DE102017116207A1

DE102017116207A1 - Fahrzeughilfs-hlk-system unter verwendung einer kühlmittelschleife zum kühlen einer komponente eines fahrzeuginnenraums

Info

Publication number: DE102017116207A1
Application number: DE102017116207.0A
Authority: DE
Inventors: Robert Steven Sawyer; Manfred Koberstein
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-07-20
Filing date: 2017-07-18
Publication date: 2018-01-25
Also published as: CN107639996B; US20180022181A1; CN107639996A; US10603978B2

Abstract

Ein Fahrzeug beinhaltet Heizungs-, Lüftungs- und Klima-(HLK)-System zum Heizen und Kühlen einer Fahrgastzelle. Das HLK-System beinhaltet eine Kältemittelschleife und eine Kühlmittelschleife sowie ein Hilfsheizungs-, -lüftungs- und -klima-(HLK)-System. Das Hilfs-HLK beinhaltet eine Expansionsvorrichtung, die zum Steuern eines Kältemittelstroms zu einem ersten Wärmetauscher mit der Kältemittelschleife gekoppelt ist, und einen zweiten Wärmetauscher, der mit einer Hilfskühlmittelschleife gekoppelt ist, die zum Regulieren einer Temperatur der Komponente verwendet wird. Das Hilfs-HLK beinhaltet ferner ein Gebläse zum Erzeugen eines Luftstroms durch den ersten Wärmetauscher, eine erste Mischklappe zum Leiten des Luftstroms durch den zweiten Wärmetauscher und/oder einen Auslass, eine zweite Mischklappe zum Leiten des Luftstroms durch den Auslass und/oder einen Rückführkanal und eine dritte Mischklappe zum Steuern des Luftstroms durch den Rückführkanal.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Schrift betrifft im Allgemeinen Fahrzeugheizungs-/-kühlungssysteme und insbesondere ein Hilfsfahrzeugheizungs-, -lüftungs- und -klimasystem mit einer Hilfskühlmittelschleife zum Kühlen einer Komponente.
HINTERGRUND
Es ist hinreichend bekannt, Hilfsheizungs-, -lüftungs- und -klima-(HLK)-Systeme in Fahrzeugen zu verwenden. Diese Hilfs-HLK-Systeme sind typischerweise entweder ein Mischsystem, welches einem Druckluft-HLK-System ähnelt, das als ein primäres HLK-Systemverwendet wird, oder ein reines Klima- oder ein reines Heizungssystem. Diese Hilfs-HLK-Systeme sind typischerweise innerhalb einer Fahrgastzelle des Fahrzeugs positioniert. Insbesondere sind Hilfs-HLK-Systeme häufig entweder in der Heckleistenbaugruppe, einer Mittelkonsole, unter einem Sitz, unter dem Fahrzeug oder anderweitig innerhalb der Zelle positioniert.
Wie das primäre HLK-System weisen diese Hilfs-HLK-Systeme typischerweise angesichts ihrer Positionierung innerhalb der Fahrgastzelle eine große Grundfläche oder Packungsgröße auf. Tatsächlich beinhalten diese Hilfs-HLK-Systeme häufig einige oder alle des Folgenden: einen Verdampfungskern, einen Heizkern, einen Elektroerhitzer, eine Gebläsemotor- und -radbaugruppe, eine Gebläsedrehzahlsteuerung, Klappen, Aktoren und Kanäle. Darüber hinaus ist das Kanalsystem für das Hilfs-HLK-System in größeren Fahrzeugen, wie zum Beispiel Sport-Nutzfahrzeuge (SUVs), Crossover-Nutzfahrzeuge (CUVs), Lieferwagen und Hybridfahrzeuge, typischerweise teurer und erstreckt sich durch die gesamte Fahrgastzelle, um klimatisierte Luft an verschiedene Positionen innerhalb der Zelle zu verteilen (z. B. eine zweite, eine dritte, eine vierte oder eine fünfte Reihe des Fahrzeugs).
Obwohl die größeren Fahrzeuge ein größeres Volumen innerhalb der Fahrgastzelle als kleinere, kompaktere Fahrzeuge bereitstellen, wird der zusätzliche Raum häufig für verschiedene gewünschte Merkmale genutzt (z. B. drei und mehr Sitze auf jeder Reihe der Fahrgastzelle). In diesen Szenarien kann der Raum innerhalb der Fahrgastzelle begrenzt werden. Das Unterbringen dieser Art der Sitzanordnung oder anderer gewünschter Merkmale und zum Beispiel eines großen Hilfs-HLK-Systems kann für Fahrzeugentwickler schwierig und mühsam sein. Dementsprechend besteht ein Bedarf an einem Hilfs-HLK-System, das in der Lage ist, eine Fahrgastzelle oder Zonen innerhalb einer Fahrgastzelle zu heizen und zu kühlen, während eine minimale Grundfläche oder Packungsgröße zum Bereitstellen erhöhter Flexibilität für die Fahrzeugentwickler aufrechterhalten wird.
Das Hilfs-HLK-System würde ein Hilfskühlmittelschleifensystem nutzen, welches eine geringe Größe aufweist und kürzere Kanalläufe für Multizonenklimatisierung in der gesamten Fahrgastzelle ermöglicht. Darüber hinaus können weniger und/oder möglicherweise kleinere Wärmetauscher eingesetzt werden, welche die Gesamtpackungsgröße oder -grundfläche des Hilfs-HLK-Systems begrenzen. Ein derartiges Hilfs-HLK-System könnte ebenfalls Punktheizung und -kühlung für geringeren Energieverbrauch im Vergleich zu Lösungen für die gesamte Fahrgastzelle und Komponentenkühlung bereitstellen, wo Komponenten temperaturkritisch sind (z. B ein Batteriepack).
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
In Überreinstimmung mit den hier beschriebenen Zwecken und Vorteilen wird ein Fahrzeug bereitgestellt. Das Fahrzeug kann weitgehend so beschrieben werden, dass es ein Heizungs-, Lüftungs- und Klima-(HLK)-System zum Heizen und Kühlen einer Fahrgastzelle umfasst, wobei das HLK-System eine Kältemittelschleife und eine Kühlmittelschleife sowie ein Hilfsheizungs-, -lüftungs- und -klima-(HLK)-System beinhaltet, welches eine Expansionsvorrichtung, die mit der Kältemittelschleife zum Steuern eines Kältemittelstroms zu einem ersten Wärmetauscher gekoppelt ist, und einen zweiten Wärmetauscher beinhaltet, der mit einer Hilfskühlmittelschleife gekoppelt ist, die eine Pumpe zum Bewegen eines Kühlmittels innerhalb der Hilfskühlmittelschleife in der Nähe einer Komponente beinhaltet, um eine Temperatur der Komponente zu regulieren.
Die Temperatur des Kühlmittels innerhalb der Hilfskühlmittelschleife wird unter Verwendung des Strömungssteuerungsventils und der Pumpe gesteuert.
In einer möglichen Ausführungsform beinhaltet das Hilfs-HLK-System ferner ein Gebläse zum Erzeugen eines Luftstroms durch das Hilfs-HLK-System und der erste Wärmetauscher ist ein Kältemittel-an-Luft-Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher ist ein Luft-an-Kühlmittel-Wärmetauscher.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform beinhaltet das Hilfs-HLK-System ferner ein Gebläse zum Erzeugen eines Luftstroms durch das Hilfs-HLK-System und eine erste Mischklappe, wobei die erste Mischklappe dem ersten Wärmetauscher nachgelagert zum Leiten des Luftstroms mindestens teilweise durch einen Auslass in einem Fahrgastzellenkühlungsmodus positioniert ist.
In noch einer weiteren möglichen Ausführungsform beinhaltet das Hilfs-HLK-System ferner ein Gebläse zum Erzeugen eines Luftstroms durch das Hilfs-HLK-System und eine erste Mischklappe, wobei die erste Mischklappe dem ersten Wärmetauscher nachgelagert zum Leiten des Luftstroms mindestens teilweise durch den zweiten Wärmetauscher in einem Komponentenkühlungsmodus positioniert ist.
In noch einer weiteren möglichen Ausführungsform beinhaltet Hilfs-HLK-System ferner einen Rückführkanal, durch welchen der Luftstrom, der mindestens teilweise durch den zweiten Wärmetauscher geleitet wird, zu dem Gebläse zurückkehrt.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform beinhaltet das Hilfs-HLK-System ferner eine zweite Mischklappe, wobei die zweite Mischklappe der ersten Mischklappe nachgelagert zum Weiterleiten des Luftstroms, der mindestens teilweise durch den zweiten Wärmetauscher geleitet wird, durch den Rückführkanal positioniert ist.
In noch einer weiteren beinhaltet das Hilfs-HLK-System ferner ein Gebläse zum Erzeugen eines Luftstroms durch das Hilfs-HLK-System, eine erste Mischklappe, die dem ersten Wärmetauscher nachgelagert zum Leiten eines ersten Teils des Luftstroms durch einen Auslass und in die Fahrgastzelle und zum Leiten eines zweiten Teils des Luftstroms durch den zweiten Wärmetauscher positioniert ist, und eine zweite Mischklappe und eine dritte Mischklappe, wobei beide der ersten Mischklappe nachgelagert zum Weiterleiten des zweiten Teils des Luftstroms durch den Auslass, durch einen Rückführkanal zurück zu dem Gebläse oder durch den Auslass und den Rückführkanal zurück zu dem Gebläse positioniert sind.
In einer zweiten möglichen Ausführungsform beinhaltet ein Hilfsheizungs-, -lüftungs- und -klima-(HLK)-System zum Heizen und Kühlen einer Fahrgastzelle und zum Kühlen einer Komponente über eine Hilfskühlmittelschleife eine Expansionsvorrichtung zum Steuern eines Kältemittelstroms zu einem ersten Wärmetauscher, einen zweiten Wärmetauscher, der mit der Hilfskühlmittelschleife zum Regulieren einer Temperatur der Komponente gekoppelt ist, ein Gebläse zum Erzeugen eines Luftstroms durch den ersten Wärmetauscher, eine erste Mischklappe, die dem ersten Wärmetauscher nachgelagert ist, zum Leiten des Luftstroms durch den zweiten Wärmetauscher und/oder einen Auslass in die Fahrgastzelle, eine zweite Mischklappe, die der ersten Mischklappe nachgelagert ist, zum Leiten des Luftstroms durch den Auslass und/oder einen Rückführkanal zurück zu dem Gebläse und eine dritte Mischklappe, die der ersten Mischklappe nachgelagert ist, zum Steuern des Luftstroms durch den Rückführkanal.
In einer möglichen Ausführungsform handelt es sich bei der Komponente um eine oder mehrere Energiespeichervorrichtungen (z. B. eine Batterie), der erste Wärmetauscher ist ein Kältemittel-an-Luft-Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher ist ein Luft-an-Kühlmittel-Wärmetauscher.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform leitet die erste Mischklappe den Luftstrom durch den Auslass in einem Fahrgastzellenkühlungsmodus. In noch einer weiteren leitet die erste Mischklappe den Luftstrom durch den zweiten Wärmetauscher in einem Komponentenkühlungsmodus.
In noch einer weiteren möglichen Ausführungsform leitet die zweite Mischklappe den Luftstrom durch die dritte Mischklappe und den Rückführkanal in dem Komponentenkühlungsmodus.
In noch einer weiteren möglichen Ausführungsform leitet die erste Mischklappe einen ersten Teil des Luftstroms durch den Auslass und einen zweiten Teil des Luftstroms durch den zweiten Wärmetauscher in einem Mischkühlungsmodus.
Im einer weiteren Möglichen Ausführungsform leitet die zweite Mischklappe den zweiten Teil des Luftstroms durch den zweiten Wärmetauscher durch den Auslass. Im noch einer weiteren Möglichen Ausführungsform leitet die dritte Mischklappe mindestens einen Teil des zweiten Teils des Luftstroms durch den zweiten Wärmetauscher durch den Rückführkanal.
In Übereinstimmung mit den hier beschriebenen Zwecken und Vorteilen ist ein Verfahren zum Kühlen einer Komponente in einem Fahrzeug mit einem Hilfsheizungs-, -lüftungs- und -klima-(HLK)-System, das eine Hilfskühlmittelschleife enthält, bereitgestellt, die folgenden Schritte umfassend: (a) Erzeugen eines Luftstroms durch einen ersten Wärmetauscher zum Senken einer Temperatur des Luftstroms; (b) Leiten mindestens eines Teils des Luftstroms mit gesenkter Temperatur durch einen zweiten Wärmetauscher; (c) Pumpen von Kühlmittel durch die Hilfskühlmittelschleife zum Entziehen von Hitze aus der Komponente; und (d) Ändern einer Temperatur des Kühlmittels innerhalb der Hilfskühlmittelschleife unter Verwendung des zweiten Wärmetauschers.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform beinhaltet der Schritt des Änderns einer Temperatur des Kühlmittels Steuern eines Kühlmittelstroms durch den zweiten Wärmetauscher unter Verwendung eines Strömungsventils.
In noch einer weiteren möglichen Ausführungsform wird im Wesentlichen der gesamte Luftstrom mit gesenkter Temperatur durch den zweiten Wärmetauscher in einem Komponentenkühlungsmodus geleitet.
In noch einer weiteren möglichen Ausführungsform beinhaltet das Verfahren ferner den Schritt des (e) Rückführens des Luftstroms mit gesenkter Temperatur; der durch den zweiten Wärmetauscher geleitet wird, zurück zu dem Gebläse.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform beinhaltet das Verfahren ferner die Schritte des (f) Rückführens eines ersten Teils des Teils des Luftstroms mit gesenkter Temperatur, der durch den zweiten Wärmetauscher geleitet wird, und (g) Leitens eines zweiten Teils des Teils des Luftstroms mit gesenkter Temperatur, der durch den zweiten Wärmetauscher geleitet wird, durch einen Auslass in eine Fahrgastzelle in einem Mischkühlungsmodus.
In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen eines Fahrzeugs gezeigt und beschrieben, welches ein Hilfs-HLK-System nutzt, das eine Hilfskühlmittelschleife zum Steuern einer Temperatur einer Komponente beinhaltet. Es sollte angemerkt werden, dass die Verfahren und Systeme zu anderen, unterschiedlichen Ausführungsformen in der Lage sind und deren mehrere Details zur Modifikation in verschiedenen, offensichtlichen Aspekten in der Lage sind, ohne jeweils von den Fahrzeugen und Verfahren, wie in den folgenden Ansprüchen dargelegt und beschrieben, abzuweichen. Dementsprechend sind die Zeichnungen und Beschreibungen ihrem Wesen nach als veranschaulichend und nicht als einschränkend zu betrachten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGSFIGUREN
Die beigefügten Zeichnungsfiguren, die hierin aufgenommenen sind und einen Teil der Patentschrift bilden, veranschaulichen verschiedene Aspekte des Fahrzeugs und der Verfahren und dienen gemeinsam mit der Beschreibung dazu, bestimmte Grundsätze davon zu erläutern. In den Zeichnungsfiguren gilt:
1 ist ein schematisches Diagramm eines Fahrzeugheizungs-, -lüftungs- und -klima-(HLK)-Systems und ein Hilfs-HLK-System, welches eine Hilfskühlmittelschleife zum Steuern einer Temperatur einer Komponente des Fahrzeugs beinhaltet;
2 ist eine Draufsicht eines Hilfs-(HLK)-Systems, welches ein Gebläse zum Erzeugen eines Luftstroms, einen ersten und zweiten Wärmetauscher, einen Auslass, einen Rückführkanal und eine Expansionsvorrichtung beinhaltet;
3 ist eine Seitenansicht des Hilfs-(HLK)-Systems, welches eine erste, zweite und dritte Mischklappe beinhaltet, die zum Leiten eines Luftstroms in eine Fahrgastzelle in einem Fahrgastzellenkühlungsmodus konfiguriert sind;
4 ist eine Seitenansicht des Hilfs-(HLK)-Systems, welches eine erste, zweite und dritte Mischklappe beinhaltet, die zum Leiten eines Luftstroms durch den Rückführkanal in einem Komponentenkühlungsmodus konfiguriert sind; und
5 ist eine Seitenansicht des Hilfs-(HLK)-Systems, welches eine erste, zweite und dritte Mischklappe beinhaltet, die zum Leiten von Teilen eines Luftstroms durch den Auslass und den Rückführkanal in einem Mischkühlungsmodus konfiguriert sind.
Nun wird ausführlich auf die vorliegenden Ausführungsformen des Fahrzeugs, welches ein Hilfs-HLK-System nutze, welches eine Hilfskühlmittelschleife zum Steuern einer Temperatur einer Komponente des Fahrzeugs beinhaltet, Bezug genommen, wovon Beispiele in den begleitenden Zeichnungsfiguren veranschaulicht sind, wobei gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche Elemente darzustellen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nun wird Bezug auf 1 genommen, welche ein schematisches Diagramm eines typischen Fahrzeugheizungs- und -kühlungssystems 10 veranschaulicht, welches mit einem Hilfsheizungs-, -lüftungs- und -klima-(HLK)-System 12 zum Heizen und Kühlen einer Fahrgastzelle 14 gekoppelt ist. Das Fahrzeugkühlungs- und -heizungssystem 10 beinhaltet ein Hauptheizungs-, -lüftungs- und -klima-(HLK)-System, welches eine Kältemittelschleife 16 und eine Motorkühlmittelschleife 17 (mit gestreichelter Linie gezeigt) zum Heizen und Kühlen der Fahrgastzelle 14 durch Öffnungen 18 beinhaltet, die innerhalb eines Armaturenbretts 20 positioniert sind.
In der beschriebenen Ausführungsform beinhaltet die Kältemittelschleife 16 einen traditionellen Kompressor 22, der durch einen Kompressorriemen 24 angetrieben wird, der wiederum durch eine Kurbelwelle 26 des Fahrzeugs angetrieben wird. Beim Betrieb verdichtet der Kompressor 22 ein Fluid, welches in der beschriebenen Ausführungsform ein Kältemittel ist, wodurch eine Temperatur (T) des Kältemittels erhöht wird. Das gasförmige Kältemittel mit hoher Temperatur und hohem Druck verlässt den Kompressor 22, wie durch den Wirkungspfeil 28 gezeigt, und strömt in einem Kondensator 30.
Allgemein formuliert ist der Kondensator 30 in der beschriebenen Ausführungsform bei einem vorderen Abschnitt eines Motorraums positioniert und kühlt das Kältemittel. Innerhalb des Kondensators oder außerhalb eines Wärmetauschers 30 kondensiert das gasförmige Kältemittel mit hoher Temperatur und hohem Druck hauptsächlich aufgrund der Wirkung und Außenluft und wird flüssig. Das Fahrzeug kann aktive Luftklappensteuerung 32 beinhalten, die eine Luftmenge steuert, der gestattet wird, den äußeren Wärmetauscher 30 zur überqueren. Wie gezeigt, wird in der beschriebenen Ausführungsform ebenfalls ein Lüfter 34 zum Erzeugen und Regulieren des Luftstroms durch die aktive Luftklappensteuerung 32, über den äußeren Wärmetauscher 30 und einen Motorkühler 36 eingesetzt.
Das verflüssigte Kältemittel mit hohem Druck wird dann zu einer ersten (Kühlungs-)Expansionsvorrichtung 38 und einer zweiten (Kühlungs-)Expansionsvorrichtung 40 transportiert, wie durch die Wirkungspfeile 42 bzw. 44 gezeigt. In der ersten (Kühlungs-)Expansionsvorrichtung 38 wird das flüssige Kältemittel expandiert, um zu einem Gemisch aus flüssigem und Dampfkältemittel mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck zu werden. Dieses Gemisch aus flüssigem und Dampfkältemittel mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck wird zu einem Kältemittel-an-Luft-Wärmetauscher, oder Verdampfer, geleitet, der mit dem Bezugszeichen 46 gekennzeichnet ist. Die Regulierung des Kältemittelstroms, oder Drosselung, wird zum Steuern der Temperatur des Kältemittels in dem Verdampfer 46 verwendet.
In einem Kühlungsmodus überträgt warme, feuchte Luft, die durch den Verdampfer 46 strömt, ihre Wärme auf das kältere Kältemittel innerhalb des Verdampfers. Die Nebenprodukte sind Luft mit gesenkter Temperatur und Kondenswasser aus der Luft. Das Kondenswasser wird von dem Verdampfer 46 an einen Außenbereich des Fahrzeugs geleitet. Ein Gebläse 48 bläst die Luft durch den Verdampfer 46 und durch eine oder mehrere Öffnungen 18 in die Fahrgastzelle 14. Dieser Prozess führt dazu, dass in der Fahrgastzelle 14 kältere, trockenere Luft vorhanden ist.
Wie oben angegeben, beinhaltet das System 10 ferner eine Motorkühlmittelschleife 17, die eine Kühlmittelpumpe (nicht gezeigt) beinhaltet, die Kühlmittel oder Frostschutzmittel durch den Motor 56 pumpt. Das Kühlmittel entzieht dem Motor 56 Wärme und leitet einen Teil des erwärmten Kühlmittels durch einen Kühlmittel-an-Luft-Wärmetauscher 58, der innerhalb des Fahrzeug-HLK-Gehäuses 60 positioniert ist.
In einem Heizmodus wird eine Mischklappe (nicht gezeigt) zum Regulieren des Luftstroms, der durch das Gebläse 48 erzeugt wurde, verwendet, um der Luft zu gestatten, sich durch oder teilweise durch den Kühlmittel-an-Luft-Wärmetauscher 58 zu bewegen. Das erwärmte Kühlmittel, das durch den Kühlmittel-an-Luft-Wärmetauscher 58 strömt, überträgt seine Wärme an die Luft, welche durch den Kühlmittel-an-Luft-Wärmetauscher strömt. Die Nebenprodukte sind eine Luft mit erhöhter Temperatur, die in die Fahrgastzelle 14 durch Öffnungen 18 eintritt, und ein Kühlmittel mit gesenkter Temperatur. Das Motorkühlmittel mit nun gesenkter Temperatur, die aus dem Kühlmittel-an-Luft-Wärmetauscher 58 strömt, wie durch den Wirkungspfeil 62 gezeigt, bewegt sich zurück durch den Motor 56, wo das Kühlmittel erneut erwärmt wird und wie vorstehend beschrieben durch das System 10 zykliert wird.
Das Hilfs-HLK-System 12 stellt Hilfskühlung von mindestens Teilen der Fahrgastzelle 14 durch Kanäle 68 und eine oder mehrere Öffnungen 70 bereit, die innerhalb der Fahrgastzelle positioniert sind. In der zweiten (Kühlungs-)Expansionsvorrichtung 40 wird das flüssige Kältemittel auf ähnliche Weise expandiert, um zu einem Gemisch aus flüssigem und Dampfkältemittel mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck zu werden. Dieses Gemisch aus flüssigem und Dampfkältemittel mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck wird zu einem Kältemittel-an-Luft-Wärmetauscher, oder Verdampfer, geleitet, der mit dem Bezugszeichen 72 gekennzeichnet ist. Die Regulierung des Kältemittelstroms, oder Drosselung, wird zum Steuern der Temperatur des Kältemittels in dem Verdampfer 72 verwendet. In der beschriebenen Ausführungsform, die in 1 gezeigt ist, ist der Verdampfer 72 innerhalb des Hilfs-HLK-Gehäuses 130 positioniert, welches in der Fahrgastzelle 14 angeordnet ist. In alternativen Ausführungsformen können das Hilfs-HLK-Gehäuse und/oder der Verdampfer 72 jedoch unter dem Fahrzeug oder innerhalb eines Motor- oder anderen Raums angeordnet sein.
In einem Kühlungsmodus überträgt warme, feuchte Luft, die durch den Verdampfer 72 strömt, ihre Wärme auf das kältere Kältemittel innerhalb des Verdampfers. Die Nebenprodukte sind Luft mit gesenkter Temperatur und Kondenswasser aus der Luft. Das Kondenswasser wird von dem Verdampfer 72 an einen Außenbereich des Fahrzeugs geleitet. Ein Gebläse 64 erzeugt einen Luftstrom durch den Verdampfer 72 und durch eine oder mehrere Öffnungen 70 in die Fahrgastzelle 14. Dieser Prozess führt dazu, dass in der Fahrgastzelle 14 kältere, trockenere Luft vorhanden ist.
Das Kältemittel mit niedrigem Druck verlässt den Kältemittel-an-Luft-Wärmetauscher 72, wie durch die Wirkungspfeile 74 gezeigt, und kombiniert sich erneut mit dem Kältemittel mit niedrigem Druck, welches den Verdampfer 46 bei Punkt 80 verlässt, wie durch den Wirkungspfeil 76 gezeigt. Das kombinierte Kältemittel mit niedrigem Druck tritt erneut in den Kompressor 22 ein, wie durch den Wirkungspfeil 82 gezeigt, in welchem das Kältemittel erneut verdichtet und durch das System 10 zykliert wird.
Das Hilfs-HLK-System 12 beinhaltet ferner eine Hilfskühlmittelschleife 66 zum Regulieren einer Temperatur einer Komponente 84 (z. B. eine Batterie, Elektronik, oder Nahrungsmittel/Getränke) innerhalb einer Raums 86. Die Hilfskühlmittelschleife 66 beinhaltet eine Kühlmittelpumpe 88, die Kühlmittel oder Frostschutzmittel durch den Raum 86 pumpt, wie durch den Wirkungspfeil 90 gezeigt. Das Kühlmittel in der Hilfskühlmittelschleife 66 nimmt Wärme aus dem Raum 84 aus, wenn das Kühlmittel den Raum 86 durchquert, bevor es in einen Luft-an-Kühlmittel-Wärmetauscher 92 gepumpt wird, wie durch den Wirkungspfeil 94 gezeigt.
Die Pumpe 88 und ein Strömungssteuerungsventil 96 arbeiten zusammen, um die Temperatur des Kühlmittels innerhalb der Hilfskühlmittelschleife 66 zu steuern. In dem vorstehend beschriebenen Kühlungsmodus, bei welchem maximale Kühlung der Fahrgastzelle 14 gewünscht ist, beschränken das Strömungsteuerungsventil 96 und die Pumpe 88 die Bewegung des Kühlmittels innerhalb der Hilfskühlmittelschleife 66, wenn sie diese nicht sogar stoppen. Alternativ, in einem maximalen Komponentenkühlungsmodus, gestatten das Strömungssteuerungsventil 96 und die Pumpe 88 dem Kühlmittel, vorbei an der Komponente 84 innerhalb des Raums 86 zu strömen.
Wie im Allgemeinen in 2 gezeigt, beinhaltet das Hilfs-HLK-System 12 das Expansionsventil 40, das Gebläse 64, den Kältemittel-an-Luft-Wärmetauscher, oder Verdampfer, 72, den Luft-an-Kühlmittel-Wärmetauscher, oder Heizkern 92, einen Auslass 98, der mit dem Kanal 68 verbunden ist, und einen Rückführkanal 106 sowie eine Mischklappe 104. Darüber hinaus, wie in 3 gezeigt, beinhaltet das Hilfs-HLK-System 12 eine erste, zweite und dritte Mischklappe 100, 102 bzw. 104. Die Mischklappen werden zum Steuern und/oder Regulieren des Luftstroms verwendet, der durch das Gebläse 64 erzeugt wird.
Im maximalen Fahrgastzellenkühlungsmodus, der in 3 gezeigt ist, werden die erste Mischklappe 100 und die zweite Mischklappe 102 in vollständig geschlossene Positionen bewegt. In diesen Positionen verhindern die erste und zweite Mischklappe 100, 102, dass sich die geblasene Luft durch den Luft-an-Kühlmittel-Wärmetauscher 92 und einen Rückführkanal 106 zurück zu dem Gebläse 64 bewegt. In diesem Modus ist die Kühlmittelpumpe 88 ausgeschaltet und Kühlmittel wird nicht durch die Hilfskühlmittelschleife 66 und den Komponentenraum 86 zirkuliert und die geblasene Luft strömt direkt über den Kanal 68 in die Fahrgastzelle 14, wie durch den Wirkungspfeil 110 gezeigt.
In einem maximalen Komponentenkühlungsmodus, der in 4 gezeigt ist, wird die erste Mischklappe 100 in eine vollständig offene Position bewegt, in der im Allgemeinen verhindert wird, dass die geblasene Luft über den Auslass 98 in die Fahrgastzelle 14 eintritt. In diesem Modus leitet die erste Mischklappe 100 die geblasene Luft durch den Kühlmittel-an-Luft-Wärmetauscher 92, wie durch die Wirkungspfeile 112 gezeigt. Der Teil des erwärmten Kühlmittels, der durch den Kühlmittel-an-Luft-Wärmetauscher 92 strömt, überträgt seine Wärme an die Luft, welche durch den Kühlmittel-an-Luft-Wärmetauscher strömt. Die Nebenprodukte sind eine Luft mit erhöhter Temperatur und ein Kühlmittel mit gesenkter Temperatur innerhalb der Kühlmittelschleife 66.
Die zweite Mischklappe 102 wird in dem maximalen Komponentenkühlungsmodus auf ähnliche Weise in eine vollständig geschlossene Position bewegt, wodurch im Allgemeinen verhindert wird, dass die Luft mit erhöhter Temperatur über den Auslass 98 in die Fahrgastzelle 14 eintritt. Stattdessen wird die dritte Mischklappe 104 geöffnet, wodurch der erwärmten Luft gestattet wird, durch den Kühlmittel-an-Luft-Wärmetauscher 92 in den Rückführkanal 106 zu strömen, wie durch die Wirkungspfeile 114 gezeigt. Die erwärmte Luft strömt durch den Rückführkanal 106 zurück zu dem Gebläse 64, wo sie durch den Verdampfer 72 rezirkuliert und gekühlt wird, bevor sie in den Kühlmittel-an-Luft-Wärmetauscher 92 eintritt. Anders ausgedrückt sind die erste und zweite Mischklappe 100 und 102 im maximalen Komponentenkühlungsmodus positioniert, um zu verhindern, dass ein Luftstrom in die Fahrgastzelle 14 eintritt, und die dritte Mischklappe 104 ist positioniert, um die erwärmte Luft in den Rückführkanal 106 und zurück zu dem Gebläse 64 zu leiten.
In einem Mischkühlungsmodus, der in 5 gezeigt ist, wird die dritte Mischklappe 104 in eine vollständig geschlossene Position bewegt, in der im Allgemeinen verhindert wird, dass Luft in den Rückführkanal 106 eintritt. Gleichzeitig werden die erste und zweite Mischklappe 100 und 102 zum Regulieren des durch das Gebläse 64 erzeugten Luftstroms verwendet. Wie gezeigt, sind sowohl die erste als auch die zweite Klappe positioniert, um dem Luftstrom zu gestatten, sich teilweise durch den Kühlmittel-an-Luft-Wärmetauscher 92 zu bewegen, wie durch die Wirkungspfeile 116 gezeigt, und den Kühlmittel-an-Luft-Wärmetauscher 92 teilweise in die Fahrgastzelle 14 zu umgehen, wie durch die Wirkungspfeile 118 gezeigt.
Der Teil des erwärmten Kühlmittels, der durch den Kühlmittel-an-Luft-Wärmetauscher 92 strömt, überträgt seine Wärme an die Luft, welche durch den Kühlmittel-an-Luft-Wärmetauscher strömt. Die Nebenprodukte sind eine Luft mit erhöhter Temperatur, die in die Fahrgastzelle 14 über den Auslass 98 eintritt, wie durch den Wirkungspfeil 120 gezeigt, und ein Kühlmittel mit gesenkter Temperatur. Bevor sie in die Fahrgastzelle 14 eintritt, wird die Luft mit erhöhter Temperatur mit dem Teil des Luftstroms gemischt, dem gestattet wurde, den Kühlmittel-an-Luft-Wärmetauscher 92 in die Fahrgastzelle 14 zu umgehen, wie durch die Wirkungspfeile 118 gezeigt. Das Positionieren der ersten und zweiten Mischklappe 102 und 104 ist ein Verfahren zum Steuern der Temperatur der gemischten Luft, die in die Fahrgastzelle 14 eintritt. In alternativen Betriebsmodi kann die dritte Mischklappe 104 geöffnet oder teilweise geschlossen sein, um wenigstens einem Teil der Luft mit erhöhter Temperatur zu gestatten, in den Rückführkanal 106 einzutreten, wie oben beschrieben.
In dem Heizmodus mit ausgeschaltetem Kompressor bewegt sich kein Kältemittel durch die zweite (Kühlungs-)Expansionsvorrichtung 40 oder den Kältemittel-an-Luft-Wärmetauscher 72. In diesem Modus kann die Pumpe 88 gleichermaßen ausgeschaltet sein, derart, dass sich kein Kühlmittel innerhalb der Hilfskühlmittelschleife 66 bewegt. Alternativ kann die Pumpe 88 weiter betrieben werden, um Kühlmittel durch die Hilfskühlmittelschleife 66 zu pumpen, derart, dass das Kühlmittel durch das Übertragen von Wärme innerhalb des Raums 86 erwärmt wird. Das erwärmte Kühlmittel bewegt sich dann zu dem Kühlmittel-an-Luft-Wärmetauscher 92, wo das erwärmte Kühlmittel Wärme an die Luft überträgt, die durch den Kühlmittel-an-Luft-Wärmetauscher strömt, was durch das Gebläse 64 erzeugt wurde. Die erwärmte Luft strömt durch den Auslass 98 und zu einer oder mehreren Öffnungen 70, die innerhalb der Fahrgastzelle 14 positioniert sind, durch den Kanal 68. Dieser Prozess führt dazu, dass mindestens ein Teil der Fahrgastzelle 14 eine wärmere Luft aufweist, und stellt das Kühlen der Komponente 84 innerhalb des Raums 86 bereit.
In weiteren alternativen Ausführungsformen kann der Hilfskühlmittelschleife 66 ein Ventil zum selektiven Leiten des sich bewegenden Kühlmittels durch einen oder mehrere zusätzliche Räume zum Unterbringen einer oder mehrerer zusätzlicher Komponenten hinzugefügt werden, um eine Temperatur der Komponenten zu regulieren. Das Ventil würde betrieben werden, um dem Kühlmittel zu gestatten, sich normal innerhalb der Hilfskühlmittelschleife zu bewegen oder durch den einen oder die mehreren zusätzlichen Räume umgeleitet zu werden, wenn das Kühlen der Komponente gewünscht ist. Selbstverständlich können der Hilfskühlmittelschleife ein oder mehrere Ventile hinzugefügt werden, wenn mehrere Räume innerhalb des Fahrzeugs genutzt werden.
Zusammengefasst ergeben sich zahlreiche Vorteile aus dem Fahrzeug, welches ein Hilfs-HLK-System zum Steuern einer Temperatur innerhalb einer Fahrgastzelle und zum Kühlen einer Komponente unter Verwendung einer Hilfskühlmittelschleife verwendet, wie in dieser Schrift veranschaulicht. Die Hilfskühlmittelschleife hält die Komponente in einem optimalen Temperaturbereich, während Abwärme von der Komponente verwendet wird, um die Hilfsabluft erneut zu erwärmen. Die Verwendung des Hilfs-HLK-Systems stellt erhöhte Flexibilität für Fahrzeugentwickler bereit, einschließlich kürzerer Kanalläufe für Multizonenklimatisierung der gesamten Fahrgastzelle und der Verwendung weniger und/oder möglicherweise kleinerer Wärmetauscher. Darüber hinaus gestattet das System das Punktheizen oder -kühlen, was zu einem geringeren Energieverbrauch im Vergleich zu Lösungen für die gesamte Fahrgastzelle führt, und Komponentenkühlung, ohne die Temperatur der Fahrgastzelle signifikant, wenn überhaupt, zu beeinflussen.
Das Vorstehende wurde zum Zwecke der Veranschaulichung und Beschreibung dargelegt. Es erhebt keinerlei Anspruch auf Vollständigkeit und soll die Ausführungsformen nicht auf die genaue offenbarte Form beschränken. Zum Beispiel könnten die Expansionsvorrichtungen in der beschriebenen Ausführungsform elektronische Expansionsvorrichtungen sein.
Naheliegende Modifikationen und Variationen sind angesichts der vorstehenden Lehren möglich. Alle derartigen Modifikationen und Variationen befinden sich innerhalb des Umfangs der beigefügten Patentansprüche, wenn sie entsprechend der Breite ausgelegt werden, zu der sie rechtlich, recht und billig berechtigt sind.

Claims

Fahrzeug, umfassend: ein Heizungs-, Lüftungs- und Klima-(HLK)-System zum Heizen und Kühlen einer Fahrgastzelle, wobei das HLK-System eine Kältemittelschleife und eine Kühlmittelschleife beinhaltet; und ein Hilfsheizungs-, -lüftungs- und -klima-(HLK)-System, umfassend eine Expansionsvorrichtung, die mit der Kältemittelschleife zum Steuern eines Kältemittelstroms zu einem ersten Wärmetauscher gekoppelt ist, und einen zweiten Wärmetauscher, der mit einer Hilfskühlmittelschleife gekoppelt ist, die eine Pumpe zum Bewegen eines Kühlmittels innerhalb der Hilfskühlmittelschleife in der Nähe einer Komponente beinhaltet, um eine Temperatur der Komponente zu regulieren.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei das Hilfs-HLK-System ferner ein Gebläse zum Erzeugen eines Luftstroms durch das Hilfs-HLK-System beinhaltet, und wobei der erste Wärmetauscher ein Kältemittel-an-Luft-Wärmetauscher ist und der zweite Wärmetauscher ein Luft-an-Kühlmittel-Wärmetauscher ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei das Hilfs-HLK-System ferner ein Gebläse zum Erzeugen eines Luftstroms durch das Hilfs-HLK-System und eine erste Mischklappe beinhaltet, wobei die erste Mischklappe dem ersten Wärmetauscher nachgelagert zum Leiten des Luftstroms mindestens teilweise durch einen Auslass in einem Fahrgastzellenkühlungsmodus positioniert ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei das Hilfs-HLK-System ferner ein Gebläse zum Erzeugen eines Luftstroms durch das Hilfs-HLK-System und eine erste Mischklappe beinhaltet, wobei die erste Mischklappe dem ersten Wärmetauscher nachgelagert zum Leiten des Luftstroms mindestens teilweise durch den zweiten Wärmetauscher in einem Komponentenkühlungsmodus positioniert ist.
Fahrzeug nach Anspruch 4, wobei das Hilfs-HLK-System ferner einen Rückführkanal beinhaltet, durch welchen der Luftstrom, der mindestens teilweise durch den zweiten Wärmetauscher geleitet wird, zu dem Gebläse zurückkehrt.
Fahrzeug nach Anspruch 5, wobei das Hilfs-HLK-System ferner eine zweite Mischklappe beinhaltet, wobei die zweite Mischklappe der ersten Mischklappe nachgelagert zum Weiterleiten des Luftstroms, der mindestens teilweise durch den zweiten Wärmetauscher geleitet wird, durch den Rückführkanal positioniert ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, wobei das Hilfs-HLK-System ferner ein Gebläse zum Erzeugen eines Luftstroms durch das Hilfs-HLK-System, eine erste Mischklappe, die dem ersten Wärmetauscher nachgelagert zum Leiten eines ersten Teils des Luftstroms durch einen Auslass und in die Fahrgastzelle und zum Leiten eines zweiten Teils des Luftstroms durch den zweiten Wärmetauscher positioniert ist, und eine zweite Mischklappe und eine dritte Mischklappe beinhaltet, wobei beide der ersten Mischklappe nachgelagert zum Weiterleiten des zweiten Teils des Luftstroms durch den Auslass, durch einen Rückführkanal zurück zu dem Gebläse oder durch den Auslass und den Rückführkanal zurück zu dem Gebläse positioniert sind.
Heizungs-, Lüftungs- und Klima-(HLK)-System zum Heizen und Kühlen einer Fahrgastzelle und zum Kühlen einer Komponente über eine Hilfskühlmittelschleife; umfassend: eine Expansionsvorrichtung zum Steuern eines Kältemittelstroms zu einem ersten Wärmetauscher; einen zweiten Wärmetauscher, der mit der Hilfskühlmittelschleife zum Regulieren einer Temperatur der Komponente gekoppelt ist; ein Gebläse zum Erzeugen eines Luftstroms durch den ersten Wärmetauscher; eine erste Mischklappe, die dem ersten Wärmetauscher nachgelagert ist, zum Leiten des Luftstroms durch den zweiten Wärmetauscher und/oder einen Auslass in die Fahrgastzelle; eine zweite Mischklappe, die der ersten Mischklappe nachgelagert ist, zum Leiten des Luftstroms durch den Auslass und/oder einen Rückführkanal zurück zu dem Gebläse; und eine dritte Mischklappe, die der ersten Mischklappe nachgelagert ist, zum Steuern des Luftstroms durch den Rückführkanal.
Hilfsheizungs-, -lüftungs- und -klima-(HLK)-System nach Anspruch 8, wobei es sich bei der Komponente um eine oder mehrere Energiespeichervorrichtungen handelt, der erste Wärmetauscher ein Kältemittel-an-Luft-Wärmetauscher ist und der zweite Wärmetauscher ein Luft-an-Kühlmittel-Wärmetauscher ist.
Hilfsheizungs-, -lüftungs- und -klima-(HLK)-System nach Anspruch 8, wobei die erste Mischklappe den Luftstrom durch den Auslass in einem Fahrgastzellenkühlungsmodus leitet.
Hilfsheizungs-, -lüftungs- und -klima-(HLK)-System nach Anspruch 8, wobei die erste Mischklappe den Luftstrom durch den zweiten Wärmetauscher in einem Komponentenkühlungsmodus leitet.
Hilfsheizungs-, -lüftungs- und -klima-(HLK)-System nach Anspruch 11, wobei die zweite Mischklappe den Luftstrom durch den die dritte Mischklappe und den Rückführkanal in dem Komponentenkühlungsmodus leitet.
Hilfsheizungs-, -lüftungs- und -klima-(HLK)-System nach Anspruch 8, wobei die erste Mischklappe einen ersten Teil des Luftstroms durch den Auslass und einen zweiten Teil des Luftstroms durch den zweiten Wärmetauscher in einem Mischkühlungsmodus leitet.
Hilfsheizungs-, -lüftungs- und -klima-(HLK)-System nach Anspruch 13, wobei die zweite Mischklappe den zweiten Teil des Luftstroms durch den zweiten Wärmetauscher durch den Auslass leitet.
Hilfsheizungs-, -lüftungs- und -klima-(HLK)-System nach Anspruch 13, wobei die dritte Mischklappe mindestens einen Teil des zweiten Teils des Luftstroms durch den zweiten Wärmetauscher durch den Rückführkanal leitet.
Verfahren zum Kühlen einer Komponente in einem Fahrzeug mit einem Hilfsheizungs-, -lüftungs- und -klima-(HLK)-System, das eine Hilfskühlmittelschleife enthält, die folgenden Schritte umfassend: Erzeugen eines Luftstroms durch einen ersten Wärmetauscher zum Senken einer Temperatur des Luftstroms; Leiten mindestens eines Teils des Luftstroms mit gesenkter Temperatur durch einen zweiten Wärmetauscher; Pumpen von Kühlmittel durch die Hilfskühlmittelschleife zum Entziehen von Hitze aus der Komponente; und Ändern einer Temperatur des Kühlmittels innerhalb der Hilfskühlmittelschleife unter Verwendung des zweiten Wärmetauschers.
Verfahren zum Kühlen einer Komponente in einem Fahrzeug mit einem Hilfsheizungs-, -lüftungs- und -klima-(HLK)-System, das eine Hilfskühlmittelschleife beinhaltet, nach Anspruch 16, wobei der Schritt des Änderns einer Temperatur des Kühlmittels das Steuern eines Kühlmittelstroms durch den zweiten Wärmetauscher beinhaltet.
Verfahren zum Kühlen einer Komponente in einem Fahrzeug mit einem Hilfsheizungs-, -lüftungs- und -klima-(HLK)-System, das eine Hilfskühlmittelschleife beinhaltet, nach Anspruch 16, wobei im Wesentlichen der Gesamte Luftstrom mit gesenkter Temperatur durch den zweiten Wärmetauscher in einem Komponentenkühlungsmodus geleitet wird.
Verfahren zum Kühlen einer Komponente in einem Fahrzeug mit einem Hilfsheizungs-, -lüftungs- und -klima-(HLK)-System, das eine Hilfskühlmittelschleife beinhaltet, nach Anspruch 18, ferner umfassend den Schritt des Rückführens des Luftstroms mit gesenkter Temperatur, der durch den zweiten Wärmetauscher geleitet wird, zurück zu einem Gebläse.
Verfahren zum Kühlen einer Komponente in einem Fahrzeug mit einem Hilfsheizungs-, -lüftungs- und -klima-(HLK)-System, das eine Hilfskühlmittelschleife beinhaltet, nach Anspruch 16, ferner umfassend die Schritte des Rückführens eines ersten Teils des Teils des Luftstroms mit gesenkter Temperatur, der durch den zweiten Wärmetauscher geleitet wird, und Leitens eines zweiten Teils des Teils des Luftstroms mit gesenkter Temperatur, der durch den zweiten Wärmetauscher geleitet wird, durch einen Auslass in eine Fahrgastzelle in einem Mischkühlungsmodus.