SE533005C2 - Metod och system för kylning och uppvärmning - Google Patents

Description

25 30 35 533 Üüš vatten och glykol, kyls alltså i köldmediekretsens förångare och pumpas upp till hytten och till det däri anordnade kylelementet som i sin tur kyler hyttens luft med hjälp av en fläkt. Även andra vätskebaserade kylvätskor är naturligtvis möjliga att använda.

Normalt används alltså ett AC-system av nämnt slag för att kyla hyttens luft medan ett separat vattenburet värmesystem används för att värma upp luften i hytten när så behövs. Detta separata system förses vanligen med varmvatten/kylvatten fràn fordonets motor. När motorn varit avslagen en stund har dock kylvattnet svalnat så pass mycket att något varmvatten inte längre kan pumpas till hyttelementet med påföljd att hyttens luft inte längre kan hållas varm. Motorn i ett tungt fordon har en stor massa som skall värmas upp och kylvattenvolymen kan i sig vara upp till 100 liter. Även efter det att motorn har startats tar det alltså en bra stund innan motorns kylvatten nätt en sådan temperatur att det kan användas effektivt för uppvärmning av hyttens luft. Går motorn pá tomgång kan också kylvattnets temperatur sjunka sä mycket att vattnet blir oanvändbart för uppvärmningsändamál. Av dessa skäl är det fördelaktigt att istället använda en värmepump som kan producera värme snabbt när behov av detta föreligger. Köldmediekretsen i ett kompress- orsystem genererar vanligen kyla och värme nästan omedelbart efter igàngsättning och med en yttre kylkrets som endast innehåller några liter vätska går det snabbt att börja producera värme/kyla, i storleksordningen någon minut.

Eftersom man vill hålla antalet komponenter nere i ett fordon, både av ekonomiska skäl och av utrymmesskäl, är det för- delaktigt om man kan utnyttja det ändå befintliga AC-systemet också som värmepump. Detta låter sig göras t.ex. om man reverserar flödet i köldmediekretsen. Problemen med det är att en reversering av köldmediekretsen, dvs. att byta flödesriktning hos köldmediet, inte blir helt effektivt eftersom en kondensor fungerar mindre bra som förångare och en 10 15 20 25 30 35 533 ÛG5 föràngare fungerar mindre bra som en kondensor. Systemets verkningsgrad blir lidande.

Olika system och lösningar för uppvärmning av t.ex. en tippbar förarhytt med ett AC-system som också kan köras som värmepump är sedan tidigare kända.

I patentskriften WO2007/107535 visas ett system med tvà för- àngare eller kondensorer monterade i en fordonshytt. Det är valbart om ingen, en eller flera ska fungera som kondensor och övriga som föràngare. Därmed kan AC-systemet kyla, värma eller torka luften i hytten. Anordningen blir relativt komplicerad och flödet växlas pà köldmediesidan, köldmediekretsen. dvs i den trycksatta US6928831 beskriver ett AC-system med kombinerad kondensor/- gaskylare och förångare som kan användas som både kylanläggning och värmepump i fordon. En riktbar ventil "ll8" kopplar samman enheterna "l4l" "l42". Motorns kylvatten används som värmekälla för värmepumpen och flödet växlas pà köldmediesidan.

Denna uppfinning uppvisar likheter med ovan nämnda WO2007/- 107535. och Känd teknik visar alltså inte hur man pà ett effektivt sätt kan utnyttja kompressorsystemet i ett fordon för både kylning och uppvärmning av t.ex. en förarhytt.

UPPFINNINGENS ocn VIKTIGASTE nämna-sexan Uppfinningens ändamål är att lösa nämnda problem och att påvisa ett system för effektiv kylning och/eller uppvärmning, t.ex. av en fordonshytt, med utnyttjande av en och samma köldmediekrets och utan att växla om eller reversera flödet i köldmedie~ kretsen. 10 15 20 25 30 35 533 D05 Ett ytterligare ändamål med uppfinningen är att hålla ned antalet ingående komponenter i kyl/värme-systemet och påvisa en enkel kompakt lösning som är lättplacerad i fordonet.

Dessa nämnda, och ytterligare ändamål, uppnås enligt upp- finningen genom ett system enligt de i patentkrav 1 angivna särdragen.

Uppfinningen åstadkoms principiellt genom att de yttre låg- tryckskretsarna i systemet kopplas samman så att köldmedie- kretsens kondensor värmer vätska som tillförs elementet i fordonets förarutrymme och köldmediekretsens förángare kyler vätska som avges från elementet.

Uppfinningen innebär att köldmediekretsen, oavsett om kyla eller värme skall levereras ur systemet och t.ex. överföras till fordonets förarutrymme, tillåts arbeta pä normalt sätt dvs. att kondensor och förångare används just som kondensor och förångare oavsett om varmt eller kallt vatten skall produceras.

En kondensor är ju utformad för att fungera mest effektivt som en kondensor och en förångare är konstruerad för att fungera effektivt som en föràngare.

Uppfinningen innebär också att flödena i systemets sekundära kretsar kan ändras mellan AC-drift och värmepumpsdrift på sådant sätt att vätska som värmts upp av köldmediekretsens kondensor kan pumpas till hyttens element i stället för vätskan som kylts i köldmediekretsens föràngare.

Uppfinningen uppnås genom att vid värmepumpsdrift förena de två sekundära kretsarna, via en flödesomkopplare, till en gemensam krets och utan att byta den huvudsakliga flödesriktningen i någon av kretsarna.

Ytterligare särdrag och fördelar med uppfinningen framgår av den följande mer detaljerade beskrivningen av uppfinningen samt 533 ÜÜE av bifogade ritningar och övriga patentkrav. 10 15 20 25 30 35 533 üüfi KORTFATTAD RITNINGSFÖRTECKNING Uppfinningen beskrivs härefter närmare i några föredragna utföringsexempel med ledning av bifogade ritningar.

Figur 1 visar schematiskt ett uppfinningsenligt kompressor- system med två yttre slutna och åtskilda vätskebaserade kretsar för kylning resp. avgivande av överskottsvärme.

Figur 2 visar schematiskt det uppfinningsenliga kompressor- systemet enligt figur l men där de yttre sekundära kretsarna kopplats om i serie med varandra i syfte att kunna leverera värme istället för kyla till förarutrymmet.

Figur 3 visar schematiskt det uppfinningsenliga kompressor- systemet enligt figur 2, för värmepumpsdrift, där làgtrycks- radiatorn kopplas förbi med hjälp av en alternativt utformad ventil.

BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER Figur 1 visar ett uppfinningsenligt kompressorsystem 1 kopplat för AC-drift. Kompressorsystemet 1 består i det här fallet av tre separata átskilda och slutna kretsar, den primära köld- mediekretsen 2, en elementkrets 3 samt en radiatorkrets 4.

Den primära köldmediekretsen 2 är en hermetiskt sluten krets och arbetar med ett köldmedium, en gas, under tryck. Köldmedie- kretsen 2 innefattar en kompressor 5, àngare 7, en kondensor 6, en för- ett torkfilter 8 samt ett expansionsorgan 9 och komponenterna är sammankopplade med varandra genom ett slang- eller rörledningssystem. Värme avges i kondensorn 6 och värme tas upp i föràngaren 7.

Bäde föràngaren 7 och kondensorn 6 är sammanbyggda med var sin vätskebaserad värmeväxlare 10,11 och föràngaren 7 värms alltså 10 15 20 30 35 533 Üíšš av vätskan i elementkretsen 3 och kondensorn 6 kyls av vätskan i radiatorkretsen 4.

Elementkretsen 3 innefattar, sammanbyggd med förångaren 7, förutom värmeväxlaren 10 som är en första làgtrycks pump 12 och ett element 13 och arbetar med vätska under förhållandevis lågt tryck. Elementet 13 är placerat i det utrymme som skall värmas eller kylas, t.ex. i ett fordons kupéutrymme eller hytt. Luft blàses genom elementet 13 med hjälp av en ej visad fläkt och luften som passerar värms eller kyls beroende av vätskans temperatur. Härigenom hàlls luften i hytten vid en exempelvis förinställd temperatur.

Radiatorkretsen 4 innefattar en andra lágtrycks pump 14, en värmeväxlare 11 sammanbyggd med köldmediekretsens kondensor 6 samt en làgtemperaturs radiator 15. Radiatorn 15 är vanligen luftkyld och placerad nära fordonets front där fartvinden kan hjälpa till att skapa ett luftflöde genom radiatorn 15 så att värmeväxling kan ske till omgivningen när fordonet rullar.

Motorns fläktsystem kan också användas till att blåsa luft genom radiatorn 15.

En flödesomkopplare 16, exempelvis en 2-läges 4-vägs-ventil 16a, är anordnad att styra kylvätskeflödena i kompressorsys- temet 1. Ventilen 16a kan i det här utföringsexemplet växlas fysiskt/manuellt mellan sina tvà lägen, mot verkan av en fjäder 17, eller elektromekaniskt via en, ej visad, elektrisk ström- ställare anordnad pà t.ex. fordonets instrumentpanel.

Ventilen 16a är här visad i ett första funktionsläge där alla tre kretsarna 2,3,4 är separerade, åtskilda, frán varandra och flödena i respektive krets 2,3,4 ästadkoms av respektive kompressor eller pump 5,12,14 i pilarnas riktning.

Köldmediekretsens 2 flöde àstadkoms av kompressorn 5 och gär frän kompressorn 5 genom kondensorn 6, där värme avges, via torkfiltret 8 och expansionsorganet 9 till föràngaren 7, där värme upptas, och därefter äter till kompressorn 5. 10 15 20 25 30 35 533 Ûüš Elementkretsens 3 flöde ástadkoms med hjälp av pumpen 12 och gär från pumpen 12 genom elementet 13, som exempelvis är placerat i fordonets hytt där värme upptas, och vidare till värmeväxlaren 10 som är integrerad med köldmediekretsens föràngare 7 där värme avges, och åter till pumpen 12 via ventilen 16a.

Radiatorkretsens 4 flöde àstadkoms av pumpen 14 och gàr via värmeväxlaren 11 som är integrerad med köldmediekretsens kondensor 6, där värme tas upp, vidare via ventilen 16a till radiatorn 15 där överskottsvärme avges till omgivningen.

Figur 2 visar samma system som visas i figur 1 men med flödes- omkopplaren, ventilen 16a, visad i sitt andra funktionsläge, för värmepumpsdrift, där flödet genom ventilen 16a nu istället korsas. Härigenom ändras flödet så att de sekundära kretsarna, elementkretsen 3 och radiatorkretsen 4 i figur 1, förenas och bildar en gemensam krets. Komponenterna i de ursprungliga två kretsarna arbetar nu flödesmässigt i serie med varandra och pumparna 12,14 samverkar nu med varandra i ett och samma flöde.

Den primära köldmediekretsen 2 påverkas däremot inte alls utan flödet i denna går på vanligt/normalt sätt. Inte heller byter flödet i den förenade kretsen riktning i förhållande till kretsarnas 3,4 ursprungliga flöden vid AC-drift. Den krets som bildas i ventilens 16a andra funktionsläge åstadkommer ett flöde från pumpen 14 genom värmeväxlaren 11, genom ventilen 16a och vidare till pumpen 12, elementet 13, värmeväxlaren 10 och pá nytt genom ventilen 16a till radiatorn 15 och åter tillbaka till pumpen 14.

Figur 3 visar en ytterligare alternativ utföringsform av det uppfinningsenliga kompressorsystemet 1. Om mycket effekt tas ur föràngaren 7, när kompressorsystemet 1 körs som värmepump, kommer kylvätskan att bli kallare och làgtrycket i köldmedie- kretsen 2 lågt. I det läget värms kylvätskan i radiatorn 15 eftersom den är kallare än radiatorns 15 omgivningstemperatur.

Låg temperatur resulterar i làgt tryck och làgt massflöde i köldmediekretsen 2 vilket är mindre bra. Om bara lite effekt 10 15 20 25 30 35 533 Üüš tas ur förångaren 7 kan làgtrycket höjas varvid också hög- trycket i köldmediekretsen höjs. Detta resulterar i en varmare kondensor 6 och varmare vätska ut från värmeväxlaren 11 vilket är bra om en fordonshytt skall värmas. Om däremot vätskan ut från förångarens 7 värmeväxlare 10 är varmare än omgivningen så kyls den energin bort i radiatorn 15. Genom att koppla förbi radiatorn 15 behålls alltså en del energi i systemet och trycket kan gradvis höjas. Genom att använda en annan flödes- omkopplare, t.ex. en ventil 16b innefattande en ytterligare kopplingsväg kan radiatorn 15 kopplas bort ur kretsen. I så fall ansluts en slang eller rörledning från ventilen 16b direkt till sugsidan på radiatorkretsens pump 14. Genom förbikopp- lingen av radiatorn 15 kan vätskan gradvis värmas upp för att höja temperaturen efter kondensorns 6 värmeväxlare 11 och alltså en större effekt uppnås i systemet. En backventil 17 kan eventuellt användas för att hindra vätska att nå radiatorn 15 bakvägen.

När vätskan i lågtryckskretsarna 3,4 värms upp expanderar den och det är därför nödvändigt att ansluta någon form av expan- sionstank till systemet. Även luft eller gas från kretsarna kan behöva ventileras ut. Båda kretsarna 3,4 kan därför lämpligtvis vara anslutna till en expansionstank med slangar eller rörled- ningar av liten diameter. Det är fullt möjligt att använda en gemensam expansionstank till båda kretsarna 3,4. Detta är i och för sig känd teknik och visas eller beskrivs inte närmare här.

Uppfinningen har ovan beskrivits med hänvisning till några olika föredragna utföringsformer. Naturligtvis är uppfinningen inte begränsad till dessa utan de skall endast betraktas som exempel. Även andra varianter av uppfinningen är alltså fullt möjliga inom ramen för bifogade patentkravs skyddsomfång.

Sålunda är det möjligt att köldmediekretsen även innefattar en eller flera internvärmeväxlare. Det är också möjligt att för- àngaren och kondensorn är sammanbyggda med varandra i syfte att 533 ÜÜE 10 skapa en kompakt enhet som kan leverera bàde varm och kall vätska för kylnings- och uppvärmningsändamàl. Flödesomkopplaren kan naturligtvis vara utformad pà olika sätt för att styra kretsarnas flöden. Det är t.ex. tänkbart att ventilen har tre lägen sà att flödet kan styras så att i ett läge varje krets är àtskild, i ett andra läge kretsarna kopplas samman i serie och där radiatorn ingår i kretsen och i ett ytterligare läge där kretsarna är sammankopplade i serie men där radiatorn är förbikopplad.

Claims (6)

10 15 20 25 30 35 533 005 U PATENTKRAV

1. System för kombinerad kylning och uppvärmning innefattande en köldmediekrets (2) med åtminstone en kompressor (5), en vätskekyld kondensor (6), en vätskevärmd förángare (7) samt två yttre sekundära kretsar (3,4), (4), (3) innefattar ett element(13) placerat i det utrymme som skall kylas eller värmas, en elementkrets och en radiatorkrets och där elementkretsen varvid elementkretsen (3) och radiatorkretsen (4), AC-drift, bildar egna fràn varandra àtskilda kretsar med flöden separerade fràn varandra, vid kännetecknat av, - att en flödesomkopplare (16) är anordnad att koppla samman elementkretsen (3) och radiatorkretsen (4), vid värmepumpsdrift, sà att köldmediekretsens värmer vätska som tillförs elementet (13) (2) kondensor (6) och köldmediekretsens (2) föràngare (7) kyler vätska som avges fràn elementet (13), varvid flödesomkopplaren (16) utgörs av en ventil (16a, 16b), och att ventilen (16b) är anordnad att koppla flödet i radiatorkretsen (4b) förbi radiatorn (15).

2. System enligt patentkrav 1, kännetecknat av, - att flödesomkopplaren (16) är anordnad att koppla samman elementkretsen (3) och radiatorkretsen (4) vid värmepumpsdrift sà att de bildar en enda krets med ett gemensamt flöde.

3. System enligt patentkrav 1 eller 2, kännetecknat av, - att elementet (13) är anordnat att avge värme, vid värmepumpsdrift, med bibehållen flödesriktningen i köldmediekretsen (2).

4. System enligt något av patentkraven 1-3, 10 15 533 005 12 kânnetecknat av, - att elementet (13) är anordnat att avge värme, vid värmepumpsdrift, med bíbehàllna flödesriktningar genom kompressor (5) och pumpar (l2,l4).

5. System enligt något av patentkraven l-4, kännetecknat av, - att flödesomkopplaren (16) är anordnad att, vid värmepumpsdrift, seriekoppla elementkretsen (3) och radiatorkretsen (4).

6. System enligt nàgot av patentkraven 1-5, kännetecknat av, - att ventilen (l6a) är av typen 2-läges 4-vägs.