DE10036038B4

DE10036038B4 - Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE10036038B4
Application number: DE10036038.6A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Kampf Hans
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2000-07-25
Filing date: 2000-07-25
Publication date: 2017-01-05
Anticipated expiration: 2020-07-26
Also published as: JP2002046448A; FR2813046A1; US6449974B1; FR2813046B1; DE10036038A1; US20020035843A1

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs mit einem von Kühlen auf Heizen umschaltbaren Kreislauf (14), in welchem ein von der zu klimatisierenden Luft durchströmbarer Wärmetauscher vorgesehen ist, wobei für den Kühlbetrieb ein als Verdampfer wirkender Kühl-Wärmetauscher (18) und für den Heizbetrieb ein mit Kältemittel beaufschlagbarer Zusatzwärmetauscher (20) vorgesehen sind, wobei der Zusatzwärmetauscher (20) im Kühlbetrieb auch als Verdampfer wirkender Kühl-Zusatzwärmetauscher betreibbar ist und bei niedriger Kühlleistung der Zusatzwärmetauscher (20) ohne Funktion ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs.
Aus der DE 198 55 309 A1 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 Klimatisierungskreislaufs in einem abgezweigten Strang unter Umgehung des Kondensators 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 Taupunkttemperatur unterschritten wird, so dass die in der zu temperierenden Luft vorhandene Feuchtigkeit an dem Verdampfer auskondensiert. Bei Umstellung auf Heizbetrieb wird dieses Kondenswasser verdampfen und in den Innenraum gelangen, wodurch insbesondere schlagartiger Scheibenbeschlag auftreten kann, was als sogenanntes „flash fogging” bezeichnet wird. Zur Vermeidung dieses Scheibenbeschlags ist nach der DE 198 55 309 A1 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 Verdampfer und für den Zusatzheizbetrieb ein zusätzlicher Wärmetauscher vorgesehen sein kann.
Eine solche Klimaanlage, bei der ein zusätzlicher Wärmetauscher im Kältemittelkreislauf vorgesehen ist, der zur Aufheizung der Luft dient, ist auch aus der DE 39 07 201 A1 bekannt.
Die EP 0 870 632 A2 offenbart eine Wärmepumpenanordnung für ein Kraftfahrzeug.
Die DE 40 28 787 C1 offenbart ein Verfahren zum Entfeuchten eines Verdampfers einer Fahrzeug-Klimaanlage.
Diese bekannten Klimaanlagen haben den Nachteil, dass neben dem unveränderten Verdampfer, der alleine die Abkühlung der Luft bewirkt, ein zusätzlicher 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 Wärmetauscher 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 hauptsächlich nur beim Kaltstart in der kalten Jahreszeit, so dass der zusätzliche Komfort- 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, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage zu schaffen, mit dem die genannten Nachteile vermieden werden können und mit dem insbesondere der zusätzliche Wärmetauscher besser nutzbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Erfindungsgemäß kann der Zusatzwärmetauscher nicht nur im Zusatzheizbetrieb als Heiz-Wärmetauscher betrieben werden, sondern im Kühlbetrieb der Klimaanlage auch als Verdampfer wirkender Kühl-Zusatzwärmetauscher betrieben werden. Dadurch ist der Zusatzwärmetauscher erheblich vielseitiger 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 ausgebildet werden, so dass der Bauraumverlust durch den zusätzlichen Wärmetauscher durch den Bauraumgewinn des jetzt kleiner bauenden Verdampfers teilweise kompensiert werden kann. Die zur Abkühlung der Luft zur Verfügung stehenden Wärmetauscherflächen sind dann aufgeteilt auf einen ersten 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 Kältemittelkreislauf eingebunden ist, dass er auch als heizender Wärmetauscher genutzt 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 den schlagartigen Scheibenbeschlag typischen Klimaverhältnissen der zusätzliche Wärmetauscher zum Kühlen nicht benutzt wird. Derartige typische Klimaverhältnisse, an denen schlagartiger Scheibenbeschlag auftreten kann, liegen beispielsweise dann vor, wenn am Tage die Temperaturen ca. 20 Grad betragen mit morgendlichen 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 werden, so dass sich zwar in dieser Betriebsart Kondenswasser an dem zusätzlichen Wärmetauscher abscheiden kann, jedoch wird in dieser Zeit der schlagartige Scheibenbeschlag 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 erfindungsgemäßen Klimaanlage vorgesehen sein, dass nachdem der Zusatzwärmetauscher 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 weiterer Bauraum eingespart werden kann. Besondere Temperaturspannungen werden in der Wärmetauschereinheit nicht auftreten, da, wenn der Verdampfer in Betrieb ist, der Zusatzwärmetauscher sich nicht im Heizbetrieb befindet und bei Betrieb des Zusatzwärmetauschers als zusätzlicher Heizwärmetauscher der Verdampfer ausgeschaltet sein wird.
Aus der DE 198 55 309 A1 und der DE 39 07 201 A1 ist es bekannt, dass der Verdampfer und der zusätzliche Wärmetauscher in parallel verlaufenden Luftströmungswegen angeordnet sind, so dass die Luft entweder durch den Verdampfer abgekühlt oder durch den zusätzlichen Wärmetauscher erwärmt wird. Diese Anordnung nimmt jedoch erheblichen Bauraum ein, so dass vorteilhafterweise in der erfindungsgemäßen Klimaanlage der Kühl- und der Zusatzwärmetauscher luftseitig hintereinander geschaltet sind. Dies ist sinnvoll, 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 Durchströmen der Wärmetauscher auftretende Druckverlust der Luft gar nicht oder nur wenig erhöht, 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:
1 bis 4 schematische Darstellungen der Klimaanlage mit einem Kältekreislauf in verschiedenen Betriebszuständen;
5 ein Blockschaltbild zur Darstellung des Betriebs der erfindungsgemäßen Klimaanlage.
Eine 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 Luftführungsgehäuse 12 zu einem Innenraum eines Kraftfahrzeuges gefördert werden 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 bekannter Weise von einem Motorkühlmittel durchströmbar ist. Über nicht dargestellte Luftklappen könnte die Luft auch über einen Bypass 24 an dem Heizkörper 22 vorbeigeführt werden und über nicht näher dargestellte Luftaustrittsöffnungen dem Innenraum in der gewünschten Temperatur zugeführt werden.
Eine Ausgestaltung betrifft insbesondere den Zusatzwärmetauscher 20 und seine Verschaltung in den Kältemittelkreislauf 14, so dass der Zusatzwärmetauscher in verschiedenen Betriebsarten betreibbar ist. Dies soll im Weiteren anhand der Erläuterungen der verschiedenen Betriebszustände der Klimaanlage 10 beschrieben werden.
Die im Folgenden beschriebenen Betriebszustände sind:

– Kühlen im Teillastbetrieb (1)
– Kühlen im Vollastbetrieb (2)
– Zusatzheizen im Wärmepumpenbetrieb (3)
– Zusatzheizen mittels Kompressorabwärme (4)

Kühlen im Teillastbetrieb:
In dieser Betriebsart ist in bekannter Weise der Kältemittelkreis 14 derart geschaltet, dass ein Kompressor 26, ein Kondensator 28, ein Expansionsventil 30 und der Verdampfer 18 über Kältemittelleitungen 1.1 bis 1.9 miteinander verbunden sind, wozu Ventile 32, 34, 36, 38 entsprechend geschaltet sind. In 1 ist diese Verschaltung dadurch dargestellt, dass die entsprechenden, über die Ventile verschalteten Leitungen fettgedruckt dargestellt sind. In dieser Teillastbetriebsart ist der Zusatzwärmetauscher 20 außer Betrieb.
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 Zusatzwärmetauscher 20 geführt wird und von dort über die Leitung 1.12, ein Dreiwegeventil 40 und die Leitung 1.13 in die Leitung 1.7 und damit über Leitungen 1.8 und 1.9 wieder in den Kompressor 26 geführt wird, wie dies in 2 durch die fettgedruckten Linien dargestellt ist. In dieser Betriebsart arbeiten sowohl der Verdampfer 18 als auch der Zusatzwärmetauscher 20 als Verdampfer und kühlen die Luft ab.
Zusatzheizen mit Wärmepumpe:
In dieser Betriebsart wird der Kondensator 28 und der Verdampfer 18 umgangen 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 Leitungen 1.1, 1.14, 1.15, 1.11 in den Zusatzwärmetauscher 20, in dem das Kältemittel kondensiert und dabei Wärme an die den Zusatzwärmetauscher 20 durchströmende Luft abgibt. Über die Leitungen 1.12, 1.16, einem zusätzlichen 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 Umgebung über den Verdampfer 42 Wärme entzogen, die auf einem höheren Temperaturniveau mittels des Kondensators an die dem Innenraum zuzuführende Luft abgegeben wird.
Zusatzheizen mittels Kompressorabwärme:
In dieser Betriebsart arbeitet die erfindungsgemäße Klimaanlage ähnlich wie beim Betrieb als Wärmepumpe, wobei jetzt allerdings der zusätzliche Verdampfer 42 umgangen wird. Die Umgehung des Verdampfers 42 kann entweder über die Leitungen 1.6, 1.7 und 1.8 erfolgen oder über eine gesonderte Bypassleitung 1.19, die in 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, so dass die im Kompressor 26 erzeugte Wärme unmittelbar an den Zusatzwärmetauscher 20 abgegeben werden kann. In dieser Betriebsart sind der zusätzliche Verdampfer 42 und das zusätzliche Expansionsventil 44 nicht notwendig.
Anhand des in 5 dargestellten Flussdiagramms sei ein Verfahren zum Betrieb der 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 großer oder kleiner Kühlbedarf besteht. Bei einem kleinen Kühlbedarf wird die Klimaanlage im Teillastbetrieb kühlen. Bei einem großen Kühlbedarf wird die Klimaanlage im Vollastbetrieb (2) arbeiten, wobei der Zusatzwärmetauscher als Verdampfer wirkt und die im Verdampfer 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 Zusatzwärmetauscher 20 nicht als Zusatzheizung in Betrieb genommen, sondern die Luft wird ausschließlich durch den bekannten Heizkörper 22 erwärmt. Ist der Heizbedarf groß, muss der Zusatzwärmetauscher 20 als Zusatzheizung 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 Zusatzwärmetauscher als Zusatzheizung eingesetzt werden in einer der oben beschriebenen Betriebsarten. War der Zusatzwärmetauscher bereits vorher im Heizbetrieb, muss diese Zeitspanne t_min nicht abgewartet werden und der Zusatzwärmetauscher 20 kann unmittelbar als Zusatzheizung eingesetzt werden.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs mit einem von Kühlen auf Heizen umschaltbaren Kreislauf (14), in welchem ein von der zu klimatisierenden Luft durchströmbarer Wärmetauscher vorgesehen ist, wobei für den Kühlbetrieb ein als Verdampfer wirkender Kühl-Wärmetauscher (18) und für den Heizbetrieb ein mit Kältemittel beaufschlagbarer Zusatzwärmetauscher (20) vorgesehen sind, wobei der Zusatzwärmetauscher (20) im Kühlbetrieb auch als Verdampfer wirkender Kühl-Zusatzwärmetauscher betreibbar ist und bei niedriger Kühlleistung der Zusatzwärmetauscher (20) ohne Funktion ist.
Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nachdem der Zusatzwärmetauscher als Kühl-Zusatzwärmetauscher in Betrieb war, dieser erst nach Ablauf einer vorgebbaren Mindestzeitspanne wieder als heizender Zusatzwärmetauscher betrieben wird.