DE10019580A1 - Einrichtung zum Kühlen eines Innenraumes eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Kühlen eines Fahrzeuginnenraumes mit einem Sekundärkreislauf (26) zur Übertragung der in einem Verdampfer (24) eines primären Kältekreislaufes (14) eines Kälteaggregats (12) erzeugten Kälte mittels eines Kälteträgers zu wenigstens einem Wärmeübertrager (34) zur Abkühlung der dem Fahrzeuginnenraum zuzuführenden Luft, wobei der Sekundärkreislauf (26) einen Hauptkreislauf (36) und einen den Wärmeübertrager (34) aufweisenden Nebenkreislauf (40) aufweist, die über ein Vierwegeventil (56), mit dem ein in der Menge einstellbarer Anteil des Kälteträgerstroms aus dem Hauptkreislauf (36) abzweigbar und in den Nebenkreislauf (40) einspeisbar ist, gekoppelt sind. Um eine verbesserte Einrichtung zum Kühlen bereitzustellen, die insbesondere kostengünstiger herstellbar ist, wird vorgeschlagen, daß in dem Nebenkreislauf (40) ein innerer Wärmetauscher (80) vorgesehen ist, so daß zwischen einem Vorlauf (60) und einem Rücklauf (62) ein Wärmetausch statffinden kann. Dadurch kann der Einsatz einer Umwälzpumpe in dem Nebenkreislauf entfallen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Kühlen eines Innenraumes eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Einrichtung zum Kühlen eines Innenraumes ist aus der DE 198 38 880 bekannt und weist einen primären Kältekreislauf auf, der aus einem Kompressor, einem Kondensator, einem Expansionsorgan und einem Verdampfer besteht. Der Verdampfer überträgt die im Primärkreislauf von dem Verdampfer erzeugte Kälte auf einen Kälteträger eines Sekundärkreislaufes. Der Sekundärkreislauf weist einen Hauptkreislauf und einen Nebenkreislauf auf, die über ein Vierwegeventil miteinander gekoppelt sind, so daß ein in der Menge einstellbarer Anteil des Kälteträgerstroms aus dem Hauptkreislauf abgezweigt und in den Nebenkreislauf eingespeist werden kann. In dem Nebenkreislauf ist ein Wärmeübertrager angeordnet, der zur Abkühlung der einem Fahrzeuginnenraum zuzuführenden Luft dient.

Desweiteren ist in dem Nebenkreislauf eine Umwälzpumpe vorgesehen. Damit wird erreicht, daß stets ein hoher Massenstrom in dem Nebenkreislauf bestehend aus Vierwegeventil, Vorlauf, Wärmeübertrager und Rücklauf, gewährleistet ist, wobei der hohe Massenstrom unabhängig von dem Kälteträgermassenstrom im Hauptkreislauf regelbar ist, also unabhängig von der Stellung des Vierwegeventils. Wenn beispielsweise nur eine geringe Kälteleistung erforderlich ist, wird das Vierwegeventil derart eingestellt, daß nur ein kleiner Anteil des sehr kalten Kälteträgermassenstroms aus dem Hauptkreislauf abgezweigt und in den Nebenkreislauf eingespeist wird. Dieser kleine Anteil wird über den Rücklauf wieder in den Hauptkreislauf eingespeist. Wäre keine Umwälzpumpe vorhanden, würde der Kälteträgermassenstrom in dem Nebenkreislauf entsprechend dem durch das Vierwegeventil zugeführten Anteil klein sein und der Kälteträger nur langsam durch den Wärmeübertrager strömen. Das hätte den Nachteil, dass der im Vorlauf sehr kalte Kälteträger zumindest im Bereich eines Zulaufes des Wärmeübertragers ein Vereisen des Wärmeübertragers verursachen könnte. Zumindest würde die durch den Wärmeübertrager abgekühlte Luft eine große, sogenannte "Strähnigkeit", also eine große Temperaturdifferenz über den Querschnitt eines Luftausströmbereiches des Wärmeübertragers, aufweisen. Durch den durch die Umwälzpumpe erreichbaren hohen Massenstrom wird eine diese Strähnigkeit und das Vereisen verursachende große Gradigkeit, also ein großer Temperaturgradient des Kälteträgers in dem Nebenkreislauf vermieden. Eine zusätzliche Umwälzpumpe in dem Nebenkreislauf ist jedoch sehr kostenintensiv, da sie Materialkosten verursacht und einer geeignete Ansteuerung bedarf.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung eine verbesserte Einrichtung zum Kühlen eines Innenraumes bereitzustellen, die insbesondere kostengünstiger herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Einrichtung zum Kühlen mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Erfindungsgemäß ist in dem Nebenkreislauf ein innerer Wärmetauscher vorgesehen, so daß zwischen einem Vorlauf und einem Rücklauf ein Wärmetausch stattfinden kann. Eine Umwälzpumpe ist in dem Nebenkreislauf nicht mehr vorgesehen, so daß entsprechende Kosten eingespart werden können. Durch den inneren Wärmeübertrager wird der Kälteträger im Vorlauf erwärmt. Deshalb wird an dem Vierwegeventil eine höhere Durchflussmenge in dem Nebenkreislauf eingestellt, um die vorgegebene Lufttemperatur nach dem Wärmeübertrager zu erreichen.

Aufgrund der höheren Durchflussmenge kann eine Vereisung sowie eine Strähnigkeit der Luft vermieden werden. Bevor der Kälteträger in den Sekundärkreislauf zurückgeführt wird, wird er um den gleichen Betrag abgekühlt, wie er im Vorlauf erwärmt wurde.

Diese im Teillastbetrieb erwünschte Anhebung der Vorlauftemperatur führt allerdings bei Vollastbetrieb des Wärmeübertragers, wenn der Nebenkreislauf voll an den Hauptkreislauf angekoppelt ist und der Kälteträgerstrom des Hauptkreislaufes vollständig durch den Nebenkreislauf geführt ist, zu einer unerwünschten Leistungseinbuße. Um diese Leitungseinbuße zu minimieren ist in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß der Rücklauf zwischen dem Wärmeübertrager und dem inneren Wärmetauscher eine Verzweigung aufweist und der erste Ast der Verzweigung unter Umgehung des inneren Wärmetauschers in das Vierwegeventil mündet und der zweite Ast durch den inneren Wärmetauscher geführt ist und von diesem direkt in den Hauptkreislauf stromab des Vierwegeventils mündet. Denn dann wird aufgrund des naturgemäß vorhandenen Strömungswiderstandes des inneren Wärmetauschers der größte Teil des Kälteträgerstromes über den ersten Ast fließen und den inneren Wärmetauscher umgehen, so daß nur ein geringer Wärmetausch stattfindet und die Temperatur im Vorlauf nur wenig angehoben wird.

Damit dieser Effekt möglichst groß ist, ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der rücklaufseitige Strömungswiderstand des inneren Wärmetauschers wesentlich größer als der Strömungswiderstand des ersten Astes des Rücklaufs.

Im Teillastbetrieb, also wenn nur ein kleiner Teil des Kälteträgerstromes in den Nebenkreislauf abgezweigt wird, ist das Vierwegeventil derart eingestellt, daß einerseits nur der kleine Teil abgezweigt wird und andererseits auch nur ein kleiner Betrag des Kälteträgerstromes am Vierwegeventil wieder in den Hauptkreislauf einspeisbar ist. Das bedeutet, daß dann aufgrund des Vierwegeventils der Strömungswiderstand des ersten Astes erhöht ist und der Kälteträger im Rücklauf zum größten Teil über den zweiten Ast und damit durch den inneren Wärmetauscher und direkt in den Hauptkreislauf fließt. Dadurch wird bei kleinen Kälteträgerströmen im Nebenkreislauf aber der gewünschte innere Wärmetausch zwischen Vor- und Rücklauf erreicht.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen erläutert.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Einrichtung zum Kühlen eines Innenraumes eines Kraftfahrzeuges;

Fig. 2 den Nebenkreislauf aus Fig. 1;

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform des Nebenkreislaufes nach der Erfindung.

Eine erfindungsgemäße Einrichtung 10 zum Kühlen eines Innenraumes eines Kraftfahrzeuges weist ein Kälteaggregat 12 auf, das einen primären Kältekreislauf 14 enthält, der aus über Kältemittelleitungen 16 verbundenem Kompressor 18, Kondensator 20, Expansionsorgan 22 und Verdampfer 24 besteht. Selbstverständlich sollten im primären Kältekreislauf 12 in bekann­ ter, nicht dargestellter Weise ein Kältemitteltrockner und ein Kältemittelsammler vorgesehen sein.

Der Verdampfer 24 ist als Kältemittel/Flüssig-Wärmeübertrager ausgebildet und einerseits von dem Kältemittel des primären Kältekreislaufes 14 und andererseits von einem in einem Sekundärkreislauf 26 umlaufenden Kälteträger beaufschlagbar, so daß die in dem Verdampfer 24 erzeugte Kälte auf den Kälteträger des Sekundärkreislaufs 26 übertragbar ist. Der so abgekühlte Kälteträger kann Temperaturen aufweisen, die weit unterhalb von 0°C liegen.

Der Kälteträger kann ein beliebiger, geeigneter Kälteträger sein; jedoch wird vorzugsweise ein Wasser/Glykolgemisch, wie es üblicherweise in Motorkühlkreisläufen verwendet wird, eingesetzt. Der Umlauf des Kälteträgers in dem Sekundärkreislauf 26 wird durch eine Umlaufpumpe 28 sichergestellt.

Weiter weist der Sekundärkreislauf 26 eine Regel- und Verteileinheit 30 auf, mit der ein in der Menge einstellbarer erster Anteil des Kälteträgerstroms einem optional vorgesehenen Kältespeicher 32 und ein ebenfalls in der Menge einstellbarer zweiter Anteil des Kälteträgerstroms einem Wärmeübertrager 34 zuführbar ist.

Der Wärmeübertrager 34 dient der Abkühlung von Luft, die einem Fahrzeuginnenraum zur Klimatisierung des Innenraums zuführbar ist. Die klimatisierte Luft ist durch einen Pfeil 37 angedeutet. Ein Gehäuse zur Luftführung sowie weitere Einzelheiten der Luftführung und der Luftförderung, beispielsweise ein Luftführungsgehäuse, Gebläse, Luftklappen und dgl., sind zur besseren Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Der Wärmeübertrager 34 kann Bestandteil eines beispielsweise in einer Armaturentafel des Kraftfahrzeuges angeordneten Klimagerätes sein und dort den ansonsten üblichen Verdampfer ersetzen.

Der in Fig. 1 dargestellte Sekundärkreislauf 26 weist einen Hauptkreislauf 36 und zwei Nebenkreisläufe 38 und 40 auf. Der Hauptkreislauf 36 setzt sich zusammen aus Kälteträgerleitungen 42, 44, 46, 48 und 50, wobei die Leitung 48 die Umlaufpumpe 28 enthält. Die Einzelnen Leitungen 42 bis 50 des Hauptkreislaufes 36 sind über Vierwegeventile 52, 54 und 56 miteinander verbunden, deren Funktion und Arbeitsweise weiter unten beschrieben ist. Die Regel- und Verteileinheit 30 enthält in diesem Ausführungsbeispiel im wesentlichen die Vierwegeventil 52, 54, 56, die Umlaufpumpe 28 und die entsprechenden Kälteträgerleitungen 44, 46, 48. Ein Ausgleichsbehälter 58 ist vorgesehen, damit eine stets ausreichende Kälteträgermenge in dem Sekundärkreislauf 26 vorliegt und Volumenänderungen bei Erwärmung bzw. Abkühlung des Kälteträgers aus­ geglichen werden können. Auch andere Anschlußpunkte für den Aus­ gleichsbehälter 58 und die Pumpe 28 als die in Fig. 1 dargestellten sind möglich.

Über das Vierwegeventil 56 ist der Nebenkreislauf 40, der in Fig. 2 separat dargestellt ist, an den Hauptkreislauf 36 ankoppelbar bzw. von diesem trennbar. Der Nebenkreislauf 40 besteht aus einem Vorlauf 60, dem Wärmeübertrager 34 und einem Rücklauf 62. Der Vorlauf 60 und der Rücklauf 62 sind durch einen inneren Wärmetauscher 80 geführt, so daß zwischen dem Vorlauf 60 und dem Rücklauf 62 ein Wärmetausch stattfindet und die Temperatur des Kälteträgers im Vorlauf 60 angehoben wurde. Um die gewünschte Leistung des Wärmeübertragers 34 zu erhalten, muß ein höherer Durchfluß eingestellt werden als bei einer Schaltung ohne inneren Wärmetauscher 80. Durch den höheren Durchfluß ist die Gradigkeit im Nebenkreislauf 40 reduziert.

Jedes der Vierwegeventile 52, 54 und 56 weist einen Drehschieber 72 auf, in Abhängigkeit dessen Winkelstellung vier Anschlüsse a, b, c und d jedes Vierwegeventils in geeigneter Weise, vorzugsweise stufenlos verstellbar, miteinander verbindbar sind, so daß z. B. im Vierwegeventil 56 entsprechend der Drehschieberstellung verschieden große Anteile des Kälteträgerstromes von a nach b und/oder a nach d und/oder d nach c und von c nach b strömen können.

Über das Vierwegeventil 56 ist der Nebenkreislauf 40 an den Hauptkreislauf 36, der den abgekühlten Kälteträger enthält, ankoppelbar und zwar kann diese Ankopplung je nach Bedarf stärker oder schwächer sein. In der in Fig. 2 dargestellten Stellung des Vierwegeventils 56 sind die Anschlüsse a und b sowie c und d miteinander verbunden und darüber hinaus kann ein Anteil des Kälteträgers von a nach d und entsprechend von c nach b überströmen, wobei der Anteil des überströmenden Kälteträgerstroms, wie beschrieben, von der Winkelstellung des Drehschiebers 72 des Vierwegeventils 56 abhängt. Dieser dem Hauptkreislauf 36 abgezweigte Anteil des Kälteträgerstroms wird beim Überströmen von c nach b dem Hauptkreislauf 36 wieder zugeführt.

Auf diese Weise kann die erforderliche Kälteleistung des Wärmeübertragers 34 bis zur maximal möglichen Kälteleistung geregelt werden. Die maximal mögliche Kälteleistung wird erreicht, wenn der Drehschieber 72 des Vierwegeventils 56 sich in einer Stellung befindet, in der ausschließlich die Anschlüsse a und d sowie b und c miteinander verbunden sind und der gesamte Kälteträgerstrom auch durch den Nebenkreislauf 40 geführt ist. Die maximale Kälteleistung des Wärmeübertragers 34 (Vollastbetrieb) wird jedoch durch den inneren Wärmetausch zwischen Vor- und Rücklauf reduziert.

Mit einer bevorzugten und in Fig. 3 dargestellten Ausgestaltung des Nebenkreislaufes 40 kann eine höhere maximale Kälteleistung erreicht werden. In dieser Ausführungsform weist der Rücklauf 62 zwischen dem Wärmeübertrager 34 und dem inneren Wärmetauscher 80 eine Verzweigung 82 auf. Ein erster Ast 84 der Verzweigung 82 mündet unter Umgehung des inneren Wärmetauschers 80 direkt in das Vierwegeventil 56 am Anschluß c. Ein zweiter Ast 86 ist durch den inneren Wärmetauscher 80 geführt und mündet von diesem direkt in den Hauptkreislauf 36 und zwar stromabseitig des Vierwegeventils 56.

Der Strömungswiderstand auf der Rücklaufseite des inneren Wärmeübertragers 80 ist wesentlich größer als der Strömungswiderstand des ersten Astes, so daß bei Einstellung des Vierwegeventils 56 auf volle Kälteleistung, wie in Fig. 3 dargestellt, der größte Teil des Kälteträgerstromes durch den ersten Ast 84 unter Umgehung des inneren Wärmetauschers 80 strömen wird, wodurch die maximale Kälteleistung gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 2 erhöht ist.

Bei einer Einstellung des Vierwegeventils 56 auf kleine Kälteleistung (Teillastbetrieb), wenn also nur ein kleiner Anteil des Kälteträgerstromes in den Nebenkreislauf 40 abgezweigt wird, und das Vierwegeventil 56 derart eingestellt ist, daß nur ein kleiner Teil von a nach d und von c nach b überströmen kann, wird der Strömungswiderstand beim Überströmen von c nach b relativ groß sein, so daß dann der Kälteträgerstrom im Rücklauf 62 nicht über den ersten Ast 84 sondern über den zweiten Ast 86 strömen wird, wodurch auch in dieser Ausführungsform im Teillastbetrieb ein gewollter größerer Wärmetausch im inneren Wärmeübertrager 80 stattfindet.

Zur Illustration und Verdeutlichung der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung in der Ausführungsform nach der Fig. 3 im Vollastbetrieb bzw. im Teillastbetrieb seien im folgenden typische Temperatur- und Durchflußwerte angegeben:

Über das Vierwegeventil 54 ist in gleicher Weise der Speichernebenkreislauf 38 mit dem Hauptkreislauf 36 verbindbar und besteht aus einer Kälteträger­ leitung 66, einem Kältespeicher 32 und einer Kälteträgerleitung 68, wobei in dem Speichernebenkreislauf 38 optional aber nicht notwendigerweise eine dritte Umlaufpumpe 70 vorgesehen sein kann, mit der ein bestimmter Massenstrom im Speichernebenkreislauf 38 aufrechterhalten werden kann.

Claims (4)

1. Einrichtung zum Kühlen eines Fahrzeuginnenraumes mit einem Sekundärkreislauf (26) zur Übertragung der in einem Verdampfer (24) eines primären Kältekreislaufes (14) eines Kälteaggregats (12) erzeugten Kälte mittels eines Kälteträgers zu wenigstens einem Wärmeübertrager (34) zur Abkühlung der dem Fahrzeuginnenraum zuzuführenden Luft, wobei der Sekundärkreislauf (26) einen Hauptkreislauf (36) und einen den Wärmeübertrager (34) aufweisenden Nebenkreislauf (40) aufweist, die über ein Vierwegeventil (56), mit dem ein in der Menge einstellbarer Anteil des Kälteträgerstroms aus dem Hauptkreislauf (36) abzweigbar und in den Nebenkreislauf (40) einspeisbar ist, gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Nebenkreislauf (40) ein innerer Wärmetauscher (80) vorgesehen ist, so daß zwischen einem Vorlauf (60) und einem Rücklauf (62) ein Wärmetausch stattfinden kann.

2. Einrichtung zum Kühlen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rücklauf (62) zwischen dem Wärmeübertrager (34) und dem inneren Wärmetauscher (80) eine Verzweigung (82) aufweist und der erste Ast (84) der Verzweigung (82) unter Umgehung des inneren Wärmetauschers (80) in das Vierwegeventil (56) mündet und der zweite Ast (86) durch den inneren Wärmetauscher (80) geführt ist und von diesem direkt in den Hauptkreislauf (36) stromabseitig des Vierwegeventils (56) mündet.

3. Einrichtung zum Kühlen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der rücklaufseitige Strömungswiderstand des inneren Wärmetauschers (80) wesentlich größer ist als der Strömungswiderstand des ersten Astes (84) des Rücklaufs (62).

4. Einrichtung zum Kühlen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübertrager (34) Bestand­ teil eines Klimagerätes des Kraftfahrzeuges ist.