehäuse des Klimatisierungssystems,
- Abkühlen des ersten Teilluftmassenstromes beim Überströmen eines Verdampfers eines Kältemittelkreislaufes und
- Aufteilen des abgekühlten ersten Teilluftmassenstromes in einen Teilluftmassenstrom, welcher in die Umgebung abgeleitet wird, einen Teilluftmassenstrom zum Nachheizen sowie einen Kaltluftmassenstrom, wobei der abgekühlte erste Teilluftmassenstrom jeweils im Verhältnis zwischen 0 % und 100 % aufgeteilt wird,
- Mischen des Teilluftmassenstromes zum Nachheizen mit dem zweiten Teilluftmassenstrom,
- Erwärmen des aus dem Teilluftmassenstrom zum Nachheizen mit dem zweiten Teilluftmassenstrom vermischten Luftmassenstromes beim Überströmen eines Kondensators des Kältemittelkreislaufes, wobei die im Verdampfer vom Kältemittel aufgenommene Wärme anteilig im Kondensator und einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Wärmeübertrager abgegeben wird,
- Mischen des beim Überströmen des Kondensators erwärmten Luftmassenstromes mit dem vorkonditionierten Kaltluftmassenstrom und
- Einleiten des vermischten Luftmassenstromes in den Fahrgastraum.
Unter dem Aufteilen des abgekühlten ersten Teilluftmassenstromes in einem Verhältnis von 0 % beziehungsweise 100 % ist zu verstehen, dass der gesamte abgekühlte erste Teilluftmassenstrom in die Umgebung abgeleitet, als Teilluftmassenstrom zum Nachheizen oder als Kaltluftmassenstrom weitergeleitet wird. Bei einer von 0 % oder 100 % abweichenden Aufteilung wird sowohl ein Anteil des abgekühlten ersten Teilluftmassenstromes in die Umgebung, als Teilluftmassenstrom zum Nachheizen und/oder als Kaltluftmassenstrom geführt. Dabei kann wiederum ein Anteil der Teilluftmassenströme Null sein.
Das Mischen des Teilluftmassenstromes zum Nachheizen mit dem zweiten Teilluftmassenstrom ist folglich vom Verhältnis der Aufteilung des abgekühlten ersten Teilluftmassenstromes in den Teilluftmassenstrom, welcher in die Umgebung abgeleitet wird, den Teilluftmassenstrom zum Nachheizen sowie den Kaltluftmassenstrom abhängig. Es versteht sich, dass das Mischen des Teilluftmassenstromes zum Nachheizen mit dem zweiten Teilluftmassenstrom nur in den Fällen erfolgt, in welchen der Teilluftmassenstrom zum Nachheizen einen Anteil von mehr als 0 % aufweist. Auch das anschließende Erwärmen beim Überströmen des Kondensators des Kältemittelkreislaufes bezieht sich dementsprechend auf den aus dem Teilluftmassenstrom zum Nachheizen mit dem zweiten Teilluftmassenstrom vermischten Luftmassenstrom beziehungsweise den unvermischten zweiten Teilluftmassenstrom.
Das Mischen des beim Überströmen des Kondensators erwärmten Luftmassenstromes mit dem vorkonditionierten Kaltluftmassenstrom ist wiederum vom Verhältnis der Aufteilung des abgekühlten ersten Teilluftmassenstromes in den Teilluftmassenstrom, welcher in die Umgebung abgeleitet wird, den Teilluftmassenstrom zum Nachheizen sowie den Kaltluftmassenstrom abhängig. Es versteht sich, dass das Mischen des erwärmten Luftmassenstromes mit dem vorkonditionierten Kaltluftmassenstrom nur in den Fällen erfolgt, in welchen der vorkonditionierte Kaltluftmassenstrom einen Anteil von mehr als 0 % aufweist.
Bei den alternativen Verfahren im Nachheizmodus wird die im Verdampfer vom Kältemittel aufgenommene Wärme jeweils entweder zu 100 % im Kondensator wieder abgegeben oder es wird ein Anteil der abzugebenden Wärme über den außerhalb des Gehäuses angeordneten Wärmeübertrager abgeführt, wobei der Anteil kleiner als 100 % ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Wärmepumpenmodus zum Kühlen und zum Heizen sowie für einen Nachheizmodus zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges, umfasst im Wärmepumpenmodus folgende Schritte:
- Fördern eines ersten Teilluftmassenstromes und eines zweiten Teilluftmassenstromes in einem Gehäuse eines Klimatisierungssystems,
- Abkühlen und/oder Entfeuchten des ersten Teilluftmassenstromes beim Überströmen eines Verdampfers eines Kältemittelkreislaufes, wobei der erste Teilluftmassenstrom aus dem Fahrgastraum angesaugt wird,
- Aufteilen des ersten Teilluftmassenstromes in einen Teilluftmassenstrom, welcher in die Umgebung abgeleitet wird, und einen Teilluftmassenstrom zum Einleiten in den Fahrgastraum, wobei der erste Teilluftmassenstrom im Verhältnis zwischen 0 % und 100 % aufgeteilt wird,
- Erwärmen des zweiten Teilluftmassenstromes beim Überströmen eines Kondensators des Kältemittelkreislaufes, wobei die im Kondensator vom Kältemittelkreislauf abgegebene Wärme im Verdampfer und in einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Wärmeübertrager aufgenommen wird,
- Vermischen des Teilluftmassenstromes zum Einleiten in den Fahrgastraum mit dem erwärmten zweiten Teilluftmassenstrom und
- Einleiten des vermischten Luftmassenstromes in den Fahrgastraum.
Unter dem Aufteilen des ersten Teilluftmassenstromes in einem Verhältnis von 0 % beziehungsweise 100 % ist zu verstehen, dass der gesamte Teilluftmassenstrom in die Umgebung abgeleitet oder in den Fahrgastraum eingeleitet wird. Bei einer von 0 % oder 100 % abweichenden Aufteilung werden ein Anteil des ersten Teilluftmassenstromes in die Umgebung und ein Anteil in den Fahrgastraum geführt.
Die erfindungsgemäße Lösung weist zusammenfassend diverse Vorteile auf:
- effizientes Klimatisierungssystem zum gleichzeitigen Entfeuchten und Heizen,
- schnelle Bereitstellung von warmer Luft bei geringen Umgebungstemperaturen und kaltem Motorkühlwasser bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor,
- Reduzierung der erforderlichen Leistung zum Aufheizen des Fahrgastraumes durch Umluftbetrieb und/oder durch gezielte Luftführung innerhalb der Strömungskanäle,
- effizienter Betrieb im Wärmepumpenmodus durch Erwärmung des Kältemittels auf der Saugdruckseite über Umgebungstemperatur, wobei der Verdampfer mit Teilumluft oder Umluft beaufschlagt wird, sodass die Temperatur der Luft vor dem Verdampfer größer ist als die Temperatur der Umgebungsluft,
- Ableiten von nicht im Fahrgastraum benötigter Luft in die Umgebung sowie
- Anordnung des äußeren Wärmeübertragers unabhängig vom Gehäuse des Klimatisierungssystems und damit keine Beeinflussung des Bauraumvolumens des Gehäuses.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. In den Fig. 1 bis Fig. 4 ist jeweils ein Klimatisierungssystem mit zwei Strömungskanälen beziehungsweise Kaltluft- und Warmluft-Strömungspfaden sowie zwei Wärmeübertragern dargestellt, welche als Verdampfer und Kondensator betreibbar sind. Dabei zeigen ein Klimatisierungssystem mit: Fig. 1 : zwei Luftführungsklappen und einer Luftaustrittsklappe in einem Kaltluft-Strömungspfad,
Fig. 2: zwei Luftführungsklappen, einer Luftaustrittsklappe in einem Kaltluft- Strömungspfad sowie einem Bypasskanal um den Verdampfer mit dazugehöriger Luftführungsklappe,
Fig. 3: drei Luftführungsklappen und jeweils einer Luftaustrittsklappe in einem Kaltluft-Strömungspfad und einem Warmluft-Strömungspfad,
Fig. 4: drei Luftführungsklappen, jeweils einer Luftaustrittsklappe in einem
Kaltluft-Strömungspfad und einem Warmluft-Strömungspfad sowie einem Bypasskanal um den Verdampfer mit dazugehöriger Luftführungsklappe und
Fig. 5: zwei unabhängigen Gebläsen, zwei Luftführungsklappen und einer
Luftaustrittsklappe in einem Kaltluft-Strömungspfad.
Fig. 1 zeigt ein Klimatisierungssystem 1 mit einem Gehäuse 2, aufweisend einen ersten Strömungskanal 3 sowie einen zweiten Strömungskanal 4, wobei mit einem Gebläse 5 sowohl ein Luftmassenstrom durch den ersten Strömungskanal 3 als auch durch den zweiten Strömungskanal 4 gefördert werden kann. Die Strömungskanäle 3, 4 sind mit Frischluft aus der Umgebung, Umluft aus dem Fahrgastraum oder einer Mischung aus Frischluft und Umluft beaufschlagbar.
In Strömungsrichtung der Luft nach dem Gebläse 5 ist ein Verdampfer 6 eines nicht dargestellten Kältemittelkreislaufes angeordnet. Nach dem Verdampfer 6 ist der Luftmassenstrom mit Hilfe von Luftleiteinrichtungen 1 1 , 12, 13 auf die Strömungskanäle 3, 4 aufteilbar. Der erste und der zweite Strömungskanal 3, 4 werden durch die Trennwand 8 voneinander getrennt.
Die Luftleiteinrichtung 1 1 dient dem Öffnen und Verschließen eines Kaltluft- Strömungspfades 9, welcher sich durch den ersten Strömungskanal 3 erstreckt. Mittels der Luftleiteinrichtung 12 kann ein bestimmter Anteil des beim Überströmen des Verdampfers 6 konditionierten Luftmassenstromes aus dem Klimatisierungssystem 1 abgeführt werden. Die Luftleiteinrichtung 13 dient dem Öffnen und Verschließen des Eintritts in den zweiten Strömungskanal 4. Im Anschluss an die Luftleiteinrichtung 13 ist innerhalb des zweiten Strömungskanals 4 ein Kondensator 7 des Kältemittelkreislaufes vorgesehen. Der Verdampfer 6 und der Kondensator 7 sind jeweils als luftbeauschlagte Wärmeübertrager ausgebildet. Der Verdampfer 6 nimmt dabei den gesamten Strömungsquerschnitt der Strömungskanäle 3, 4 ein. Verdampfer 6 und Kondensator 7 werden aufgrund der Anordnung innerhalb der Strömungskanäle 3, 4 und damit innerhalb des Gehäuses 2 auch als innere Wärmeübertrager bezeichnet.
Das Gebläse 5 führt die angesaugte Luft als Luftmassenstrom zum Verdampfer 6. Beim Überströmen der Wärmeübertragungsflächen des Verdampfers 6 wird der Luftmassenstrom abgekühlt und/oder entfeuchtet.
Der aus dem Verdampfer 6 austretende Kaltluftmassenstrom wird als Teilluftmassenstrom durch den ersten Strömungskanal 3 über den Kaltluft- Strömungspfad 9 in Richtung des Fahrgastraumes, über den Kaltluft- Strömungspfad 10 in die Umgebung des Klimatisierungssystems 1 und/oder durch den zweiten Strömungskanal 4 in Richtung des Fahrgastraumes geleitet. Der Kaltluftmassenstrom wird dabei in einem erforderlichen Verhältnis aufgeteilt oder vollständig einem der Kaltluft-Strömungspfade 9, 10 beziehungsweise dem zweiten Strömungskanal 4 zugewiesen. Der Kaltluftmassenstrom wird dabei mittels der als Klappen ausgebildeten Luftleiteinrichtungen 1 1 , 12, 13 aufgeteilt.
Beim Überströmen der Wärmeübertragungsflächen des Kondensators 7 wird der Teilluftmassenstrom erwärmt.
Beim Betrieb im Kälteanlagenmodus, das heißt dem Abkühlen der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft, sind die Luftleiteinrichtungen 12, 13 geschlossen. Die Luftleiteinrichtung 1 1 ist derart ausgerichtet, dass der Luftmassenstrom durch den Kaltluft-Strömungspfad 9 zum Fahrgastraum geleitet wird. Der Kaltluft-Strömungspfad 9 ist geöffnet. Das Gebläse 5 fördert die Luft zum Verdampfer 6. Die Luft wird abgekühlt beziehungsweise entfeuchtet und strömt durch den ersten Strömungskanal 3 durch den Kaltluft-Strömungspfad 9 in den Fahrgastraum.
Die im Verdampfer 6 vom Kältemittel aufgenommene Wärme wird in einem nichtdargestellten, im Kältemittelkreislauf integrierten Wärmeübertrager abgegeben. Der im Kälteanlagenmodus als Kondensator betriebene Wärmeübertrager ist außerhalb des Gehäuses 2 angeordnet. Die Anordnung des Wärmeübertragers, welcher die Umgebungsluft als Wärmesenke nutzt, an der Fahrzeugfront ermöglicht die Anströmung der Wärmeübertragungsfläche mit Fahrtwind, was den Vorgang der Wärmeübertragung ohne den Einsatz zusätzlicher Komponenten, wie Lüfter, verbessert. Aufgrund der Anordnung außerhalb des Gehäuses 2 wird der Wärmeübertrager auch als äußerer Wärmeübertrager bezeichnet.
Beim Betrieb im Wärmepumpenmodus, das heißt dem Erwärmen der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft, sind die Luftleiteinrichtungen 1 1 , 12 geschlossen. Die Luftleiteinrichtung 13 ist geöffnet, sodass der Luftmassenstrom durch den Warmluft-Strömungspfad 17 zum Fahrgastraum geleitet wird. Im Verdampfer 6 wird keine Wärme übertragen.
Die im Kondensator 7 vom Kältemittel an die Luft abgegebene Wärme wird im nichtdargestellten äußeren Wärmeübertrager aufgenommen, welcher im Wärmepumpenmodus als Verdampfer betrieben wird.
Beim Betrieb im Nachheizmodus sind die Luftleiteinrichtungen 1 1 , 12, 13 je nach Bedarf in verschiedenen Positionen zwischen vollständig geöffnet bis vollständig geschlossen angeordnet. Durch die Stellungen der Luftleiteinrichtungen 1 1 , 12, 13 sowie der Drehzahl des Gebläses 5 wird der aufzuwärmende Luftmassenstrom variiert.
Bei geöffneten Luftleiteinrichtungen 1 1 , 13 wird der beim Überströmen der Wärmeübertragungsfläche des Kondensators 7 wiedererwärmte Teilluftmassenstrom mit dem durch den Kaltluft-Strömungspfad 9 strömenden Teilluftmassenstrom des Kaltluftmassenstromes vermischt. Der Teilluftmassenstrom durch den ersten Strömungskanal 3 kann über die Verstellung der Luftleiteinrichtung 12 reguliert werden. Bei geöffneter Luftleiteinrichtung 12 wird der Teilluftmassenstrom durch den ersten Strömungskanal 3 je nach Stellung der Luftleiteinrichtung 12 verringert.
Bei geschlossener Luftleiteinrichtung 1 1 wird der beim Überströmen des Kondensators 7 wiedererwärmte Luftmassenstrom unvermischt in den Fahrgastraum geleitet. Ein Teil des beim Überströmen des Verdampfers 6 konditionierten Kaltluftmassenstromes wird durch die geöffnete Luftleiteinrichtung 12 durch den Kaltluft-Strömungspfad 10 in die Umgebung des Klimatisierungssystems 1 abgeleitet.
Neben der Übertragung der Wärme im Verdampfer 6 und im Kondensator 7 kann zusätzlich Wärme im ebenfalls als Verdampfer oder Kondensator betreibbaren, nichtdargestellten äußeren Wärmeübertrager übertragen werden.
Während in Fig. 1 das Klimatisierungssystem 1 mit zwei Luftführungsklappen 1 1 , 13 und einer Luftaustrittsklappe 12 im Kaltluft-Strömungspfad 10 dargestellt ist, zeigt Fig. 2 das Klimatisierungssystem 1 mit zwei Luftführungsklappen 1 1 , 16, der Luftaustrittsklappe 12 im Kaltluft-Strömungspfad 10 sowie einen Bypasskanal 14 um den Verdampfer 6 mit einer dazugehörigen als Luftführungsklappe ausgebildeten Luftleiteinrichtung 15.
Im Unterschied zur Ausführungsform nach Fig. 1 erstreckt sich der Verdampfer 6 nicht über den gesamten Strömungsquerschnitt der Strömungskanäle 3, 4. Vielmehr ist der Strömungsquerschnitt aufgeteilt in einen Bereich, in welchem der Verdampfer 6 angeordnet ist und einen parallel dazu ausgebildeten Bypasskanal 14. Der Bypasskanal 14 ist mittels der Luftleiteinrichtung 15 verschließbar.
Der erste und der zweite Strömungskanal 3, 4 werden durch eine zweigeteilte Trennwand 8a, 8b voneinander getrennt. Der erste Teil der Trennwand 8a entspricht der Trennwand 8 aus Fig. 1 . Der zweite Teil der Trennwand 8b grenzt den Bypasskanal 14 vom Verdampfer 6 ab. Die beiden Teilsegmente der Trennwand 8a, 8b sind über eine Luftleiteinrichtung 16 derart miteinander verbunden, dass die ebenfalls als Luftführungsklappe ausgebildete Luftleiteinrichtung 16 im geschlossenen Zustand in Verbindung mit den Teilsegmenten der Trennwand 8a, 8b den ersten und den zweitem Strömungskanal 3, 4 strömungstechnisch zueinander abdichten.
Beim Betrieb im Kälteanlagenmodus sind die Luftleiteinrichtungen 12, 16 geschlossen. Die Luftleiteinrichtung 1 1 ist geöffnet, sodass der vom Gebläse 5 geförderte und beim Überströmen des Verdampfers 6 konditionierte Luftmassenstrom durch den geöffneten Kaltluft-Strömungspfad 9 zum Fahrgastraum geleitet wird. Die bei der Verdampfung des Kältemittels aufgenommene Wärme wird in dem nichtdargestellten, als Kondensator betriebenen, außerhalb des Klimatisierungssystems 1 angeordneten Wärmeübertrager wieder abgegeben.
Beim Betrieb im Wärmepumpenmodus, das heißt beim reinen Heizbetrieb, sind die Luftleiteinrichtungen 1 1 , 16 geschlossen. Die Luftleiteinrichtungen 12, 15 sind geöffnet, sodass ein vom Gebläse 5 geförderter erster Teilluftmassenstrom beim Überströmen des Verdampfers 6 Wärme an das Kältemittel abgibt und anschließend durch den Kaltluft-Strömungspfad 10 in die Umgebung des Klimatisierungssystems 1 verbracht wird. Der über den Verdampfer 6 geleitete Luftmassenstrom aus Umluft aus dem Fahrgastraum, Frischluft aus der Umgebung oder einer Mischung aus Umluft und Frischluft dient dabei als Wärmequelle. Ein zweiter Teilluftmassenstrom wird durch den Bypasskanal 14 zum Kondensator 7 geführt, nimmt dort Wärme auf und wird in den Fahrgastraum geleitet.
Im nichtdargestellten, außerhalb des Gehäuses 2 des Klimatisierungssystems 1 angeordneten, als Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager kann zusätzliche Wärme an das Kältemittel übertragen werden, welche bei Bedarf an den zu erwärmenden Teilluftmassenstrom für den Fahrgastraum abgegeben werden kann.
Im Wärmepumpenmodus besteht folglich die Möglichkeit, Wärme sowohl im Verdampfer 6 als auch im äußeren Wärmeübertrager aufzunehmen. Die Wärmeaufnahme im Verdampfer 6 verringert somit die aus der Umgebung aufzunehmende Wärme am äußeren Wärmeübertrager und die damit verbundene Gefahr der Vereisung des Wärmeübertragers.
Im Wärmepumpenmodus kann bei geringer Last und entsprechend hoher Temperatur der Luft im Fahrgastraum die für die Verdampfung des Kältemittels am Verdampfer 6 zuzuführende Wärme teilweise zu 100 % aus dem Fahrgastraum entnommen werden. Dabei wird die warme Luft als Umluft aus dem Fahrgastraum vom Gebläse 5 angesaugt und über den Verdampfer 6 gefördert. Reicht der aus dem Fahrgastraum angesaugte Luftmassenstrom nicht aus, um die am Verdampfer 6 zuzuführende Wärme bereitzustellen, wird der aus dem Fahrgastraum angesaugte Luftmassenstrom mit einem Luftmassenstrom aus der Umgebung vermischt. Der aus dem Fahrgastraum angesaugte oder vermischte Luftmassenstrom kühlt sich ab und/oder wird entfeuchtet. Je nach Bedarf kann der derart konditionierte Luftmassenstrom in die Umgebung abgeleitet oder in den Fahrgastraum zurückgeführt werden. Wenn die Temperatur des aus dem Verdampfer 6 austretenden Luftmassenstromes höher ist als die Temperatur der Umgebungsluft, ist auch der durch den ersten Strömungskanal 3 geförderte Luftmassenstrom aus Effizienzgründen für die Aufheizung des Fahrgastraumes zu nutzen. Dann werden die durch den ersten Strömungskanal 3 und den zweiten Strömungskanal 4 geförderten Luftmassenströme in den Fahrgastraum geleitet.
Im Wärmepumpenmodus muss zur Aufnahme von Verdampfungswärme aus der Luft die Verdampfungstemperatur des Kältemittels meist 5 K bis 10 K geringer sein als die Temperatur der Luft. Da der Saugdruck im Kältemittelkreislauf maßgeblich durch die Verdampfungstemperatur des Kältemittels vorgegeben wird, führt eine geringe Verdampfungstemperatur zu einem entsprechend geringen Saugdruck.
Wird die Wärme zur Verdampfung des Kältemittels über den Verdampfer 6 aufgenommen, besteht die Möglichkeit, durch Mischung von warmer Luft aus dem Fahrgastraum mit der Frischluft aus der Umgebung die Temperatur der Luft vor dem Verdampfer 6 über die Temperatur der Umgebungsluft zu erhöhen. Diese Erhöhung der Temperatur der Luft vor dem Verdampfer 6 führt zu einem Anstieg der Verdampfungstemperatur des Kältemittels und damit auch des Saugdruckes im Kältemittelkreislauf. Die Erhöhung des Saugdruckes verringert die Leistungsaufnahme des Verdichters, erhöht die Leistungszahl und somit auch die Effizienz des Kältemittelkreislaufes und des Klimatisierungssystems 1 .
Der reine Heizbetrieb mit unkonditionierter Luft wird dann geschaltet, wenn eine Entfeuchtung der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft nicht erforderlich oder nicht gewünscht ist.
Beim Betrieb im Nachheizmodus sind die Luftleiteinrichtungen 1 1 , 12, 15, 16 je nach Bedarf in verschiedenen Positionen zwischen vollständig geöffnet bis vollständig geschlossen angeordnet. Durch die Stellungen der Luftleiteinrichtungen 1 1 , 12, 15, 16 sowie der Drehzahl des Gebläses 5 ist der aufzuwärmende Luftmassenstrom variierbar. Der nichtdargestellte Wärmeübertrager kann je nach Bedarf als Verdampfer oder Kondensator betrieben werden.
Bei geöffneten Luftleiteinrichtungen 1 1 , 15 und geschlossener Luftleiteinrichtung 16 wird der beim Überströmen der Wärmeübertragungsfläche des Kondensators 7 erwärmte Teilluftmassenstrom mit dem durch den Kaltluft-Strömungspfad 9 strömenden Teilluftmassenstrom des Kaltluftmassenstromes vermischt. Der Teilluftmassenstrom durch den ersten Strömungskanal 3 kann über die Verstellung der Luftleiteinrichtung 12 reguliert werden. Bei geöffneter Luftleiteinrichtung 12 wird der Teilluftmassenstrom durch den ersten Strömungskanal 3 je nach Stellung der Luftleiteinrichtung 12 verringert.
Das Klimatisierungssystem 1 mit Wärmepumpenfunktionalität, das heißt mit dem Abkühlen und/oder Entfeuchten sowie anschließendem Erwärmen des Luftmassenstromes, ist im Nachheizmodus, auch als Reheat-Betrieb bezeichnet, betreibbar. Der Nachheizmodus ist dabei als reiner Nachheizbetrieb, das heißt ohne Zumischen von unkonditionierter Luft, möglich. Der gesamte zu erwärmende Luftmassenstrom kann vor dem Erwärmen beim Überströmen der Wärmeübertragungsfläche des Verdampfers 6 abgekühlt und/oder entfeuchtet werden.
Bei geschlossener Luftleiteinrichtung 1 1 und geöffneter Luftleiteinrichtung 16 wird der beim Überströmen des Kondensators 7 wiedererwärmte Luftmassenstrom in den Fahrgastraum geleitet. Bei geöffneter Luftleiteinrichtung 15 kann der beim Überströmen des Verdampfers 6 vorkonditionierte Kaltluftmassenstrom mit dem durch den Bypasskanal 14 geleiteten Teilluftmassenstrom vermischt werden. Ein Teil des beim Überströmen des Verdampfers 6 konditionierten Kaltluftmassenstromes wird durch die geöffnete Luftleiteinrichtung 12 durch den Kaltluft-Strömungspfad 10 in die Umgebung des Klimatisierungssystems 1 abgeleitet.
Fig. 3 zeigt eine Weiterbildung des Klimatisierungssystems 1 nach Fig. 1 mit zwei zusätzlichen, innerhalb des zweiten Strömungskanals 4 angeordneten Luftleiteinrichtungen 19, 20. Das Klimatisierungssystem 1 gemäß Fig. 3 weist somit drei als Luftführungsklappen ausgebildete Luftleiteinrichtungen 1 1 , 13, 19 und jeweils eine als Luftaustrittsklappe im Kaltluft-Strömungspfad 10 und im Warmluft-Strömungspfad 18 ausgebildete Luftleiteinrichtung 12, 20 auf. Auf die am Eintritt in den zweiten Strömungskanal 4 angeordnete Luftleiteinrichtung 13 kann auch verzichtet werden. Der Betrieb im Kälteanlagenmodus erfolgt gleich dem zu Fig. 1 beschriebenen Verfahren. Bei Verzicht auf die Luftleiteinrichtung 13 sind die Luftleiteinrichtungen 19, 20 geschlossen.
Beim Betrieb im Wärmepumpenmodus sind die Luftleiteinrichtungen 1 1 , 12 geschlossen. Die Luftleiteinrichtung 13 ist, wenn vorhanden, geöffnet, sodass der vom Gebläse 5 geförderte Luftmassenstrom durch den zweiten Strömungskanal 4, über den Kondensator 7 strömt und erwärmt wird. Im Verdampfer 6 wird keine Wärme übertragen.
Die Luftleiteinrichtung 20 ist geschlossen. Der erwärmte Luftmassenstrom wird folglich bei geöffneter Luftleiteinrichtung 19 durch den Warmluft-Strömungspfad 17 zum Fahrgastraum geleitet.
Die im Kondensator 7 vom Kältemittel an die Luft abzugebende Wärme wird wiederum im nichtdargestellten äußeren Wärmeübertrager aufgenommen, welcher im Wärmepumpenmodus als Verdampfer betrieben wird.
Beim Betrieb im Nachheizmodus wird mittels der Stellungen der Luftleiteinrichtungen 1 1 , 12, 13, 19, 20 sowie der Drehzahl des Gebläses 5 der aufzuwärmende Luftmassenstrom variiert, wobei die Luftleiteinrichtungen 1 1 , 12, 13, 19, 20 je nach Bedarf in verschiedenen Positionen zwischen vollständig geöffnet bis vollständig geschlossen anordenbar sind.
Bei geöffneten Luftleiteinrichtungen 1 1 , 13, 19 werden der beim Überströmen der Wärmeübertragungsfläche des Kondensators 7 wiedererwärmte Teilluftmassenstrom mit dem durch den Kaltluft-Strömungspfad 9 strömenden Teilluftmassenstrom des Kaltluftmassenstromes gemischt. Der durch den ersten Strömungskanal 3 geleitete Teilluftmassenstrom kann, wie beim zu Fig. 1 beschriebenen Verfahren, über die Verstellung der Luftleiteinrichtung 12 reguliert werden. Bei geöffneter Luftleiteinrichtung 12 wird der Teilluftmassenstrom durch den ersten Strömungskanal 3 je nach Stellung der Luftleiteinrichtung 12 verringert. Bei geschlossener Luftleiteinrichtung 1 1 und geöffneter Luftleiteinrichtung 19 wird der beim Überströmen des Kondensators 7 wiedererwärmte Luftmassenstrom unvermischt in den Fahrgastraum eingeleitet. Ein Teil des beim Überströmen des Verdampfers 6 konditionierten Kaltluftmassenstromes wird durch die geöffnete Luftleiteinrichtung 12 durch den Kaltluft- Strömungspfad 10 in die Umgebung des Klimatisierungssystems 1 abgeführt.
Unabhängig von den Stellungen der Luftleiteinrichtungen 1 1 , 19 kann bei zumindest teilgeöffneter Luftleiteinrichtung 20 ein wiedererwärmter Teilluftmassenstrom durch den Warmluft-Strömungspfad 18 auch in die Umgebung des Klimatisierungssystems 1 verbracht werden.
Der aus dem Kondensator 7 austretende Warmluftmassenstrom wird folglich in einen über den Warmluft-Strömungspfad 18 in die Umgebung geführten Teilluftmassenstrom und in einen über den Warmluft-Strömungspfad 17 in den Fahrgastraum einzuleitenden Teilluftmassenstrom in einem erforderlichen Verhältnis aufgeteilt oder vollständig einem der Warmluft-Strömungspfade 17, 18 zugewiesen.
Neben der Übertragung der Wärme im Verdampfer 6 und im Kondensator 7 kann wiederum zusätzlich Wärme im als Verdampfer oder Kondensator betreibbaren, nichtdargestellten äußeren Wärmeübertrager aufgenommen oder abgegeben werden.
In Fig. 4 wird im Unterschied zu Fig. 2 das Klimatisierungssystem 1 mit drei Luftführungsklappen 1 1 , 16, 17, den Luftaustrittsklappen 12, 20 im Kaltluft- Strömungspfad 10 sowie im Warmluft-Strömungspfad 18 und der Luftführungsklappe 15 im Bypasskanal 14 um den Verdampfer 6 dargestellt.
Beim Betrieb im Kälteanlagenmodus können entweder die Luftleiteinrichtungen 12, 15, 16 geschlossen sein. Bei geöffneter Luftleiteinrichtung 1 1 wird dann der vom Gebläse 5 geförderte und beim Überströmen des Verdampfers 6 konditionierte Luftmassenstrom durch den Kaltluft-Strömungspfad 9 zum Fahrgastraum geleitet wird. Die bei der Verdampfung vom Kältemittel aufgenommene Wärme wird in dem nichtdargestellten Wärmeübertrager außerhalb des Klimatisierungssystems 1 wieder abgegeben.
Oder die Luftleiteinrichtungen 12, 16 sind geschlossen, während die Luftleiteinrichtung 15 geöffnet ist. Bei geöffneter Luftleiteinrichtung 1 1 wird wiederum der vom Gebläse 5 geförderte und beim Überströmen des Verdampfers 6 konditionierte Luftmassenstrom durch den Kaltluft- Strömungspfad 9 zum Fahrgastraum geleitet. Nunmehr besteht die Möglichkeit den Kondensator 7 bei der Abgabe der Enthitzungs- und Kondensationswärme an die Luft neben dem nichtdargestellten äußeren Wärmeübertrager unterstützend zu nutzen. Durch die Verteilung der abzugebenden Wärmelast auf zwei Wärmeübertrager und die damit einhergehende Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche stellt sich im Kältemittelkreislauf eine Kondensationstemperatur ein, welche mit 5 K bis 10 K eine geringere Differenz zur Temperatur der Luft aufweist als es mit üblichen Kondensatoren mit etwa 15 K der Fall ist. Da im Kältemittelkreislauf der Hochdruck maßgeblich durch die Kondensationstemperatur des Kältemittels bestimmt wird, hat die Verringerung der Kondensationstemperatur eine Verringerung des Hochdruckes des Kältemittels zur Folge. Die Verringerung des Hochdruckes verringert die Leistungsaufnahme des Verdichters, erhöht damit die Leistungszahl und somit auch die Effizienz des Kältemittelkreislaufes und des Klimatisierungssystems 1 .
Beim Betrieb im Wärmepumpenmodus sind die Luftleiteinrichtungen 1 1 , 16, 20 geschlossen. Bei geöffneten Luftleiteinrichtungen 12, 15, 19 wird ein vom Gebläse 5 geförderter erster Teilluftmassenstrom, welcher beim Überströmen des Verdampfers 6 Wärme an das Kältemittel abgibt, durch den Kaltluft- Strömungspfad 10 in die Umgebung des Klimatisierungssystems 1 geleitet. Ein zweiter, durch den Bypasskanal 14 zum Kondensator 7 geführter Teilluftmassenstrom wird nach der Wärmeaufnahme durch den Warmluft- Strömungspfad 17 in den Fahrgastraum geleitet.
Im nichtdargestellten äußeren Wärmeübertrager kann zusätzlich Wärme an das verdampfende Kältemittel übertragen werden, welche bei Bedarf an den zu erwärmenden Teilluftmassenstrom für den Fahrgastraum abgegeben werden kann.
Beim Betrieb im Nachheizmodus sind die Luftleiteinrichtungen 1 1 , 12, 15, 16, 19, 20 je nach Bedarf in verschiedenen Positionen zwischen vollständig geöffnet bis vollständig geschlossen angeordnet. Durch die Positionierung der Luftleiteinrichtungen 1 1 , 12, 15, 16, 19, 20 sowie der Drehzahl des Gebläses 5 kann der aufzuwärmende Luftmassenstrom eingestellt werden.
Bei geöffneten Luftleiteinrichtungen 1 1 , 16, 19 werden der beim Überströmen der Wärmeübertragungsfläche des Kondensators 7 nach Abkühlen und/oder Entfeuchten wiedererwärmte Teilluftmassenstrom mit dem durch den Kaltluft- Strömungspfad 9 strömenden Teilluftmassenstrom des Kaltluftmassenstromes gemischt. Mittels der Verstellung der Luftleiteinrichtung 12 kann der durch den ersten Strömungskanal 3 geleitete Teilluftmassenstrom, wie beim zu Fig. 1 erläuterten Verfahren, reguliert werden. Je nach Stellung der geöffneten Luftleiteinrichtung 12 wird der Teilluftmassenstrom durch den ersten Strömungskanal 3 verringert.
Bei geschlossener Luftleiteinrichtung 1 1 und geöffneten Luftleiteinrichtungen 16, 19 wird der beim Überströmen des Kondensators 7 wiedererwärmte Luftmassenstrom unvermischt in den Fahrgastraum eingeleitet. Ein Teil des beim Überströmen des Verdampfers 6 konditionierten Kaltluftmassenstromes wird durch die geöffnete Luftleiteinrichtung 12 durch den Kaltluft- Strömungspfad 10 in die Umgebung des Klimatisierungssystems 1 geleitet.
Wie zur Ausführungsform nach Fig. 2 beschrieben, kann durch Öffnen der Luftleiteinrichtung 15 sowohl bei geöffneten Luftleiteinrichtungen 1 1 , 16, 19 als auch bei geschlossener Luftleiteinrichtung 1 1 und geöffneten Luftleiteinnchtungen 16, 19 ein zusätzlicher Luftmassenstrom zum beim Überströmen des Verdampfers 6 vorkonditionierten Kaltluftmassenstrom zugemischt werden. Der vermischte Luftmassenstrom wird anschließend zum Kondensator 7 geleitet.
Zudem kann bei geöffneten Luftleiteinrichtungen 1 1 , 15, 19 und geschlossener Luftleiteinrichtung 16 der beim Überströmen des Verdampfers 6 abgekühlte und/oder entfeuchtete Kaltluftmassenstrom mit dem durch den Warmluft- Strömungspfad 17 geleiteten und beim Überströmen des Kondensators 7 erwärmten Warmluftmassenstrom gemischt werden.
Wie zur Ausführungsform nach Fig. 3 beschrieben, kann unabhängig von den Stellungen der Luftleiteinrichtungen 1 1 , 19 bei zumindest teilgeöffneter Luftleiteinrichtung 20 ein wiedererwärmter oder erwärmter Teilluftmassenstrom durch den Warmluft-Strömungspfad 18 auch in die Umgebung des Klimatisierungssystems 1 abgeführt werden.
Der aus dem Kondensator 7 austretende Warmluftmassenstrom wird folglich in einen über den Warmluft-Strömungspfad 18 in die Umgebung geführten Teilluftmassenstrom und in einen über den Warmluft-Strömungspfad 17 in den Fahrgastraum einzuleitenden Teilluftmassenstrom in einem erforderlichen Verhältnis aufgeteilt oder vollständig einem der Warmluft-Strömungspfade 17, 18 zugewiesen.
Aus Fig. 5 geht ein Klimatisierungssystem 1 mit zwei unabhängigen Gebläsen 5a, 5b, zwei Luftführungsklappen 1 1 , 16 und einer Luftaustrittsklappe 12 im Kaltluft-Strömungspfad 10 hervor. Im Unterschied zur Ausführungsform nach Fig. 2 weist das Klimatisierungssystem 1 aus Fig. 5 anstelle der Luftleiteinrichtung 15 im Bypasskanal 14 das zweite unabhängige Gebläse 5b auf.
Die getrennt regelbaren Gebläse 5a, 5b bewirken eine vorteilhafte Dynamik des Klimatisierungssystems 1 , da der erste Strömungskanal 3 mit dem Verdampfer 6 und der zweite Strömungskanal 4 mit dem Kondensator 7 mit Luftmassenströmen unterschiedlicher Geschwindigkeiten beaufschlagbar sind und damit ein schnelles Reagieren auf veränderte Betriebszustände ermöglichen.
Zu den Verfahren des Betreibens des Klimatisierungssystems 1 im Kälteanlagenmodus, Wärmepumpenmodus beziehungsweise Nachheizmodus wird auf die Ausführungen zu Fig. 2 verwiesen.
LISTE DER BEZUGSZEICHEN
1 Klimatisierungssystem
2 Gehäuse
3 erster Strömungskanal
4 zweiter Strömungskanal
5, 5a, 5b Gebläse
6 Verdampfer
7 Kondensator
8, 8a, 8b Trennwand
9 Kaltluft-Strömungspfad
10 Kaltluft-Strömungspfad Austritt
1 1 Luftleiteinrichtung/Luftführungsklappe des Kaltluft-Strömungspfades 9
12 Luftleiteinrichtung/Luftaustrittsklappe des Kaltluft-Strömungspfades 10
13 Luftleiteinrichtung/Luftführungsklappe des zweiten Strömungskanals 4 4 Bypasskanal um Verdampfer 6
15 Luftleiteinrichtung/Luftführungsklappe des Bypasskanals 14
16 Luftleiteinrichtung/Luftführungsklappe zwischen erstem und zweitem
Strömungskanal 3, 4
17 Warmluft-Strömungspfad
18 Warmluft-Strömungspfad Austritt
19 Luftleiteinrichtung/Luftführungsklappe des Warmluft-Strömungspfades 17
20 Luftleiteinrichtung/Luftaustrittsklappe des Warmluft-Strömungspfades 18

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Klimatisierungssystem (1 ) zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges, aufweisend
- ein Gehäuse (2) mit einem ersten Strömungskanal (3) und einem zweiten Strömungskanal (4) zum Leiten von Luft,
- einen Kältemittelkreislauf mit mindestens zwei Wärmeübertragern, wobei ein erster Wärmeübertrager im ersten Strömungskanal (3) und ein zweiter Wärmeübertrager im zweiten Strömungskanal (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- das Klimatisierungssystem (1 ) für einen Betrieb im Kälteanlagenmodus und im Wärmepumpenmodus sowie Nachheizmodus ausgebildet ist, wobei der erste Wärmeübertrager unabhängig vom Betriebsmodus als Verdampfer (6) und der zweite Wärmeübertrager unabhängig vom Betriebsmodus als Kondensator (7) ausgebildet und betreibbar ist,
- das Gehäuse (2) mindestens eine Luftleiteinrichtung (12, 20) aufweist, mit welcher ein im Klimatisierungssystem (1 ) konditionierter Luftmassenstrom in die Umgebung ableitbar ist, und
- der Kältemittelkreislauf einen Wärmeübertrager aufweist, welcher außerhalb des Gehäuses (2) angeordnet und als Verdampfer oder Kondensator betreibbar ist.
2. Klimatisierungssystem (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass am ersten Strömungskanal (3) in Strömungsrichtung der Luft nach dem Verdampfer (6) die Luftleiteinrichtung (12) und ein Kaltluft- Strömungspfad (10) ausgebildet sind, sodass ein durch den ersten Strömungskanal (3) hindurchgeleiteter und konditionierter Luftmassenstrom in Teilluftmassenströme aufteilbar ist, wobei ein erster Teilluftmassenstrom durch einen Kaltluft-Strömungspfad (9) in den Fahrgastraum und ein zweiter Teilluftmassenstrom durch den Kaltluft-Strömungspfad (10) in die Umgebung des Gehäuses (2) leitbar sind. Klimatisierungssystem (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am zweiten Strömungskanal (4) in Strömungsrichtung der Luft nach dem Kondensator (7) eine Luftleiteinrichtung (20) und ein Warmluft-Strömungspfad (18) ausgebildet sind, sodass ein durch den zweiten Strömungskanal (4) hindurchgeleiteter und konditionierter Luftmassenstrom in Teilluftmassenströme aufteilbar ist, wobei ein erster Teilluftmassenstrom durch einen Warmluft-Strömungspfad (17) in den Fahrgastraum und ein zweiter Teilluftmassenstrom durch den Warmluft-Strömungspfad (18) in die Umgebung des Gehäuses (2) leitbar sind.
Klimatisierungssystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (6), der Kondensator (7) und der außerhalb des Gehäuses (2) angeordnete Wärmeübertrager als Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager ausgebildet sind.
Klimatisierungssystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Gebläse (5) ausgebildet ist, welches einen Luftmassenstrom durch das Klimatisierungssystem (1 ) fördert.
Klimatisierungssystem (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei unabhängig voneinander betreibbare Gebläse (5a, 5b) ausgebildet sind, wobei ein Gebläse (5a) einen Luftmassenstrom in den ersten Strömungskanal (3) und ein Gebläse (5b) einen Luftmassenstrom in den zweiten Strömungskanal (4) fördert.
7. Klimatisierungssystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bypasskanal (14) um den Verdampfer (6) ausgebildet ist, wobei der Bypasskanal (14) mit einer Luftleiteinrichtung (15) offenbar und verschließbar ist, sodass ein von einem Gebläse (5) geförderter Luftmassenstrom bei geöffneter Luftleiteinrichtung (15) um den Verdampfer (6) herum leitbar ist.
8. Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems (1 ) für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Wärmepumpenmodus zum Kühlen und zum Heizen sowie für einen Nachheizmodus zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges, umfassend folgende Schritte im Nachheizmodus:
- Fördern eines Luftmassenstromes in einem Gehäuse (2) des Klimatisierungssystems (1 ),
- Abkühlen des Luftmassenstromes beim Überströmen eines Verdampfers (6) eines Kältemittelkreislaufes und
- Aufteilen des abgekühlten Luftmassenstromes in einen Teilluftmassenstrom, welcher in die Umgebung abgeleitet wird, einen Teilluftmassenstrom zum Nachheizen sowie einen Kaltluftmassenstrom, wobei der abgekühlte Luftmassenstrom jeweils im Verhältnis zwischen 0 % und 100 % aufgeteilt wird und der Anteil des Teilluftmassenstromes zum Nachheizen größer als 0 % ist,
- Erwärmen des Teilluftmassenstromes zum Nachheizen beim Überströmen eines Kondensators (7) des Kältemittelkreislaufes, wobei die im Verdampfer (6) vom Kältemittel aufgenommene Wärme anteilig im Kondensator (7) und einem außerhalb des Gehäuses (2) angeordneten Wärmeübertrager abgegeben wird,
- Mischen des nachgeheizten Teilluftmassenstromes mit dem vorkonditionierten Kaltluftmassenstrom und
- Einleiten des vermischten Luftmassenstromes in den Fahrgastraum.
9. Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems (1 ) für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Wärmepumpenmodus zum Kühlen und zum Heizen sowie für einen Nachheizmodus zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges, umfassend folgende Schritte im Nachheizmodus:
- Fördern eines ersten und eines zweiten Teilluftmassenstromes in einem Gehäuse (2) des Klimatisierungssystems (1 ),
- Abkühlen des ersten Teilluftmassenstromes beim Überströmen eines Verdampfers (6) eines Kältemittelkreislaufes und
- Aufteilen des abgekühlten ersten Teilluftmassenstromes in einen Teilluftmassenstrom, welcher in die Umgebung abgeleitet wird, einen Teilluftmassenstrom zum Nachheizen sowie einen Kaltluftmassenstrom, wobei der abgekühlte erste Teilluftmassenstrom jeweils im Verhältnis zwischen 0 % und 100 % aufgeteilt wird,
- Mischen des Teilluftmassenstromes zum Nachheizen mit dem zweiten Teilluftmassenstrom,
- Erwärmen des aus dem Teilluftmassenstrom zum Nachheizen mit dem zweiten Teilluftmassenstrom vermischten Luftmassenstromes beim Überströmen eines Kondensators (7) des Kältemittelkreislaufes, wobei die im Verdampfer (6) vom Kältemittel aufgenommene Wärme anteilig im Kondensator (7) und einem außerhalb des Gehäuses (2) angeordneten Wärmeübertrager abgegeben wird,
- Mischen des beim Überströmen des Kondensators (7) erwärmten Luftmassenstromes mit dem vorkonditionierten Kaltluftmassenstrom und
- Einleiten des vermischten Luftmassenstromes in den Fahrgastraum.
10. Verfahren zum Betreiben eines Klimatisierungssystems (1 ) für einen kombinierten Betrieb im Kälteanlagen- und Wärmepumpenmodus zum Kühlen und zum Heizen sowie für einen Nachheizmodus zur Konditionierung der Luft eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges, umfassend folgende Schritte im Wärmepumpenmodus: - Fördern eines ersten Teilluftmassenstromes und eines zweiten Teilluftmassenstromes in einem Gehäuse (2) des Klimatisierungssystems (1 ),
- Abkühlen und/oder Entfeuchten des ersten Teilluftmassenstromes beim Überströmen eines Verdampfers (6) eines Kältemittelkreislaufes, wobei der erste Teilluftmassenstrom aus dem Fahrgastraum angesaugt wird,
- Aufteilen des ersten Teilluftmassenstromes in einen Teilluftmassenstrom, welcher in die Umgebung abgeleitet wird, und einen Teilluftmassenstrom zum Einleiten in den Fahrgastraum, wobei der erste Teilluftmassenstrom im Verhältnis zwischen 0 % und 100 % aufgeteilt wird,
- Erwärmen des zweiten Teilluftmassenstromes beim Überströmen eines Kondensators (7) des Kältemittelkreislaufes, wobei die im Kondensator (7) vom Kältemittelkreislauf abgegebene Wärme im Verdampfer (6) und in einem außerhalb des Gehäuses (2) angeordneten Wärmeübertrager aufgenommen wird,
- Vermischen des Teilluftmassenstromes zum Einleiten in den Fahrgastraum mit dem erwärmten zweiten Teilluftmassenstrom und
- Einleiten des vermischten Luftmassenstromes in den Fahrgastraum.
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