СИСТЕМА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ И НАГРЕВАНИЯ
SYSTEM FOR COOLING AND HEATING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится в основном к компрессорным системам, которые имеют закрытые контуры с хладагентом для целей охлаждения и нагревания и содержат по меньшей мере конденсатор и испаритель. Данное изобретение относится, более конкретно, к способу и системе для охлаждения или нагревания внутреннего пространства транспортного средства и особенно пространства для водителя автомобиля для коммерческих перевозок, например, автомобилей с наклоняемой кабиной. Данное изобретение относится, в особенности, к компрессорным системам, которые содержат конденсатор и испаритель с жидкостным охлаждением и имеют контур низкого давления для перемещения горячей или холодной жидкости к пространству для водителя автомобиля.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известные системы для кондиционирования воздуха в транспортных средствах обычно содержат компрессор, конденсатор с воздушным охлаждением, расположенный на передней части автомобиля или вблизи нее, испаритель, расположенный где-либо в кабине автомобиля, например, в приборной панели или под ней, и трубопроводы или шланги, которые соединяют эти компоненты один с другим, чтобы образовать герметизированную систему с повышенным давлением, которая обычно также содержит средство для расширения и сухой фильтр или аккумулятор. Ряд различных газов может быть использован в качестве хладагента, однако часто R134a используют для транспортных средств.
Транспортные средства с наклоняемой кабиной требуют более длинных шлангов/линий и/или больше соединений, чтобы обеспечить соединение охлаждающего элемента в кабине с другими необходимыми частями охлаждающей системы, которые обычно расположены в отсеке двигателя автомобиля. В таких системах для кондиционирования воздуха является выгодным и необычным то, что используется дополнительная охлаждающая петля, так называемая вторичная петля, то есть, что дополнительный охлаждающий контур низкого давления с жидкостью в качестве теплопередающей среды соединен с испарителем компрессорной системы посредством жидкостного теплообменника. Жидкость, обычно вода или смесь воды и гликоля, соответственно охлаждается в испарителе контура хладагента и закачивается в кабину и в расположенный в ней охлаждающий элемент, который, в свою очередь, охлаждает воздух кабины посредством вентилятора. Само собой разумеется, что возможно также применение других жидких хладагентов.
Система для кондиционирования воздуха указанного вида поэтому обычно используется для охлаждения воздуха в кабине, наряду с тем, что отдельная нагревательная система с переносом тепла водой используется для нагревания воздуха кабины по мере необходимости. Эта отдельная система обычно снабжается горячей водой/охлаждающей водой от двигателя автомобиля. Однако когда двигатель был остановлен на некоторое время, охлаждающая вода будет охлаждена в такой степени, что больше невозможно закачивание любой горячей воды в элемент кабины, с тем результатом, что воздух кабины не может больше поддерживаться теплым. Двигатель в автомобиле большой грузоподъемности имеет большую массу, которая нуждается в разогреве, и объем лишь охлаждающей воды может составлять вплоть до 100 литров. Поэтому, даже после того как двигатель был запущен, требуется довольно значительное время, прежде чем его охлаждающая вода достигает такой температуры, что она может быть эффективным образом применена для нагревания воздуха кабины. Когда двигатель работает при отсутствии нагрузки, температура охлаждающей воды может также снижаться в такой степени, что вода становится непригодной для нагревания. По этим причинам является выгодным применение вместо этого теплового насоса, который быстро производит тепло, когда в нем возникает нужда. Контур хладагента в компрессорной системе обычно генерирует холод и тепло почти сразу же после пуска, и с внешним контуром охлаждения, содержащим лишь несколько литров жидкости, возможно начало производства тепла/холода быстро, в пределах интервала времени порядка нескольких минут.
Поскольку желательно сдерживание увеличения количества компонентов в автомобиле как по экономическим причинам, так и из соображений экономии пространства, то выгодно, если уже имеющаяся система для кондиционирования воздуха также может быть использована в качестве теплового насоса. Это может быть сделано, например, посредством реверсирования потока в контуре хладагента. Проблема с этим заключается в том, что реверсирование контура хладагента, то есть изменение направления протекания хладагента не будет вполне эффективно, поскольку конденсатор функционирует не так хорошо в качестве испарителя, а испаритель функционирует не так хорошо в качестве конденсатора. Общая эффективность системы будет ухудшаться.
Различные системы и решения для нагревания, например, наклоняемой кабины для водителя, посредством системы для кондиционирования воздуха, которая также может функционировать в качестве теплового насоса, являются предшествующим уровнем техники.
Описание WO 2007/107535 относится к системе с двумя испарителями или конденсаторами, закрепленными в кабине автомобиля. Возможен выбор состояния, когда ни один из них, один или несколько из них функционируют в качестве конденсаторов, а другие в качестве испарителей. Соответственно, система для кондиционирования воздуха может охлаждать, нагревать или сушить воздух в кабине. Устройство будет сравнительно усложненное, и поток будет изменяться поочередным образом на стороне хладагента, то есть в контуре хладагента повышенного давления.
US 6928831 описывает систему для кондиционирования воздуха с объединенными конденсатором/газоохладителем и испарителем, которая применима в качестве как охлаждающей системы, так и теплового насоса в автомобилях. Направляющий распределитель «118» соединяет вместе узлы «141» и «142». Охлаждающая вода двигателя используется в качестве источника тепла для теплового насоса, и поток изменяется поочередным образом на стороне хладагента. Это изобретение проявляет сходство с вышеуказанным WO 2007/107535.
Предшествующий уровень техники, таким образом, не показывает, как компрессорная система в автомобиле может быть эффективно использована как для охлаждения, так и для нагревания, например, кабины для водителя.
ЗАДАЧИ И НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАННОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей данного изобретения является решение указанных проблем и предоставление способа и системы для эффективного охлаждения и/или нагревания, например, кабины автомобиля, при применении одного и того же хладагента в обоих случаях и без чередования или реверсирования потока в контуре хладагента.
Другой задачей данного изобретения является сдерживание увеличения количества компонентов в системе для охлаждения/нагревания и предоставление простого компактного решения, которое простым образом размещается в автомобиле.
Эти указанные и другие преимущества достигаются в соответствии с данным изобретением посредством способа и системы в соответствии с признаками, указанными в п.1 и 6 формулы изобретения.
Данное изобретение осуществлено главным образом посредством внешних контуров низкого давления системы, соединенных вместе таким образом, что конденсатор контура хладагента нагревает жидкость, которая подается к элементу в пространстве для водителя автомобиля, и испаритель контура хладагента охлаждает жидкость, которая выпускается из элемента.
Данное изобретение влечет за собой то, что контур хладагента, независимо от того, холод или тепло подлежит подаче из системы и, например, перемещению в пространство для водителя транспортного средства, обладает возможностью функционирования нормальным образом, в соответствии с чем конденсатор и испаритель используются просто лишь в качестве конденсатора и испарителя независимо от того, горячая или холодная вода должна быть произведена. Конденсатор фактически сконфигурирован, чтобы функционировать наиболее эффективно в качестве конденсатора, а испаритель, чтобы эффективно функционировать в качестве испарителя.
Данное изобретение также влечет за собой возможность потоков во вторичных контурах системы переключаться между функционированием для кондиционирования воздуха и функционированием в качестве теплового насоса таким образом, что жидкость, которая нагрета конденсатором контура хладагента, может подаваться насосом в элемент кабины вместо жидкости, которая охлаждена в испарителе контура хладагента.
Задачи данного изобретения достигаются посредством двух вторичных контуров, объединенных для функционирования в качестве теплового насоса посредством переключателя потока, чтобы образовать общий единственный контур без изменения основного направления потока в любом из контуров.
Другие особенности и преимущества данного изобретения указаны в более подробном описании данного изобретения, представленном ниже, и в прилагаемых чертежах и формуле изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Данное изобретение описывается ниже более подробно в виде примеров некоторых предпочтительных вариантов осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.
Фиг.1 схематически изображает компрессорную систему в соответствии с данным изобретением с двумя внешними закрытыми и отдельными жидкостными контурами для охлаждения и высвобождения избыточного тепла, соответственно.
Фиг.2 схематически изображает компрессорную систему в соответствии с данным изобретением согласно Фиг.1, однако с внешними вторичными контурами, соединенными последовательно друг с другом с целью обеспечения возможности подвода тепла вместо холода в пространство для водителя.
Фиг.3 схематически изображает компрессорную систему в соответствии с данным изобретением согласно Фиг.2 для функционирования в качестве теплового насоса, в соответствии с чем радиатор низкого давления снабжен байпасом посредством клапана, сконфигурированного альтернативным образом.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Фиг.1 изображает компрессорную систему 1 в соответствии с данным изобретением, соединенную для кондиционирования воздуха. Компрессорная система 1 содержит в этом случае три отдельных и явным образом закрытых контура, а именно, первичный контур 2 хладагента, контур 3 элемента и контур 4 радиатора.
Первичный контур 2 хладагента представляет собой герметизированный контур и функционирует с хладагентом, газом, под давлением. Контур 2 хладагента содержит компрессор 5, конденсатор 6, испаритель 7, сухой фильтр 8 и средство 9 для расширения, и компоненты соединены один с другим системой шлангов или системой трубопроводов. Тепло высвобождается в конденсаторе 6, и тепло поглощается в испарителе 7.
Как испаритель 7, так и конденсатор 6, оба смонтированы вместе с их соответствующими жидкостным теплообменником 10, 11, и испаритель 7 поэтому нагревается жидкостью в контуре 3 элемента, а конденсатор 6 охлаждается жидкостью в контуре 4 радиатора.
Контур 3 элемента содержит не только лишь теплообменник 10, который смонтирован вместе с испарителем 7, но также первый насос 12 низкого давления и элемент 13 и функционирует с жидкостью при сравнительно низком давлении. Элемент 13, расположенный в пространстве, которое должно быть нагрето или охлаждено, например, в салоне или в кабине транспортного средства. Воздух продувается через элемент 13 посредством не изображенного вентилятора, и проходящий воздух нагревается или охлаждается, в зависимости от температуры жидкости. Воздух в кабине тем самым поддерживается, например, при заданной температуре.
Контур 4 радиатора содержит насос 14 низкого давления, теплообменник 11, смонтированный вместе с конденсатором 6 контура хладагента, и низкотемпературный радиатор 15. Радиатор 15 является обычным радиатором с воздушным охлаждением и расположен вблизи передней части автомобиля, где воздушная тяга, вызванная движением автомобиля, может способствовать образованию воздушного потока через радиатор 15, так что может иметь место теплообмен с окружающей средой, когда автомобиль находится в движении. Система вентиляции двигателя также может быть использована для продувания воздуха через радиатор 15.
Переключатель потока 16, например двухпозиционный четырехходовой клапан 16a, приспособлен для регулирования потоков теплоносителя в компрессорной системе 1. Клапан 16a может в этом примере варианта осуществления переключаться физически/вручную между двумя его положениями, против действия пружины 17, или электромеханически посредством не изображенного электрического переключателя, расположенного, например, на приборной панели автомобиля.
Клапан 16a изображен здесь в первом функциональном положении, в котором все контуры 2, 3, 4 разделены, изолированы, один от другого, и потоки в соответствующих контурах 2, 3, 4 обеспечиваются соответствующими компрессорами или насосами 5, 12, 14 в направлениях, указанных стрелками.
Поток в контуре 2 хладагента обеспечивается компрессором 5 и проходит от компрессора 5 через конденсатор 6, в котором тепло высвобождается, через сухой фильтр 8 и средство 9 для расширения в испаритель 7, в котором тепло поглощается, и после этого возвращается назад в компрессор 5.
Поток в контуре 3 элемента обеспечивается насосом 12 и проходит от насоса 12 через элемент 13, который может быть, например, расположен в кабине автомобиля, где тепло поглощается, и направляется в теплообменник 10, который объединен с испарителем контура 7 хладагента, и в котором тепло высвобождается, и возвращается к насосу 12 через клапан 16a.
Поток в контуре 4 радиатора обеспечивается насосом 14 и проходит через теплообменник 11, который объединен с конденсатором 6 контура хладагента, и в котором тепло поглощается, и направляется через клапан 16a к радиатору 15, в котором избыточное тепло высвобождается в окружающую среду.
Фиг.2 изображает ту же самую систему, что и на Фиг.1, однако, с переключателем потока, клапаном 16a, изображенным в его втором функциональном положении, для функционирования в качестве теплового насоса, в соответствии с чем поток через клапан 16a здесь является пересекающимся. Поток, соответственно, изменяется таким образом, что вторичные контуры, а именно контур 3 элемента и контур 4 радиатора на Фиг.1, объединены с образованием общего единственного контура. Компоненты в исходных двух контурах здесь функционируют, в отношении протекания, последовательно один с другим, и насосы 12, 14 помогают один другому в единственном потоке. На первичный контур 2 хладагента, однако, не оказывается никакого влияния, поскольку поток в нем направляется обычным/нормальным образом. Также отсутствуют какие-либо изменения в направлении потока в объединенном контуре по сравнению с исходным потоком в контурах 3, 4 при функционировании системы для кондиционирования воздуха. Контур, образованный при нахождении клапана 16a во втором функциональном положении, переносит поток от насоса 14 через теплообменник 11, через клапан 16a и далее к насосу 12, элементу 13, теплообменнику 10 и снова через клапан 16a к радиатору 15 и снова к насосу 14.
Фиг.3 отображает другой альтернативный вариант осуществления компрессорной системы 1 в соответствии с данным изобретением. Если много энергии извлекается из испарителя 7, когда компрессорная система 1 функционирует в качестве теплового насоса, то теплоноситель становится холоднее, и низкое давление в контуре 2 хладагента будет становиться низким. В этой ситуации теплоноситель в радиаторе 15 будет нагреваться, поскольку он будет холоднее, чем температура окружающей среды радиатора 15. Низкая температура приводит к низкому давлению и низкому массовому расходу в контуре 2 хладагента, что не очень хорошо. Если лишь небольшое количество энергии извлекается из испарителя 7, то низкое давление может возрастать, при соответствующем подъеме высокого давления в контуре хладагента. Это будет приводить к более теплому конденсатору 6 и более теплой жидкости, оставляющей теплообменник 11, что хорошо, если кабина автомобиля нуждается в нагревании. Если, в противоположность этому, жидкость, оставляющая теплообменник 10 испарителя 7, теплее, чем окружающая среда, то энергия будет отбираться в радиаторе 15. Посредством байпаса радиатора 15, часть энергии в системе удерживается таким образом, и давление может постепенно повышаться. Применение другого переключателя потока, например, клапана 16b, содержащего дополнительный путь соединения, делает возможным отделение радиатора 15 от контура. В таких случаях шланг или трубопровод соединен от клапана 16b непосредственно с всасывающей стороной насоса 14 контура радиатора. Применение байпаса для радиатора 15 делает возможным постепенное нагревание жидкости, для того чтобы повысить температуру после теплообменника 11 конденсатора 6, посредством чего достигается больше энергии в системе. Обратный клапан 17 может быть использован, чтобы предотвратить достижение жидкостью радиатора 15 обходным путем.
Когда жидкость в контурах 3, 4 низкого давления нагревается, она расширяется, и поэтому необходимо соединить с системой расширительный бачок какого-либо вида. Воздух или газ из контуров также может нуждаться в выпуске. Два контура 3, 4 поэтому выгодным образом могут быть соединены с расширительным бачком посредством шлангов или трубопроводов небольшого диаметра. Возможно применение обычного единственного расширительного бачка для двух контуров 3, 4. Это относится к известному уровню техники и не рассматривается или описывается здесь более подробно.
Данное изобретение описано выше по отношению к различным вариантам осуществления. Данное изобретение, несомненно, не ограничивается этими вариантами осуществления, которые должны рассматриваться лишь в качестве примеров. Другие варианты данного изобретения поэтому также возможны в пределах объема охраны, определяемого приложенной формулой изобретения. Соответственно, возможно, что контур хладагента может также содержать один или несколько внутренних теплообменников. Также возможно, что испаритель и конденсатор взаимно объединены с целью образования компактного узла, который может подавать как нагретую, так и охлажденную жидкость для охлаждения и нагревания. Переключатель потока, несомненно, может быть сконфигурирован различным образом для регулирования потоков контуров. Например, возможно для клапана иметь три положения, так что поток может регулироваться таким образом, что в одном положении каждый контур является отдельным, в другом положении контуры взаимно соединены последовательно, и радиатор является частью контура, и в третьем положении контуры взаимно соединены последовательно, однако радиатор снабжен байпасом.