DE10253357B4 - Kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe zum Einsatz in Kraftfahrzeugen zum Kühlen, Heizen und Entfeuchten des Fahrzeuginnenraumes - Google Patents

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Abstract

Kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe zum Einsatz in Kraftfahrzeugen zum Kühlen, Heizen und Entfeuchten des Fahrzeuginnenraumes mittels einer Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungs-Anlage, wobei der Kältemittelkreislauf der Kälteanlage/Wärmepumpe mit der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungs-Anlage über ein Innenwärmeübertragungssystem thermisch gekoppelt ist, das zwei Funktionseinheiten A, B aufweist, die im Kühl-Betrieb als Verdampfer der Kälteanlage geschaltet sind, wobei im kombinierten Entfeuchtungs-Rückheiz-Betrieb eine der Funktionseinheiten A, B als Verdampfer und die andere als Kondensator/Gaskühler geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionseinheiten A, B (41, 42) im Heiz-Betrieb als Kondensator/Gaskühler der Wärmepumpe geschaltet und zur wahlweisen Durchführung eines der vorgegebenen Betriebszustände über ein 3/2-Mehrvvegeventil (18) und ein damit in Verbindung stehendes 4/2-Mehrwegsventil (19) in dem Kälteanlagen-/Wärmepumpenkreislauf eingebunden sind oder über ein beidseitig durchströmbares Expansionsorgan mit Bypass (92) miteinander verbunden sind, wobei ein weiteres beidseitig durchströmbares Expansionsorgan mit Bypass (93) im Kältemittelkreislauf vorgesehen ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe zum Einsatz in Kraftfahrzeugen zum Kühlen, Heizen und Entfeuchten des Fahrzeuginnenraumes mittels einer Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungs-Anlage, wobei der Kältemittelkreislauf der Kälteanlage/Wärmepumpe mit der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungs-Anlage über ein Innenwärmeübertragungssystem thermisch gekoppelt ist, das zwei Funktionseinheiten A, B aufweist, die im Kühl-Betrieb als Verdampfer der Kälteanlage geschaltet sind, wobei im kombinierten Entfeuchtungs-Rückheiz-Betrieb eine der Funktionseinheiten A, B als Verdampfer und die andere als Kondensator/Gaskühler geschaltet ist.
  • An die Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungs-Anlagen (HLK-Anlagen) von Kraftfahrzeugen werden verschiedene Anforderungen gestellt. In erster Linie wird in der kalten Jahreszeit die Erwärmung der dem Fahrgastraum zuströmenden Luft im Vordergrund stehen.
  • Zunehmend werden Kraftfahrzeuge auch mit Klimaanlagen ausgerüstet, welche dann die Kühlung der dem Fahrgastraum zuströmenden Luft im Sommer übernehmen.
  • Beim Einsatz einer Kälteanlage für die Kühlung ist es möglich, gerade in den Übergangszeiten zwischen warmer und kalter Jahreszeit, die Feuchtigkeit der dem Fahrgastinnenraum zuströmenden Luft herabzusetzen. Dazu wird der Verdampfer der Kälteanlage zur Entfeuchtung der Luft genutzt, welche nachfolgend mit dem Heizer des Motorkühlkreislaufes auf die gewünschte Temperatur erwärmt wird. Auf diese Weise ist es möglich, ein Beschlagen der Scheiben wirkungsvoll zu verhindern.
  • Eine im Stand der Technik bekannte klassische Ausführung dieses kombinierten Betriebes ist in 1 zum besseren Verständnis der Erfindung einführend dargestellt.
  • Die Motorkühlung 2 besteht dabei in ihrer einfachsten Form aus einem Kühlmittelkreislauf, welcher üblicherweise mit einem Glykol-Wasser-Gemisch arbeitet, und aus einer Pumpe 12, welche das Kühlmittel über den Motor bzw. das Antriebsaggregat 13 des Kraftfahrzeuges zu einem Thermostatventil 14 befördert, wo je nach Anforderung entweder der Heizungswärmeübertrager 5 der HLK-Anlage 3 im Motorkühlkreislauf oder der Kühler 15 oder auch beide angeströmt werden, wonach sich der Kreislauf bei der Pumpe 12 wieder schließt.
  • Die Kälteanlage 1 besteht aus den Komponenten Kompressor 6, welcher das Kältemittel verdichtet, einem Außenwärmeübertrager 7 und einem inneren Wärmeübertrager 29 mit einem Hochdruckteil 8 und einem Niederdruckteil 11 sowie dem Expansionsorgan 9. Nach dem Expansionsorgan 9 gelangt das entspannte Kältemittel in einen Innenwärmeübertrager 4, der in der HLK-Anlage 3 angeordnet ist und für die Entfeuchtung der zuströmenden Luft in der Übergangszeit oder für die Kühlung der Luft in der warmen Jahreszeit sorgt. Nach dem Innenwärmeübertrager/Verdampfer 4 durchströmt das Kältemittel den Sammler 10 zur Separierung und Speicherung von Flüssigkeit und Gas und den Niederdruckteil 11 des inneren Wärmeübertragers 29, gelangt schließlich den Kreislauf schließend zum Kompressor 6.
  • Das nachfolgende Erhitzen der entfeuchteten und gekühlten dem Fahrgastraum zuströmenden Luft wird auch als Rückheizung (engl. reheat) bezeichnet. Die Richtung des Luftstromes in der HLK-Anlage 3 wird durch einen Pfeil 16 dargestellt.
  • Im Stand der Technik sind gleichfalls Systeme bekannt, welche für Kraftfahrzeuge die Kombination von Kälteanlage und Wärmepumpe zeigen. Ein derartiges System wird in 2 dargestellt.
  • Wiederum wird ein Kältemittelkreislauf einer kombinierten Kälteanlage/Wärmepumpe 1 mit dem Motorkühlkreislauf der Motorkühlung 2 und der HLK-Anlage 3 des Kraftfahrzeuges kombiniert. Dabei wird der Motorkühlkreislauf der Motorkühlung 2 dahin gehend erweitert, dass als weiterer Verbraucher bzw. Abnehmer der Wärmeenergie des Motors ein Kopplungswärmeübertrager 17 zwischen dem Kältemittelkreislauf und dem Motorkühlkreislauf vorgesehen wird. Dieser Kopplungswärmeübertrager 17 nutzt die Wärme des Motorkühlkreislaufes zur Verdampfung des Kältemittels und stellt damit diese Wärme der Wärmepumpe als Verdampfungswärme zur Verfügung.
  • Für den Rückheiz-Betrieb im Kälteanlagenmodus wird in beiden genannten Systemen der Motorkühlkreislauf der Motorkühlung 2 verwendet. Dazu ist ein Heizungswärmeübertrager 5 vorgesehen. Im Kälteanlagenbetrieb wird also die Luft von dem als Verdampfer arbeitenden Innenwärmeübertrager 4 der Kälteanlage 1 entfeuchtet und anschließend vom Heizungswärmeübertrager 5 erwärmt.
  • Im Wärmepumpenbetrieb wird Wärme des Motorkühlkreislaufes der Motorkühlung 2 über den Kopplungswärmeübertrager 17 an den Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe übertragen, welcher die Wärme dann im als Kondensator/Gaskühler arbeitenden Innenwärmeübertrager 4 zur Beheizung der dem Fahrgastraum zuströmenden Luft abgibt. Für ein sehr effektives und dynamisches System ist es förderlich, wenn die in den Fahrzeuginnenraum strömende Luft in diesem Betriebsfall den Heizungswärmeübertrager 5 nicht durchströmt. Dies wird durch die Klappenstellung in der Luftverteilungskammer der HLK-Anlage 3 erreicht.
  • Der Kältemittelkreislauf bzw. der Motorkühlkreislauf der Motorkühlung 2 wird dabei durch den Kopplungswärmeübertrager 17 und entsprechende Umschaltventile und weiteres mehr im Vergleich zu dem vorangehenden System erweitert.
  • Den beschriebenen Systemen haftet der Nachteil an, dass die benötigten Wärmeübertrager sehr teuer sind und in den üblichen Gestaltungsvarianten auch sehr viel Platz einnehmen, was einen großen Nachteil für mobile Anwendungen darstellt.
  • Eine Fahrzeugklimaanlage (HLK-Anlage) mit einem Kühlkreislauf ist in der Druckschrift DE 38 20 811 C2 beschrieben, wobei der Kühlkreislauf aus einem Kühlmittel-Leitungssystem aufgebaut ist, das einen Kompressor, einen Kondensator und einen Verdampfer miteinander verbindet und mit einem Heizkreislauf, der einen die Motorwärme des Fahrzeuges ausnutzenden Kopplungswärmeübertrager aufweist und für einen wahlweisen Kühl- oder Heiz-Betrieb vorgesehen ist, in Verbindung steht.
  • In der HLK-Anlage befinden sich ein Haupt-Verdampfer und ein Hilfs-Verdampfer, der zur Kühlung sowie Trocknung der Klimatisierungsluft an seinem Zulauf mit dem Haupt-Verdampfer und an seinem Ablauf mit dem Wärmeübertrager verbunden ist. Mit beiden Funktionseinheiten, die dem Kältemittelkreislauf angehören, können in gemeinsamer Beteiligung eine Kühlung und auch ein Rückheiz-Betrieb in der HLK-Anlage durchgeführt werden.
  • Ein Problem besteht darin, dass der Hilfs-Verdampfer und der Haupt-Verdampfer des Kältemittelkreislaufes nicht gleichsam beteiligt als Kondensatoren im Heiz-Betrieb agieren, weil insbesondere die vorhandenen Ventil- bzw. Bypass-Anordnungen nicht dafür ausgelegt ist. Im Heiz- und im Rückheiz-Betrieb bleibt der Hilfs-Verdampfer immer als Verdampfer geschaltet, so dass für beide Verdampfer kein gemeinsam unterstützter Heiz-Betrieb vorgesehen ist. Außerdem ist für den Heiz-Betrieb neben dem Hauptverdampfer als Kondensator immer noch der Wärmeübertrager als heizende Funktionseinheit aus dem Motorkühlkreislauf vorgesehen, die aber nicht zum Kältemittelkreislauf gehört. Für jeden der Verdampfer ist darüberhinaus schaltungsbedingt ein Expansionsventil erforderlich.
  • Eine zusätzliche Heizeinrichtung für Fahrzeuge ist in der Druckschrift DE 198 55 349 C2 beschrieben, die zum Heizen den Klimatisierungskreislauf einer Klimaanlage benutzt wird, wobei der Klimatisierungskreislauf einen Wärmeübertrager, einen Kompressor und wenigstens eine Expansionseinrichtung aufweist, wobei der Kompressor und die Expansionseinrichtung den Druck und damit die Temperatur des durch den Wärmeübertrager strömenden Kältemittels regeln, wobei zur Kühlung und Heizung unterschiedliche Wärmeübertrageroberflächen vorgesehen sind und wobei der Druck oder die Menge des durch den Wärmeübertrager strömenden Kältemittels derart geregelt ist, dass über die Wärmeübertrageroberflächen soviel Wärme abgegeben wird, dass das Kältemittel überhitzt vom Kompressor angesaugt wird.
  • En Problem besteht darin, dass durch die zusätzliche Heizungseinrichtung relativ viel Platz in der Klimaanlage beansprucht wird. Darin kann aber nicht auf die vorhandene Fahrzeugheizeinrichtung verzichtet werden. Die zusätzliche Heizungseinrichtung ist nicht für den gemeinsamen Kühl-Betrieb vorgesehen. Auch wenn einer der Wärmeübertrager mit der Flüssigkeit zum Kühlen vorgesehen ist, ist es erforderlich, dass in den Kompressor immer überhitzte Gesamtflüssigkeit hineinfließt.
  • Eine Klimaanlage für Fahrzeuge ist in der Druckschrift DE 198 06 854 A1 beschrieben, die einen Kältemittelkreislauf hat und durch Umschaltung von zwei Strömungsverteilern zwei einen gemeinsamen Kompressor und gemeinsame Expansionseinrichtungen aufweisende Betriebskrisläufe ermöglicht, von denen einer dem Kühlen und der andere dem Heizen des Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges dient. Der Heizkreislauf ermöglicht eine sehr schnelle Erwärmung des Fahrgastraumes auch aus kaltem Zustand der Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeuges, da das zirkulierende Kältemittel im Kompressor trägheitslos auf eine maximale Heiztemperatur erwärmt wird. Als Wärmequelle für das Heizen eignet sich das für die Kühlung der Verbrennungskraftmaschine vorgesehene Kältemittelkreislauf, wofür beide Kältemittelkreisläufe über einen gemeinsamen Wärmeübertrager – Kopplungswärmetauscher – gekoppelt sind. Der Klimatisierungswärmeübertrager ist für beide Betriebskrisläufe sowohl für Heizen als auch für Kühlen vorgesehen.
  • Die vorgenannte Klimaanlage entspricht weitgehend der in 2 des Standes der Technik angegebenen Klimaanlage. Die Strömungsverteiler sind in 2 zwar nicht explizit eingezeichnet, doch sind sie indirekt einmal vor dem Expansionsventil und nach dem Innenwärmeübertrager als Strömungsverteiler eingeschaltet. Ebenso wie mit dem Kältemittelkreislauf in 2 sind zwei verschiedene Betriebskreisläufe unter Nutzung des Kopplungswärmetauschers in 2 möglich.
  • Eine weitere Fahrzeugklimaanlage mit einem Kältemittelkreislauf ist in der Druckschrift DE 196 44 583 A1 beschrieben, wobei der Kältemittelkreislauf einen Kompressor, hochdruckseitig zwei seriell angeordnete Kondensatoren und/oder niederdruckseitig zwei parallel angeordnete Verdampfer umfasst, sowie mit Steuermitteln zum wahlweisen Betrieb der Anlage im Heiz-Betrieb, im Kühl-Betrieb oder im Rückheiz-Betrieb.
  • Dabei dient ein erster Kondensator im Heiz-Betrieb und im Rückheiz-Betrieb zur Aufheizung des in den Fahrzeuginnenraum geführten Klimatisierungsluftstroms, während der zweite Kondensator zur primären Kondensation des Kältemittels im Kühl-Betrieb und optional im Rückheiz-Betrieb dient. Zusätzlich oder alternativ dazu dient ein erster Verdampfer im Kühl-Betrieb und im Rückheiz-Betrieb zur Kühlung des Klimatisierungsluftstroms, während ein zweiter Verdampfer im Heiz-Betrieb und optional im Rückheiz-Betrieb zur Kältemittelverdampfung bei höherem Druck mittels Nutzung von Fahrzeugantriebswärme dient.
  • In der Klimaanlage befinden sich ein erster Kondensator und ein erster Verdampfer. Dem ersten Kondensator ist ein zweiter Kondensator nachgeordnet, der durch ein davor eingebautes 3/2-Wageventil über einen Bypass im Heiz-Betrieb überbrückt werden kann.
  • Der erste Kondensator und der erste Verdampfer, die zur Klimaanlage gehören, sind nicht gemeinsam beteiligt in den Heiz-Betrieb eingebunden. Im Heiz-Betrieb wird der in der Klimaanlage eingebrachte erste Verdampfer durch eine Umschaltung des Ventils stillgelegt. Dadurch, dass die beiden sowohl zum Kältemittelkreislauf als auch zur Klimaanlage gehörenden Funktionseinheiten nicht gemeinsam an den Betriebszuständen beteiligt sind, kann von eines vollen wärmeübertragenden Auslastung der Funktionseinheiten nicht ausgegangen werden. Der zweite Verdampfer ist außerhalb der Klimaanlage angeordnet.
  • Eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges mit einem von Kühlen auf Heizen umschaltbaren Kreislauf ist in der Druckschrift DE 100 36 038 A1 beschrieben, in dem ein von der zu klimatisierenden Luft durchströmbarer Zusatzwärmeübertrager vorgesehen ist, wobei für den Kühl-Betrieb ein als Verdampfer wirkender Kühl-Wärmeübertrager und für den Heiz-Betrieb der mit Kältemittel beaufschlagbare Zusatzwärmeübertrager vorgesehen ist. In der Klimaanlage befinden sich somit der Verdampfer, der Zusatzwärmeübertrager und der Heizkörper.
  • Um eine verbesserte Klimaanlage bereitzustellen, mit der insbesondere der Zusatzwärmeübertrager besser nutzbar ist, wird vorgeschlagen, dass der Zusatzwärmeübertrager im Kühl-Betrieb auch als Verdampfer wirkender Kühl-Zusatzwärmeübertrager betreibbar ist. Der Herzkörper gehört nicht zum Kälteanlagen-/Wärmepumpen-Kreislauf.
  • Ein Problem besteht darin, dass die Klimaanlage im Entfeuchtungs-Rückheiz-Betrieb ohne Heizkörper nicht betrieben werden kann. Es kann mittels des Umschaltventils, das nach dem Kompressor angeordnet ist, nur eine Umschaltung von Kühlen auf Heizen und umgekehrt stattfinden. Außerdem ist die Verteilung der Ströme nach dem Kompressor schon in 2 dargestellt, in der auch nur ein Umschalten in die beiden Betriebszustände möglich ist. Damit ist auch kein Rückheiz-Betrieb zwischen dem Verdampfer und dem Zusatzwärmeübertrager möglich, sondern nur unter Hinzufügung der Heizvorrichtung, die aber nicht zum Kälteanlagen-/Wärmepumpen-Kreislauf gehört. Das Umschaltventil betrifft somit keinen Rückheiz-Betrieb in der Klimaanlage zwischen dem Verdampfer und dem Zusatzwärmeübertrager.
  • Es ist kein Bezug zu einem Entfeuchtungs-Rückheiz-Betrieb vorhanden, da nur Heizen oder Kühlen als Betriebszustände zur Ausführung gelangen.
    •
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe anzugeben, die derart modifiziert ist, das die Durchführung von Wärmeübertragungen in einer HLK-Anlage eines Kraftfahrzeuges Platz sparend realisiert wird. Dabei soll eine Reduktion von Baugruppen sowohl in der Anzahl als auch in der Größe bei gemeinsamer Beteiligung an den vorgegebenen wärmeübertragenden Betriebszuständen erreicht werden.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. In der kombinierten Kälteanlage/Wärmepumpe zum Einsatz in Kraftfahrzeugen zum Kühlen, Heizen und Entfeuchten des Fahrzeuginnenraumes mittels einer Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungs-Anlage (HLK-Anlage), wobei der Kältemittelkreislauf der Kälteanlage/Wärmepumpe mit der HLK-Anlage über ein Innenwärmeübertragungssystem thermisch gekoppelt ist, das zwei Funktionseinheiten A,B aufweist, die im Kühl-Betrieb als Verdampfer der Kälteanlage geschaltet sind, wobei im kombinierten Entfeuchtungs-Rückheiz-Betrieb eine der Funktionseinheiten A, B als Verdampfer und die andere als Kondensator/Gaskühler geschaltet ist, sind
    gemäß dem Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1
    die Funktionseinheiten A, B im Heiz-Betrieb als Kondensator/Gaskühler der Wärmepumpe geschaltet und zur wahlweisen Durchführung eines der vorgegebenen Betriebszustände über ein 3/2-Mehrwegeventil und ein damit in Verbindung stehendes 4/2-Mehrwegeventil in dem Kälteanlagen-/Wärmepumpenkreislauf eingebunden oder über ein beidseitig durchströmbares Expansionsorgan mit Bypass miteinander verbunden, wobei ein werteres beidseitig durchströmbares Expansionsorgan mit Bypass im Kältemittelkreislauf vorgesehen ist.
  • Vorteilhaft realisiert wird das Innenwärmeübertragersystem im Kältemittelkreislauf mit den zwei Funktionseinheiten derart ausgeführt, dass die beiden Funktionseinheiten baulich als ein Wärmeübertrager ausgeführt sind. Dabei wird ein Wärmeübertrager derart modifiziert, dass ein Teil seiner Kapazität als Verdampfer und ein anderer Teil seiner Kapazität als Kondensator/Gaskühler arbeitet, jedoch auch beide Funktionseinheiten einheitlich als Kondensator oder als Verdampfer arbeiten können.
  • Die vorgenannte Arbeitsweise, insbesondere des kombinieren Betriebes mit den zwei Funktionseinheiten, erfordert die Schaltung dieser Funktionseinheiten nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform über zwei Mehrwegeventile.
  • Das 3/2-Mehtwegeventil zwischen den Funktionseinheiten kann neben den Anschlüssen zu den Funktionseinheiten und dem 4/2-Mehrwegeventil vorzugsweise einen Kanal für den kombinierten Kälteanlagen-/Wärmepumpen-Betrieb und eine Drossel für den Kältemittelstrom enthalten.
  • Innerhalb des 3/2-Mehrwegeventils ist der Kanal zwischen dem Anschluss der Funktionseinheit und dem Anschluss des 4/2-Mehrwegeventils ausgebildet. Die Drossel befindet sich zwischen dem Anschluss der Funktionseinheit und dem Anschluss des 4/2-Mehrwegeventils, wobei ein verstellbares Verschlusselement im kreuzenden Bereich der Durchgänge zu den Anschlüssen vorhanden ist.
  • Das 3/2-Mehrwegeventil und das 4/2-Mehrwegeventil können baulich zu einer Einheit kombiniert sein, wobei wahlweise die Drossel im 4/2-Mehrwegeventil eingebracht ist und der Einheitsstrang in Bezug auf die Stellungen des inneren Absperrventils und des zugehörigen inneren Expansionsventils regelbar ist.
  • Der Vorteil der erfindungsgemäßen kombinierten Kälteanlage/Wärmepumpe besteht in erster Linie darin, dass der Wärmeübertrager des Motorkühlkreislaufes eingespart werden kann und somit eine Komponente im Unterschied zu herkömmlichen Ausgestaltungsformen eingespart wird. Anstelle des eingesparten Wärmeübertragers sind lediglich ein bzw. zwei Ventile zusätzlich erforderlich, um die kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe zu realisieren.
  • Der besondere Vorteil der kombinierten Kälteanlage/Wärmepumpe besteht darin, dass sie in Klimaanlagen, welche das Heizen und Kühlen durch die Kombination von Kälteanlage und Wärmepumpe realisieren, einsetzbar ist. Dadurch wird es möglich, dass im Frühling/Herbst, also der Übergangszeit, die Kombination von Kühlen/Entfeuchten im Teillastbetrieb und von Heizen im Rückheiz-Betrieb gleichzeitig mit der Kälteanlage/Wärmepumpe möglich wird. Der in der HLK-Anlage für den Rückheiz-Betrieb bzw. im Winter für den Heiz-Betrieb erforderliche Kühlmittelluftwärmeübertrager des Motorkühlkreislaufes kann dadurch wie beschrieben entfallen.
  • Gemäß der Erfindung wird beim kombinierten Kühl- und Heiz-Betrieb zur Entfeuchtung in der Übergangszeit (Herbst/Frühling) für die Entfeuchtung der Kompressor der Klimaanlage in Betrieb genommen. Der thermodynamische Prozess erfordert, dass neben der Wärmeaufnahme im Verdampfer zur Entfeuchtung auch Wärme im Kondensator/Gaskühler abgegeben wird. Diese Wärme steht der kombinierten Kälteanlage/Wärmepumpe zur Verfügung und wird für die Erwärmung der Luft im Rückheiz-Betrieb verwendet.
  • Im Winter bei sehr tiefen Temperaturen wird der Wärmepumpenbetrieb genutzt. Ist die Motorwärme ausreichend, wird das Kältemittel als Wärmeträger verwendet, der die Wärme vom Glykolwärmeübertrager zum. Innenwärmeübertrager überträgt. Der Kompressor überwindet dabei nur die Druckverluste in der kombinierten Kälteanlage/Wärmepumpe und arbeitet somit als Pumpe.
  • Der Kühl-Betrieb verläuft wie in einer konventionellen Kraftfahrzeugklimaanlage üblich.
  • Besonders vorteilhaft wird die Erfindung dadurch, dass in den kombinierten Kälteanlage/Wärmepumpen kupplungslose Kompressoren verwendet werden. Das bedeutet, dass der Kompressor immer in Betrieb ist.
  • Die Klimaanlage wird im Sommer bzw. im Winter zum Heizen bzw. Kühlen daher ständig verwendbar sein. Dabei wird die Anlage jeweils im Volllastmodus bei 100 % Heizen ohne Entfeuchtung bei sehr tiefen Umgebungstemperaturen im Winter oder bei 100 % Kühlen ohne Rückheizung bei sehr heißen Temperaturen im Sommer betrieben. Der Innenwärmeübertrager der HLK-Anlage wird dabei ausschließlich als Verdampfer bzw. Gaskühler/Kondensator verwendet. Besonders vorteilhaft ist insbesondere eine kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe unter Verwendung des Kältemittels Kohlendioxid.
  • In den meisten Anwendungsfällen wird die kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe jedoch in Teillast und bei Umgebungsbedingungen betrieben, die ein Kühlen/Entfeuchten und Heizen erfordern. Teillast bedeutet, es wird nur ein Teil der maximalen Leistung der kombinierten Kälteanlage/Wärmepumpe bzw. der Komponenten benötigt. Da aber für das Entfeuchten und anschließende Heizen zwei Wärmeübertrager benötigt werden, wird der Innenwärmeübertrager in zwei Funktionseinheiten unterteilt. Für diesen Anwendungsfall wird der Innenwärmeübertrager gleichzeitig als Verdampfer und Gaskühler/Kondensator arbeiten.
  • Die kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe wird derart betrieben, dass im kombinierten Entfeuchtungs-Rückheiz-Betrieb der Kältemittelmassenstrom zur Wärmeabgabe für den Rückheiz-Betrieb über eins der Funktionseinheiten und anschließend nach Entspannung über die andere der Funktionseinheiten zur Entfeuchtung der Luft geführt wird.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird im kombinierten Entfeuchtungs-Rückheiz-Betrieb der Kältemittelmassenstrom nach dem Kompressor in Teilströme aufgeteilt und ein Teilstrom für den Rückheiz-Betrieb und ein anderer Teilstrom für die Entfeuchtung in den jeweiligen Funktionseinheiten genutzt. Die Kältemittelteilströme werden dann je nach Ausgestaltung der kombinierten Kälteanlage/Wärmepumpe vor der Verdichtung zusammengeführt.
  • Dem Kompressor ist ein Mehrwegeventil zur wahlweisen Aufteilung des austretenden Kältemittelstroms nachgeschaltet, das wahlweise von einem Expansionsorgan je nach vorgegebenem Durchfluss der aufgeteilten Kältemittelmengen in die Funktionseinheiten geregelt oder getaktet wird.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird dadurch realisiert, dass die Funktionseinheiten mit einem beidseitig durchströmbaren Expansionsorgan mit Bypass verbunden sind und dass ein weiteres beidseitig durchströmbares Expansionsventil mit Bypass im Kältemittelkreislauf vorgesehen ist. Dabei ist wesentlich, dass das Expansionsventil mit Bypass in der Bypassstellung nicht drosselt, sondern vollständig öffnet.
  • Äußerst vorteilhaft ist es nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, dass als Wärmequelle für den Wärmepumpenbetrieb ein Kopplungswärmeübertrager fungiert, welcher den Kältemittelkreislauf der Kälteanlage/Wärmepumpe und den Kühlmittelkreislauf der Motorkühlung thermisch koppelt. Dabei wird Wärme vom Kühlmittelkreislauf der Motorkühlung an den Kältemittelkreislauf der kombinierten Kälteanlage/Wärmepumpe übertragen.
  • Gleichermaßen vorteilhaft ist es, als Wärmequelle für den Wärmepumpenbetrieb einen Luftwärmeübertrager vorzusehen, welcher beim Wärmepumpenbetrieb Wärme aus der Luft auf den Kältemittelkreislauf der kombinierten Kälteanlage/Wärmepumpe überträgt.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist, wenn im Innenwärmeübertragersystem zusätzlich ein Heizungswärmeübertrager des Motorkühlkreislaufes in die HLK-Anlage integriert wird. Auf diese Art und Weise kann ein gemischter Betrieb bzw. ein unterstützter Heiz-Betrieb des Gesamtsystems realisiert werden.
  • Ein kombinierter Temperatur/Feuchtesensor kann in der HLK-Anlage vorhanden sein, der mit einer Steuerung oder Regelung verbunden ist, die über den zugehörigen Betriebszustand entscheidet.
  • Der Vorteil der kombinierten Kälteanlage/Wärmepumpe besteht in erster Linie darin, dass der Wärmeübertrager des Motorkühlkreislaufes kleiner ausgeführt werden kann.
    •
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
  • 1: Fließbild Kälteanlage Motorkühlung und HLK-Anlage, im Stand der Technik,
  • 2: Kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe als Kältemittelkreislauf und modifizierter Motorkühlkreislauf mit Glykolwärmeübertrager und Heizungswärmeübertrager in der HLK-Anlage, im Stand der Technik,
  • 3: Kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe mit Innenwärmeübertragersystem aus zwei Funktionseinheiten im Kältemittelkreis,
  • 4: Kälteanlage/Wärmepumpe mit 6/2- und 3/2-Wegeventil,
  • 5: Übersicht über die Ventilstellungen der Mehrwegeventile A, B, C und D,
  • 6: Mehrwegeventil D,
  • 7: Kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe mit beidseitig durchströmbaren Expansionsventilen mit Bypass,
  • 8: Übersicht über die Ventilstellungen der Mehrwegeventile A, B, C und D,
  • 9 Kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe im kombinierten Entfeuchtungs-Rückheiz-Betrieb,
  • 10 Kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe im kombinierten Entfeuchtungs-Rückheiz-Betrieb mit Einbindung des Kopplungswärmeübertragers.
  • In 3 wird eine kombinierte Kälteanlagen/Wärmepumpe 1 anhand eines Schaltbildes gezeigt.
  • Die kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe 1 ist vorgesehen zum Einsatz in Kraftfahrzeugen zum Kühlen, Heizen und Entfeuchten des Fahrzeuginnenraumes mittels einer Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungs-Anlage (HLK-Anlage) 3, wobei der Kältemittelkreislauf der Kälteanlage/Wärmepumpe 1 mit der HLK-Anlage 3 über ein Innenwärmeübertragungssystem thermisch gekoppelt ist, das zwei Funktionseinheiten A 41, B 42 aufweist, die im Kühl-Betrieb als Verdampfer der Kälteanlage geschaltet sind, wobei im kombinierten Entfeuchtungs-Rückheiz-Betrieb eine der Funktionseinheiten A 41, B 42 als Verdampfer und die andere als Kondensator/Gaskühler geschaltet ist.
  • Erfindungsgemäß sind die Funktionseinheiten A 41, B 42 im Heiz-Betrieb als Kondensator/Gaskühler der Wärmepumpe geschaltet und zur wahlweisen Durchführung eines der vorgegebenen Betriebszustände über ein 3/2-Mehrwegeventil 18 und ein damit in Verbindung stehendes 4/2-Mehrwegeventil 19 in dem Kälteanlagen-/Wärmepumpenkreislauf eingebunden oder über ein beidseitig durchströmbares Expansionsorgan mit Bypass 92 miteinander verbunden, wobei ein weiteres beidseitig durchströmbares Expansionsorgan mit Bypass 93 im Kältemittelkreislauf vorgesehen ist.
  • Das 3/2-Mehrwegeventil 18 enthält zwischen den Funktionseinheiten A, B 41, 42 neben den Anschlüssen zu den Funktionseinheiten A, B 41, 42 und dem 4/2-Mehrwegeventil 19 vorzugsweise einen Kanal 26 für den kombinierten Kälteanlagen-/Wärmepumpen-Betrieb und eine Drossel 27 für den Kältemittelstrom.
  • Innerhalb des 3/2-Mehrwegeventils 18 ist der Kanal 26 zwischen dem Anschluss 24 der Funktionseinheit A 41 und dem Anschluss 25 des 4/2-Mehrwegeventile 19 ausgebildet. Die Drossel 27 befindet sich zwischen dem Anschluss 23 der Funktionseinheit B 42 und dem Anschluss 25 des 4/2-Mehrwegeventils 19, wobei ein verstellbares Verschlusselement 22 im kreuzenden Bereich der Durchgänge zu den Anschlüssen 23, 24, 25 vorhanden ist.
  • Das 3/2-Mehrwegeventil 18 und das 4/2-Mehrwegeventil 19 können baulich zu einer Einheit kombiniert sein, wobei wahlweise die Drossel 27 im 4/2-Mehrwegeventil 19 eingebracht ist und der Einheitsstrang in bezug auf die Stellungen des inneren Absperrventils und des zugehörigen inneren Expansionsventils regelbar ist.
  • Der Kompressor 6 ist als kupplungsloser Verdichter zum jahreszeitlich unabhängigen Betrieb ausgebildet. Dem Kompressor 6 ist ein Mehrwegeventil 21 zur wahlweisen Aufteilung des austretenden Kältemittelstroms nachgeschaltet, das wahlweise von einem Expansionsorgan 91, 27 je nach vorgegebenem Durchfluss der aufgeteilten Kältemittelmengen in die Funktionseinheiten A, B 41, 42 geregelt oder getaktet wird.
  • Als Wärmequelle für den Wärmepumpenbetrieb ist ein Kopplungswärmeüberträger 17 vorgesehen, welcher den Kältemittelkreislauf und den Kühlmittelkreislauf der Motorkühlung 2 thermisch koppelt, wobei Wärme vom Kühlmittelkreislauf der Motorkühlung 2 an den Kältemittelkreislauf übertragen wird.
  • Ein kombinierter Temperatur/Feuchtesensor kann in der HLK-Anlage 3 vorhanden sein, der mit einer Steuerung oder Regelung verbunden ist, die über den zugehörigen Betriebszustand entscheidet.
  • Die kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe 1 gewährleistet neben dem Kühlen und Heizen auch eine sehr komfortable Entfeuchtung im Rückheiz-Betrieb der Anlage.
  • Im Kälteanlagenbetrieb wird das Kältemittel, vorzugsweise Kohlendioxid, im Kompressor 6 auf Hochdruck verdichtet, durchströmt das Mehrwegeventil 21 und wird im Außenwärmeübertrager 7 abgekühlt. Es durchströmt hernach den Hochdruckteil 8 des inneren Wärmeübertragers 29, wird im beidseitig durchströmbaren Expansionsorgan 91 entspannt und gelangt schließlich in die Funktionseinheit A 41 und über das Mehrwegeventil D 18 in die Funktionseinheit B 42 des Innenwärmeübertragers.
  • Das Kältemittel durchströmt die Funktionseinheiten A 41 und B 42 und nimmt aus der in Pfeilrichtung 16 strömenden Luft Wärme auf.
  • Das Kältemittel gelangt über das Mehrwegeventil A 19 und das Mehrwegeventil B 20 sowie den Sammler 10 und den Niederdruckteil 11 des inneren Wärmeübertragers 29 zum Kompressor 6. Der Kältemittelkreislauf im Kälteanlagenbetrieb ist geschlossen.
  • Im Wärmepumpen oder Heiz-Betrieb der kombinierten Kälteanlage/Wärmepumpe 1 wird der Kältemitteldampf im Kompressor 6 verdichtet und gelangt über die Mehrwegeventile C 21 und A 19 in die Funktionseinheit B 42 und weiter über das Mehrwegeventil D 18 in die Funktionseinheit A 41 des Innenwärmeübertragersystems. Dort wird das Kohlendioxid über- bzw. unterkritisch vom Luftstrom mit der Richtung 16 abgekühlt.
  • Das abgekühlte, kondensierte Kältemittel durchströmt das beidseitig durchströmbare Expansionsventil 91 und gelangt zum Kopplungswärmeübertrager 17, welcher Wärme aus dem Motorkühlkreislauf der Motorkühlung 2 an den Kältemittelstrom überträgt. In diesem Falle arbeitet der Kopplungswärmeübertrager 17 als Verdampfer. Der Kältemitteldampf gelangt schließlich über das Mehrwegeventil B 20 und den Sammler 10 über den Niederdruckteil 11 des inneren Wärmeübertragers 29 zum Kompressor 6, der Kreislauf ist geschlossen.
  • Im Frühling/Herbst, also den Übergangsjahreszeiten, wird der Rückheiz-Betrieb, das heißt, eine Entfeuchtung der in den Fahrgastinnenraum strömenden Luft mit anschließender Erwärmung der Luft, benötigt. Dies geschieht, um die erwärmte Luft derart zu konditionieren, dass sie nicht an den Scheiben kondensiert und damit zu einer Verschlechterung der Sichtverhältnisse in der Fahrzeugkabine führt.
  • Im Rückheiz-Betrieb wird das Kältemittel im Kompressor 6 verdichtet und anschließend im Mehrwegeventil C 21 in zwei Masseströme aufgeteilt.
  • Der erste Teil des Massestromes gelangt über das Mehrwegeventil A 19 in die Funktionseinheit B 42 des Innenwärmeübertragersystems und wird dort unter Wärmeabgabe abgekühlt, realisiert folglich in der HLK-Anlage 3 den Rückheiz-Betrieb, der Kältemitteldampf gelangt schließlich über das Mehrwegeventil D 18, wo es entspannt wird, zum Mehrwegeventils A 19 und über das Mehrwegeventil B 20 zum Sammler 10 und den Niederdruckteil 11 des inneren Wärmeübertragers 29 in den Kompressor 6 zur Verdichtung.
  • Der zweite Teil des Kältemittelmassenstromes gelangt über das Mehrwegeventil C 21 in den Außenwärmeübertrager 7, den Hochdruckteil 8 des inneren Wärmeübertragers 29, das Entspannungsorgan 91 in die Funktionseinheit A 41 des Innenwärmeübertragersystems und führt folglich durch Verdampfung des Kältemittels und Abkühlung der Luft zu deren Entfeuchtung. Der entstehende Kältemitteldampf vereinigt sich im Mehrwegeventil D 18 mit dem Kältemittel aus der Funktionseinheit B 42.
  • Die Kälteleistung wird beispielsweise durch die Drehzahl des Lüfters bzw. Fan des Außenwärmeübertragers 7 geregelt, womit die Überhitzung des Kältemittels in der Funktionseinheit A 41 beeinflusst werden kann.
  • Das Mehrwegeventil C 21 wird in verschiedenen Modifizierungen ausgeführt. Im separaten Heiz- bzw. Kühlbetrieb ist es in der jeweiligen Stellung zu 100 % offen. Während des kombinierten Kühl- und Heiz-Betriebes kann es in beide Richtungen zum Kühlen oder Heizen zu 100 % geöffnet sein. Die kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe 1 wird jeweils durch das Expansionsorgan 91 und/oder die Festblende 27 gemäß 6 geregelt.
  • Alternativ dazu wird das Mehrwegeventil C 21 getaktet und lässt in die jeweilige Richtung nur die benötigte Kältemittelmenge durch.
  • Das Mehrwegeventil D 18 gibt beim separaten Heizen oder Kühlen den vollen Durchströmquerschnitt frei, um jedwede signifikante Druckbeeinträchtigung zu verhindern. Der Weg zum Mehrwegeventil A 19 hin muss nicht geschlossen sein, nur beim Umschalten auf kombiniertes Kühlen und Heizen ist dieser Querschnitt zu unterbrechen, so dass das Niederdruckkältemittel bzw. Kohlendioxid durch einen freien Querschnitt und das Hochdruckkältemittel/Kohlendioxid durch einen engen Querschnitt gedrosselt wird. Dies wird als Festdrossel oder regelbar ausgeführt. Im Anschluss vermischen sich beide Ströme und fließen in Richtung des Mehrwegeventils A 19.
  • Im Entfeuchtungs-Rückheiz-Betrieb wird mit zwei Masseströmen gearbeitet. Die verschiedenen Massströme werden innerhalb des Kreislaufes, jedoch spätestens vor dem Kompressor 6, wieder zusammengeführt.
  • Ein weiteres Problem kann mit diesem Kreislauf passiv verringert werden. Mach dem Betrieb der Anlage im Kälteanlagen-Modus kann sich Feuchtigkeit im Verdampfer ansammeln. Wird anschließend in den Wärmepumpen-Modus geschaltet, kann es zum Beschlagen der Scheiben kommen.
  • Betreibt man jedoch die Anlage im kombinierten Betrieb und sorgt dafür, dass nur der Kälteanlagenteil betrieben wird, wird die gekühlte und getrocknete Luft beim Durchströmen der Funktionseinheit B 42 diese trocknen.
  • Ist die Funktionseinheit B 42 soweit getrocknet, dass kein Beschlagen der Scheiben mehr auftritt, wird auch der Heizkreislauf in Betrieb genommen.
  • Hervorzuheben ist gleichfalls die Ausführung des Mehrwegeventils D 18, deren Drosselquerschnitt stetig veränderbar ausgebildet wird oder als Festdrossel ausgestaltet ist.
  • Die Ölzirkulation im Kältemittelkreislauf wird durch eine entsprechende Kompressordrehzahländerung, den Kolbenhub bzw. Kreislaufumschaltungen gewährleistet.
  • Auf der Basis eines kombinierten Temperatur/Feuchtesensors entscheidet eine Steuerung oder Regelung, ob der kombinierte Kreislauf oder ein separater Heiz- oder Kühlkreislauf verwendet wird.
  • Bei Verwendung des Kältemittels CO2 wird ein besonderer Effekt dadurch erreicht, dass das beidseitig durchströmbare Expansionsventil 91 beim separaten Heiz-Betrieb derart ausgebildet ist, dass es annähernd auf den Durchmesser des Rohrquerschnittes geöffnet werden kann. Alternativ dazu kann an einer bestimmten Ventilstellung ein Bypass freigegeben werden. Dies wird benötigt, wenn im Heiz-Betrieb der Kältemittelkreislauf nur als Wärmeträgerkreislauf arbeitet, was der Fall ist, wenn der Glykolkreislauf bzw. der Kühlmittelkreislauf der Motorkühlung 2 erwärmt ist und das Kältemittel Kohlendioxid die Wärme in den Innenraum die Kraftfahrzeuges transportiert. Bei der Nutzung des Kältemittels CO2 als Wärmeträger ist es möglich, dass der Prozess außerhalb des Zweiphasengebietes realisiert wird.
  • Ein entsprechend ausgebildetes Mehrwegeventil D 18 wird in 6 dargestellt.
  • In 4 werden die Prozesse durch verschiedene Pfeile schematisch dargestellt. Die Legende zur Zuordnung der Pfeile ist in 5 zu sehen.
  • 5 zeigt eine Übersicht über die Schaltstellung der Mehrwegeventile A, B C und D 19, 20, 21 und 18, wobei den entsprechenden Betriebszuständen: separates Kühlen, separates Heizen und kombiniertes Kühlen und Heizen die entsprechenden Pfeile zugeordnet sind.
  • Das Mehrwegeventil D 18 gemäß 6 wird erfindungsgemäß derart ausgestaltet, dass der Rohrquerschnitt über ein Verschlusselement 22 vollständig verschlossen oder vollständig geöffnet werden kann. Der Anschluss 23 weist zum Funktionselement B 42, der Anschluss 24 zum Funktionselement A 41. Der Anschluss 25 ist mit dem Mehrwegeventil A 19 verbunden. Neben dem die Anschlüsse 23 und 24 direkt verbindenden Rohrquerschnitt ist ein weiterer Kanal 26 für den kombinierten Kälteanlagen/Wärmepumpenbetrieb vorgesehen, nämlich dann, wenn das Verschlusselement 22 die direkte Verbindung zwischen 23 und 24 verschließt. Der im kombinierten Betrieb von der Funktionseinheit B 42 kommende Kältemittelstrom wird im Mehrwegeventil D 18 über die Festblende 27 gedrosselt und vereint sich danach mit dem Kältemitteldampf aus dem Funktionselement A 41 und gelangt, wie beschrieben, über den Anschluss 25 zum Mehrwegeventil A 19.
  • Gleichfalls vorteilhaft ist es, wenn die Festblende 27 als regelbares Expansionsorgan ausgeführt wird.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung lässt sich das Mehrwegeventil D 18 mit dem Mehrwegsventil A 19 baulich zu einer Einheit kombinieren. Sofern die Festblende 27 im Mehrwegeventil A 19 angeordnet wird, kann der Strang auch als regelbares Ventil ausgeführt werden, derart, dass die Stellung des Absperrventils die Stellung des Expansionsventils beeinflusst.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Kreislauf gemäß 7 dahingehend modifiziert, dass anstelle der Mehrwegeventile A 19 und D 48 kombinierte beidseitig durchströmbare Expansionsorgane mit Bypass 92, 93 eingesetzt werden.
  • Mit dieser Ausführungsform ist das separate Kühlen bzw. das separate Heizen in vollem Umfang möglich.
  • Beim kombinierten Betrieb gibt es zwei Varianten, einmal stärker Heizen oder stärker Kühlen.
  • Bei der Variante kombinierter Kühl- und Heiz-Betrieb mit einer höheren Kapazität für Kühlen wird eine andere Strömungsrichtung 16 des Luftstromes in der HLK-Anlage 3 erforderlich, als bei den Varianten kombinierter Kühl- und Heiz-Betrieb bei stärkerer Heizanforderung, bei separatem Kühlen bzw. separatem Heizen.
  • Das in 7 gezeigte Schaltbild gewährleistet neben dem Kühlen und Heizen auch die Entfeuchtung-Rückheizung der kombinierten Kälteanlage/Wärmepumpe 1, jedoch bei einem deutlich geringerem Komfort, aber auch einem deutlich geringeren anlagentechnischen Aufwand.
  • Das Innenwärmeübertragersystem ist, wie in 3 dargestellt, getrennt in die Funktionseinheiten A 41 und B 42 ausgeführt. Das separate Kühlen und Heizen funktioniert ohne jede Einschränkung im Vergleich zu dem nach 3 dargestellten Schaltbild. Der kombinierte Betrieb unterscheidet sich je nach Strömungsrichtung des Kältemittels in einen Kreislauf, in welchem stärker gekühlt bzw. stärker geheizt wird.
  • Das Kältemittel strömt im kombinierten Betrieb mit stärkerer Heizleistung mit Entfeuchtung durch die Funktionseinheit B 42 und wird danach im beidseitig durchströmbaren Expansionsventil 92 gedrosselt. In der zweiten Funktionseinheit A 41 liegt somit gedrosseltes Kältemittel für den Entfeuchtungs-Betrieb vor.
  • Wird jedoch zu wenig zugeheizt, so ist auch die entsprechende Kälteleistung gering. Der Luftstrom in der HLK-Anlage 3 verläuft in gleicher Weise wie in 3.
  • Im kombinierten Betrieb mit einer stärkeren Kühlleistung und Entfeuchtung wird das Kältemittel zwischen den beiden Funktionseinheiten A 41, B 42 des Innenwärmeübertragersystems im beidseitig durchströmbaren Expansionsventil 92 entspannt. Da das Kältemittel bereits im Außenwärmeübertrager 7 und im Hochdruckteil 8 des inneren Wärmeübertragers 29 abgekühlt wurde, steht nur noch eine geringe Heizleistung in der Funktionseinheit A 41, aber eine große Kälteleistung in der Funktionseinheit B 42 zur Verfügung. Deshalb wird dieser Modus auch als Modus mit erhöhter Kälteleistung bezeichnet. Die Abkühlung des Kältemittels Kohlendioxid kann durch die Drehzahl des Motorgebläses (Fan) beeinflusst werden.
  • Der Luftstrom 16 in der HLK-Anlage 3 muss in diesem Modus umgekehrt werden, da sonst zunächst geheizt und im Anschluss gekühlt wird. Das bedeutet, dass die beiden Funktionseinheiten A 41, B 42 ihre Funktionen in diesem Modus getauscht haben. Die letztgenannte Schaltung wird dadurch ermöglicht, dass im beidseitig durchströmbaren Expansionsventil mit Bypass 93 die Bypassschaltung für das Kältemittel gewählt wird.
  • Vorteilhaft für diese Ausgestaltung ist, dass gleichfalls der Heizungswärmeübertrager das Motorkühlkreislaufes der Motorkühlung 2 nicht benötigt wird. Wiederum kann durch einen kombinierten Temperatur/Feuchtesensor geregelt werden, ob ein kombinierter Kreislauf Verwendung finden soll. Zu einem verringerten apparativen Aufwand führt der Umstand, dass in jeder Betriebsart nur mit einem Massestrom gefahren wird.
  • Die Ausführung der beidseitig durchströmbaren Expansionsorgane mit Bypass A und D 92, 93 erfolgt mit regelbaren Drosselquerschnitten oder als Festdrosseln.
  • Die beidseitig durchströmbaren Expansionsventile 92, 93 können den Strömungsquerschnitt im separaten Heiz-Betrieb oder Kälteanlagenbetrieb annähernd auf den Durchmesser des Rohrquerschnittes öffnen oder aber auch ab einer bestimmten Ventilstellung den Bypass freigeben. Dies ist wiederum dann nötig, wenn im Heiz-Betrieb der Kältemittelkreislauf nur als Wärmeträgerkreislauf arbeitet.
  • Wiederum wird die Ölzirkulation durch entsprechende Kompressordrehzahländerungen, Kolbenhub bzw. Kreislaufumschaltungen gewährleistet. 8 zeigt eine Übersicht über die Stellung der beidseitig durchströmbaren Expansionsventile A, D 92, 93 und der Mehrwegeventile B 20, C 21, wobei den entsprechenden Betriebszuständen: separates Kühlen, separates Heizen und kombiniertes Kühlen und Heizen mit höherer Kälteleistung und dem kombinierten Heizen und Kühlen mit höherer Heizleistung die entsprechenden Pfeile 16 der Strömungsrichtung der Luft in der HLK-Anlage zugeordnet sind.
  • In 9 wird eine kombinierte Kälteanlagel/Wärmepumpe im kombinierten Entfeuchtungs-Rückheiz-Betrieb dargestellt. Dabei wird durch die Anordnung der Komponenten der kombinierte Entfeuchtungs-Rückheiz-Betrieb mit und ohne Trennung bzw. Aufteilung des Kältemittelmassenstromes möglich.
  • Bei der Schaltung des Kältemittelkreislaufes ohne Teilströme wird das Kältemittel zunächst im Kompressor 6 verdichtet und über das Mehrwegeventil C 21 zur Funktionseinheit B 42 geleitet, welche hier als Kondensator/Gaskühler arbeitet. Danach gelangt das Kältemittel über eine Kältemittelleitung mit Absperrorgan 28 zum beidseitig durchströmbaren Expansionsorgan 91 und wird dort entspannt und nimmt schließlich in der Funktionseinheit A 41 bei der Entfeuchtung der Luft Wärme auf. Über das Mehrwegeventil D 18. der Sammler 10 und den Niederdruckteil 11 des inneren Wärmeübertragers 29 gelangt das Kältemittel schließlich zurück zum Kompressor 6.
  • Die kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe 1 arbeitet bei kombiniertem Entfeuchtungs-Rückheiz-Betrieb mit geteiltem Kältemittelmassenstrom derart, dass ein Kältemittelteilstrom in gleicher Weise durch die Anlage geführt wird, wie im Betrieb bei ungeteiltem Kältemittelmassenstrom, während der andere Teilstrom nach dem Kompressor 6 über das Mehrwegeventil C 21, den Außenwärmeübertrager 7, den Hochdruckteil 8 des inneren Wärmeübertragers 29 zum beidseitig durchströmbaren Expansionsorgan 91 geführt wird, wo sich die beiden Kältemittelmassenströme vereinen und gemeinsam entspannt werden.
  • Die Betriebsarten Kälteanlage und Wärmepumpe lassen sich mit der in 9 dargestellten kombinierten Kälteanlage/Wärmepumpe analog den vorher beschriebenen Vorrichtungen realisieren.
  • In 10 wird nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ein Kältemittelteilstrom des Wärmepumpenkreislaufes bzw. der zusammengeführte Gesamikältemittelmassenstrom von Kälteanlagen- und Wärmepumpenkreislauf durch den Kopplungswärmeübertrager 17 geführt.
  • Die Überhitzung wird über ein getaktet geschaltetes Ventil im Motorkühlkreislauf der Motorkühlung 2 geregelt.
  • Das Mehrwegeventil D 18 weist dabei am Anschluss 25 ein zusätzliches Absperrorgan auf.
    • 1
    Kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe
    2
    Motorkühlung
    3
    Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungs-Anlage
    4
    Innenwärmeübertrager
    41
    Funktionseinheit A
    42
    Funktionseinheit B
    5
    Heizungswärmeübertrager
    6
    Kompressor
    7
    Außenwärmeübertrager
    8
    Hochdruckteil
    9
    Expansionsorgan
    91
    beidseitig durchströmbares Expansionsorgan ohne Bypass
    92
    beidseitig durchströmbares Expansionsorgan mit Bypass
    93
    beidseitig durchströmbares Expansionsorgan mit Bypass
    10
    Sammler
    11
    Niederdruckteil
    12
    Pumpe
    13
    Motor/Antriebsaggregat des Kraftfahrzeuges
    14
    Thermostatventil
    15
    Kühler
    16
    Richtung des Luftstromes
    17
    Kopplungswärmeübertrager
    18
    Mehrwegeventil D
    19
    Mehrwegeventil A
    20
    Mehrwegeventil B
    21
    Mehrwegeventil C
    22
    Verschlusselement
    23
    Anschluss
    24
    Anschluss
    25
    Anschluss
    26
    Kanal
    27
    Festdrossel/Festblende
    28
    Absperrorgan
    29
    Innerer Wärmeübertrager

Claims (8)

  1. Kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe zum Einsatz in Kraftfahrzeugen zum Kühlen, Heizen und Entfeuchten des Fahrzeuginnenraumes mittels einer Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungs-Anlage, wobei der Kältemittelkreislauf der Kälteanlage/Wärmepumpe mit der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungs-Anlage über ein Innenwärmeübertragungssystem thermisch gekoppelt ist, das zwei Funktionseinheiten A, B aufweist, die im Kühl-Betrieb als Verdampfer der Kälteanlage geschaltet sind, wobei im kombinierten Entfeuchtungs-Rückheiz-Betrieb eine der Funktionseinheiten A, B als Verdampfer und die andere als Kondensator/Gaskühler geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionseinheiten A, B (41, 42) im Heiz-Betrieb als Kondensator/Gaskühler der Wärmepumpe geschaltet und zur wahlweisen Durchführung eines der vorgegebenen Betriebszustände über ein 3/2-Mehrvvegeventil (18) und ein damit in Verbindung stehendes 4/2-Mehrwegsventil (19) in dem Kälteanlagen-/Wärmepumpenkreislauf eingebunden sind oder über ein beidseitig durchströmbares Expansionsorgan mit Bypass (92) miteinander verbunden sind, wobei ein weiteres beidseitig durchströmbares Expansionsorgan mit Bypass (93) im Kältemittelkreislauf vorgesehen ist.
  2. Kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das 3/2-Mehrwegeventil (18) zwischen den Funktionseinheiten A, B (41, 42) neben den Anschlüssen zu den Funktionseinheiten A, B (41, 42) und dem 4/2-Mehrwegeventil (19) vorzugsweise einen Kanal (26) für den kombinierten Kälteanlagen-/Wärmepumpen-Betrieb und eine Drossel (27) für den Kältemittelstrom enthält.
  3. Kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des 3/2-Mehrwegeventils (18) der Kanal (26) zwischen dem Anschluss (24) der Funktionseinheit A (41) und dem Anschluss (25) des 4/2-Mehrwegeventils (19) ausgebildet ist und die Drossel (27) sich zwischen dem Anschluss (23) der Funktionseinheit B (42) und dem Anschluss (25) des 4/2-Mehrwegeventils (19) befindet, wobei ein verstellbares Verschlusselement (22) im kreuzenden Bereich der Durchgänge zu den Anschlüssen (23, 24, 25) vorhanden ist.
  4. Kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das 3/2-Mehrwegeventil (18) und das 4/2-Mehrwegeventil (19) baulich zu einer Einheit kombiniert sind, wobei wahlweise die Drossel (27) im 4/2-Mehrwegeventil (19) eingebracht ist und der Einheitsstrang in Bezug auf die Stellungen des inneren Absperrventils und des zugehörigen inneren Expansionsventils regelbar ist.
  5. Kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (6) als kupplungsloser Verdichter zum jahreszeitlich unabhängigen Betrieb ausgebildet ist.
  6. Kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kompressor (6) ein Mehrwegeventil (21) zur wahlweisen Aufteilung des austretenden Kältemittelstroms nachgeschaltet ist, das wahlweise von einem Expansionsorgan (91, 27) geregelt oder getaktet wird je nach vorgegebenem Durchfluss der aufgeteilten Kältemittelmengen in die Funktionseinheiten A, B (41, 42).
  7. Kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmequelle für den Wärmepumpenbetrieb ein Kopplungswärmeüberträger (17) vorgesehen ist, welcher den Kältemittelkreislauf (1) und den Kühlmittelkreislauf der Motorkühlung (2) thermisch koppelt, wobei Wärme vom Kühlmittelkreislauf der Motorkühlung (2) an den Kältemittelkreislauf (1) übertragen wird.
  8. Kombinierte Kälteanlage/Wärmepumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein kombinierter Temperatur/Feuchtesensor in der Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungs-Anlage (3) vorhanden ist, der mit einer Steuerung oder Regelung verbunden ist, die über den zugehörigen Betriebszustand entscheidet.
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