DE10036038A1

DE10036038A1 - Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE10036038A1
Application number: DE10036038A
Authority: DE
Inventors: Hans Kampf
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2000-07-25
Filing date: 2000-07-25
Publication date: 2002-02-07
Anticipated expiration: 2020-07-26
Also published as: JP2002046448A; US6449974B1; US20020035843A1; FR2813046A1; FR2813046B1; DE10036038B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug mit einem von Kühlen auf Heizen umschaltbaren Kreislauf (14), in welchem ein von der zu klimatisierenden Luft durchströmbarer Wärmetauscher (20) vorgesehen ist, wobei für den Kühlbetrieb ein als Verdampfer wirkender Kühl-Wärmetauscher (18) und für den Heizbetrieb ein mit Kältemittel beaufschlagbarer Zusatzwärmetauscher (20) vorgesehen ist. Um eine verbesserte Klimaanlage bereitzustellen, mit der insbesondere der zusätzliche Wärmetauscher besser nutzbar ist, wird vorgeschlagen, dass der Zusatzwärmetauscher (20) im Kühlbetrieb auch als Verdampfer wirkender Kühl-Zusatzwärmetauscher betreibbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben der Klima anlage.

Aus der DE 198 55 309 ist eine zusätzliche Heizeinrichtung bekannt, bei der eine Klimaanlage nicht nur zum Kühlen, sondern auch zum Heizen benutzt wird, indem beispielsweise im Heizbetrieb das Kältemittel des Klimatisie rungskreislaufs in einem abgezweigten Strang unter Umgehung des Kon densators geführt wird. Der Verdampfer dient in diesem Heizbetrieb dann als wärmeabgebender Wärmetauscher, der die im Kompressor erzeugte Wärme auf die zu erwärmende Luft überträgt. Im normalen Kühlbetrieb dient der Verdampfer zur Abkühlung der Luft, wobei in der Regel die Taupunkttempe ratur unterschritten wird, so daß die in der zu temperierenden Luft vorhan dene Feuchtigkeit an dem Verdampfer auskondensiert. Bei Umstellung auf Heizbetrieb wird dieses Kondenswasser verdampfen und in den Innenraum gelangen, wodurch insbesondere Scheibenbeschlag auftreten kann, was als sogenanntes "flash fogging" bezeichnet wird. Zur Vermeidung dieses Schei benbeschlags ist nach der DE 198 55 309 vorgesehen, daß zur Kühlung und zur Heizung unterschiedliche Wärmetauscheroberflächen vorgesehen sind. Diese unterschiedlichen Wärmetauscheroberflächen können verschiedenen Wärmetauschern zugeordnet sein, so daß für den Kühlbetrieb ein Ver dampfer und für den Zusatzheizbetrieb ein zusätzlicher Wärmetauscher vor gesehen sein kann.

Eine solche Klimaanlage, bei der ein zusätzlicher Wärmetauscher im Käl temittelkreislauf vorgesehen ist, der zur Aufheizung der Luft dient, ist auch aus der DE 39 07 201 bekannt.

Diese bekannten Klimaanlagen haben den Nachteil, daß neben dem unver änderten Verdampfer, der alleine die Abkühlung der Luft bewirkt, ein zusätz licher Wärmetauscher vorgesehen sein muß, der innerhalb der Klimaanlage zusätzlichen Bauraum benötigt. Da die Bauräume in heutigen Fahrzeugen immer knapper bemessen werden, ist ein derartiger zusätzlicher Wärmetau scher bisher nicht zum Einsatz gekommen. Fahrsituationen, in denen der zusätzliche Heiz-Wärmetauscher benötigt würde, treten im Vergleich zur gesamten Betriebszeit des Kraftfahrzeuges selten auf, nämlich hauptsäch lich nur beim Kaltstart in der kalten Jahreszeit, so daß der zusätzliche Kom fort- und Sicherheitsgewinn durch den zusätzlichen Wärmetauscher nicht die Bauraumnachteile und die höheren Kosten kompensieren kann.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Klimaanlage bereitzustellen, mit der die genannten Nach teile vermieden werden können und mit der insbesondere der zusätzliche Wärmetauscher besser nutzbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Klimaanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5.

Erfindungsgemäß kann der Zusatzwärmetauscher nicht nur im Zusatzheiz betrieb als Heiz-Wärmetauscher betrieben werden, sondern im Kühlbetrieb der Klimaanlage auch als Verdampfer wirkender Kühl-Zusatzwärmetauscher betrieben werden. Dadurch ist der Zusatzwärmetauscher erheblich vielseiti ger einsetzbar und kann nicht nur in der kalten Jahreszeit als zusätzlicher Heiz-Wärmetauscher vorgesehen sein, sondern auch beispielsweise in der Sommerzeit im normalen Fahrbetrieb als Verdampfer wirkender zusätzlicher Kühl-Wärmetauscher genutzt werden. Der bereits vorhandene Verdampfer der Klimaanlage kann dann leistungsschwächer und damit kleiner ausgebil det werden, so daß der Bauraumverlust durch den zusätzlichen Wärmetau scher durch den Bauraumgewinn des jetzt kleiner bauenden Verdampfers teilweise kompensiert werden kann. Die zur Abkühlung der Luft zur Verfü gung stehenden Wärmetauscherflächen sind dann aufgeteilt auf einen er sten Verdampfer, der ausschließlich im Kühlbetrieb betreibbar ist und einen zweiten Verdampfer, der im Kühlbetrieb nur im Vollastbetrieb als Verdampfer wirkender Kühl-Zusatzwärmetauscher arbeitet und so in den Kältemittel kreislauf eingebunden ist, daß er auch als heizender Wärmetauscher ge nutzt werden kann. Dabei sollte die Leistung des ersten Verdampfers und damit die Größe dieses Verdampfers derart ausgebildet sein, daß sie für den Teillastbetrieb bei Außentemperaturen zwischen ca. 25-30 Grad, was den weitaus häufigst vorkommenden Temperaturen während des Betriebs des Kraftfahrzeuges entspricht, ausreichend ist. So ist gewährleistet, daß bei den für das "flash fogging" typischen Klimaverhältnissen der zusätzliche Wärmetauscher zum Kühlen nicht benutzt wird. Derartige typische Klimaver hältnisse, an denen "flash fogging" auftreten kann, liegen beispielsweise dann vor, wenn am Tage die Temperaturen ca. 20 Grad betragen mit mor gendlichen Temperaturen von beispielsweise -5 Grad. Bei diesen typischen Klimaverhältnissen arbeitet die Klimaanlage zumeist jedoch nur in Teillast, so daß der zusätzliche Wärmetauscher nicht zum Kühlen benutzt wird und damit kein Kondenswasser aufweist, das beim Betrieb als Heiz- Zusatzwärmetauscher in den Fahrzeuginnenraum getragen werden könnte. In der Sommerzeit, insbesondere an heißen Tagen, kann der zusätzliche Wärmetauscher als Verdampfer wirkend auch zum Kühlen eingesetzt wer den, so daß sich zwar in dieser Betriebsart Kondenswasser an den zusätzli chen Wärmetauscher abscheiden kann, jedoch wird in dieser Zeit das "flash fogging" nicht auftreten, da erstens die Außentemperaturen so hoch sind, daß nach Stillstand des Fahrzeuges das Kondenswasser schnell abtrocknet und zweitens eine Zusatzheizung bei derartigen klimatischen Bedingungen meistens nicht benötigt wird.

Zusätzlich kann aber in einem vorteilhaften Verfahren zum Betrieb der erfin dungsgemäßen Klimaanlage vorgesehen sein, daß nachdem der Zusatz wärmetauscher als Kühlzusatzwärmetauscher in Betrieb war, dieser erst nach Ablauf einer vorgebbaren Mindestzeitspanne wieder als zusätzlicher Heiz-Wärmetauscher betrieben wird.

Der Verdampfer und der Zusatzwärmetauscher können in vorteilhafterweise zu einer Wärmetauschereinheit miteinander verbunden sein, wodurch weite rer Bauraum eingespart werden kann. Besondere Temperaturspannungen werden in der Wärmetauscher einheit nicht auftreten, da, wenn der Ver dampfer in Betrieb ist, der Zusatzwärmetauscher sich nicht im Heizbetrieb sich befindet und bei Betrieb des Zusatzwärmetauschers als zusätzlicher Heizwärmetauscher der Verdampfer ausgeschaltet sein wird.

Aus der DE 198 55 309 und der DE 39 07 201 ist es bekannt, daß der Ver dampfer und der zusätzliche Wärmetauscher in parallel verlaufenden Luft strömungswegen angeordnet sind, so daß die Luft entweder durch den Ver dampfer abgekühlt oder durch den zusätzlichen Wärmetauscher erwärmt wird. Diese Anordnung nimmt jedoch erheblichen Bauraum ein, so daß vor teilhafterweise in der erfindungsgemäßen Klimaanlage der Kühl- und der Zusatzwärmetauscher luftseitig hintereinander geschaltet sind. Dies ist sinn voll, da die durch den Verdampfer und den zusätzlichen Wärmetauscher geführte Luft entweder gekühlt oder erwärmt wird aber nicht gekühlt und wiedererwärmt wird. Durch eine luftseitig serielle Hintereinanderschaltung des Verdampfers und des Zusatzwärmetauschers wird der durch das Durch strömen der Wärmetauscher auftretende Druckverlust der Luft gar nicht oder nur wenig erhöht wird, da der Verdampfer, wie oben beschrieben, kleiner ausgebildet sein kann, da der Verdampfer nur einen Teil der maximalen Kühlleistung erbringen muß.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 bis 4 schematische Darstellungen der Klimaanlage mit ei nem Kältekreislauf in verschiedenen Betriebszu ständen;

Fig. 5 ein Blockschaltbild zur Darstellung des Betriebs der erfindungsgemäßen Klimaanlage.

Eine erfindungsgemäße Klimaanlage 10 weist ein Luftführungsgehäuse 12 und einen Kältemittelkreislauf 14 auf. In dem Luftführungsgehäuse 12 ist ein Gebläse 16 angeordnet, mit dem Luft über nicht dargestellte Umluft- und/oder Frischluftöffnungen angesaugt werden kann und durch das Luftfüh rungsgehäuse 12 zu einem Innenraum eines Kraftfahrzeuges gefördert wer den kann. Die Luft durchströmt dabei zunächst einen Verdampfer 18, in dem die Luft abgekühlt werden kann, sowie einen Zusatzwärmetauscher 20, in dem die Luft wahlweise abgekühlt oder erwärmt werden kann, wie weiter unten im Näheren beschrieben werden wird. Danach kann die Luft durch einen Heizkörper 22 erwärmt werden, der in bekannterweise von einem Motorkühlmittel durchströmbar ist. Über nicht dargestellt Luftklappen könnte die Luft auch über einen Bypass 24 an dem Heizkörper 22 vorbeigeführt werden und über nicht näher dargestellte Luftaustrittsöffnungen dem Innen raum in der gewünschten Temperatur zugeführt werden.

Die Erfindung betrifft insbesondere den Zusatzwärmetauscher 20 und seine Verschaltung in den Kältemittelkreislauf 14, so daß der Zusatzwärmetau scher in verschiedenen Betriebsarten betreibbar ist. Dies soll im weiteren anhand der Erläuterungen der verschiedenen Betriebszustände der Klima anlage 10 beschrieben werden.

Die im folgenden beschriebenen Betriebszustände sind:

- Kühlen im Teillastbetrieb (Fig. 1)
- Kühlen im Vollastbetrieb (Fig. 2)
- Zusatzheizen im Wärmepumpenbetrieb (Fig. 3)
- Zusatzheizen mittels Kompressorabwärme (Fig. 4)

Kühlen im Teillastbetrieb

In dieser Betriebsart ist in bekannter Weise der Kältemittelkreis 14 derart geschaltet, daß ein Kompressor 26, ein Kondensator 28, ein Expansions ventil 30 und der Verdampfer 18 über Kältemittelleitungen 1.1 bis 1.9 mitein ander verbunden sind, wozu Ventile 32, 34, 36, 38 entsprechend geschaltet sind. In Fig. 1 ist diese Verschaltung dadurch dargestellt, daß die entspre chenden, über die Ventile verschalteten Leitungen fettgedruckt dargestellt sind. In dieser Teillastbetriebsart ist der Zusatzwärmetauscher 20 außer Be trieb.

Kühlen im Vollastbetrieb

In dieser Betriebsart ist das Dreiwegeventil 36 derart geschaltet, daß das Kältemittel nach dem Austritt aus dem Verdampfer 18 durch die Leitung 1.5 in die Leitung 1.10 eintritt und über die Leitung 1.11 in den Zusatzwärme tauscher 20 geführt wird und von dort über die Leitung 1.12, ein Dreiwege ventil 40 und die Leitung 1.13 in die Leitung 1.7 und damit über Leitun gen 1.8 und 1.9 wieder in den Kompressor 26 geführt wird, wie dies in Fig. 2 durch die fettgedruckten Linien dargestellt ist. In dieser Betriebsart arbeiten sowohl der Verdampfer 18 als auch der Zusatzwärmetauscher 20 als Ver dampfer und kühlen die Luft ab.

Zusatzheizen mit Wärmepumpe

In dieser Betriebsart wird der Kondensator 28 und der Verdampfer 18 um gangen und der Zusatzwärmetauscher 20 arbeitet als Kondensator und ein zusätzlicher Verdampfer 42 ist in den Kältemittelkreis eingeschaltet. Das Kältemittel strömt dabei ausgehend vom Kompressor 26 durch die Leitun gen 1.1, 1.14, 1.15, 1.11 in den Zusatzwärmetauscher 20, in dem das Käl temittel kondensiert und dabei Wärme an die den Zusatzwärmetauscher 20 durchströmende Luft abgibt. Über die Leitungen 1.12, 1.16, einem zusätzli chen Expansionsventil 44 und einer Leitung 1.17 wird das Kältemittel in den zusätzlichen Verdampfer 42, in dem das Kältemittel verdampft geführt und von dort über eine Leitung 1.18, das Dreiwegeventil 38 und die Leitung 1.9 zurück in den Kompressor 26 geführt. In dieser Betriebsart wird der Umge bung über den Verdampfer 42 Wärme entzogen, die auf einem höheren Temperaturniveau mittels des Kondensators, an die dem Innenraum zuzu führende Luft abgegeben wird.

Zusatzheizen mittels Kompressorabwärme

In dieser Betriebsart arbeitet die erfindungsgemäße Klimaanlage ähnlich wie beim Betrieb als Wärmepumpe, wobei jetzt allerdings der zusätzliche Ver dampfer 42 umgangen wird. Die Umgehung des Verdampfers 42 kann ent weder über die Leitungen 1.6, 1.7 und 1.8 erfolgen oder über eine gesonderte Bypassleitung 1.19, die in Fig. 4 lediglich gestrichelt dargestellt ist. Das Kältemittel wird dabei vom Kompressor 26 in den Zusatzwärmetauscher 20 geführt und von dort direkt zu dem Kompressor 26 zurückgeführt wird, so daß die im Kompressor 26 erzeugte Wärme unmittelbar an den Zusatzwär metauscher 20 abgegeben werden kann. In dieser Betriebsart ist der zusätz liche Verdampfer 42 und das zusätzliche Expansionsventil 44 nicht notwen dig.

Anhand des in Fig. 5 dargestellten Flußdiagramms sei ein Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen Klimaanlage erläutert. In einem ersten Schritt wird der Klimatisierungsbedarf festgelegt, also ob die Luft erwärmt oder abgekühlt werden muß. Dieser Schritt kann automatisch oder durch Eingabe an einem Bedienungselement von Hand erfolgen. Wenn die Luft abgekühlt werden soll, wird in einem zweiten Schritt festgestellt, ob ein gro ßer oder kleiner Kühlbedarf besteht. Bei einem kleinen Kühlbedarf wird die Klimaanlage im Teillastbetrieb kühlen. Bei einem großen Kühlbedarf wird die Klimaanlage im Vollastbetrieb (Fig. 2) arbeiten, wobei der Zusatzwärmetau scher als Verdampfer wirkt und die im Verampfer 18 bereits abgekühlte Luft zusätzlich weiter abgekühlt wird.

Wenn die Klimaanlage die Luft erwärmen soll, wird ebenfalls der Heizbedarf in einem zweiten Schritt festgelegt. Ist der Heizbedarf klein, wird der Zu satzwärmetauscher 20 nicht als Zusatzheizung in Betrieb genommen, son dern die Luft wird ausschließlich durch den bekannten Heizkörper 22 er wärmt. Ist der Heizbedarf groß, muß der Zusatzwärmetauscher 20 als Zu satzheizung eingesetzt werden. Dabei sollte zunächst in einem weiteren Verfahrensschritt abgefragt werden, ob der Zusatzwärmetauscher vorher im Kühlbetrieb gearbeitet hat. Ist dies der Fall, muß abgefragt werden, ob eine vorgegebene Mindestzeitspanne t_min vergangen ist, damit das eventuell am Zusatzwärmetauscher niedergeschlagene Kondenswasser ablaufen oder verdampfen konnte. Ist diese Zeit vergangen, kann der Zusatzwärmetau scher als Zusatzheizung eingesetzt werden in einer der oben beschriebenen Betriebsarten. War der Zusatzwärmetauscher bereits vorher im Heizbetrieb, muß diese Zeitspanne tmin nicht abgewartet werden und der Zusatzwärme tauscher 20 kann unmittelbar als Zusatzheizung eingesetzt werden.

Claims

1. Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug mit einem von Kühlen auf Heizen umschaltbaren Kreislauf (14), in welchem ein von der zu klimatisie renden Luft durchströmbarer Wärmetauscher (20) vorgesehen ist, wobei für den Kühlbetrieb ein als Verdampfer wirkender Kühl- Wärmetauscher (18) und für den Heizbetrieb ein mit Kältemittel be aufschlagbarer Zusatzwärmetauscher (20) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwärmetauscher (20) im Kühlbetrieb auch als Verdampfer wirkender Kühl-Zusatzwärmetauscher betreibbar ist.

2. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühl- und der Zusatzwärmetauscher zu einem Wärmetauscherblock miteinander verbunden sind.

3. Klimaanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei niedriger Kühlleistung der Zusatzwärmetauscher (20) ohne Funk tion ist.

4. Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Kühl- (18) und Zusatzwärmetauscher (20) luft seitig hintereinander geschaltet sind.

5. Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage nach einem der vorherge henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nachdem der Zu satzwärmetauscher als Kühl-Zusatzwärmetauscher in Betrieb war, dieser erst nach Ablauf einer vorgebbaren Mindestzeitspanne wieder als heizender Zusatzwärmetauscher betrieben wird.