DE102004003788A1 - Klimaanlage - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens einem als Verdampfer dienenden Wärmetauscher (103; 203; 203'; 203'') und einem als Kondensator dienenden Wärmetauscher (103'; 203; 203'), wobei mindestens zwei Wärmetauscher als ein einziger kombinierter Wärmetauscher (103/103'; 203/203'/203'') ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Gemäß dem Stand der Technik werden üblicherweise Klimaanlagen verwendet, die einen als Verdampfer dienenden Wärmetauscher und einen als Kondensator dienenden Wärmetauscher aufweisen, welche getrennt ausgebildet sind.
  • Ferner ist aus der DE 197 40 291 A1 ein Kompaktsystem für Heizung und Motor-Kühlung bekannt. Hierbei sind Motor-Kühler und Heizungs-Wärmetauscher zu einem gemeinsamen, zylindrischen Wärmetauscher zusammengefasst und werden mittels eines ersten Radialgebläses, um das der Wärmetauscher konzentrisch angeordnet ist, mit Luft durchströmt. Ein weiteres Radialgebläse sorgt für Frischluftzufuhr. Hierbei ist ein axialsymmetrischer Aufbau von erstem Gebläse, Wärmetauscher und Kammersystemen vorgesehen. Jedes Gebläse ist in einem dem jeweiligen Gebläse zugeordneten Kammersystem angeordnet, wobei die Gebläse auf einer gemeinsamen Antriebswelle aufgeflanscht sind.
  • Dabei umfasst das dem Wärmetauscher zugeordnete erste Kammersystem eine vom ersten Radialgebläse axial beabstandete erste Mischkammer mit einer Frischlufteinlassöffnung und einer innenraumseitigen Umlufteinlassöffnung, und eine mit der ersten Mischkammer verbundene und vom ersten Radiaigebläse mit Wärmetauscher axialsymmetrisch umgebene erste Ansaugkammer mit einer innenraumseitigen Warmluftauslassöffnung und einer motorraumseitigen Abluftauslassöffnung.
  • Das zweite Kammersystem umfasst eine vom zweiten Radialgebläse axial beabstandete zweite Mischkammer mit einer Frischlufteinlassöffnung und einer innenraumseitigen Umlufteinlassöffnung, und eine mit der zweiten Mischkammer verbundene und vom zweiten Radialgebläse axialsymmetrisch umgebene zweite Ansaugkammer mit einer innenraumseitigen Mischluftauslassöffnung und einer matorraumseitigen Mischluftauslassöffnung.
  • Auch eine derartige, kompakte Klimaanlage lässt noch Wünsche offen.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Klimaanlage zur Verfügung zu stellen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Klimaanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Erfindungsgemäß ist eine Klimaanlage, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens einem als Verdampfer dienenden Wärmetauscher und einem als Kondensator dienenden Wärmetauscher vorgesehen, bei der mindestens zwei Wärmetauscher als ein einziger kombinierter Wärmetauscher ausgebildet sind. Dadurch, dass die beiden Wärmetauscher gemäß dem Stand der Technik durch einen einzigen kombinierten Wärmetauscher ersetzt werden, welcher in einen einzigen, entsprechend ausgebildeten und schaltbaren Kältemittel-Kreislauf eingebunden ist, lässt sich die Zahl der Rohrverbindungen und damit auch das Gesamtgewicht der Klimaanlage verringern. Ebenfalls können die Herstellungskosten gesenkt werden. Durch die Verringerung der Anzahl und Länge der Rohrverbindungen lässt sich ferner die Verlässlichkeit und Dichtheit der Klimaanlage verbessern.
  • Bevorzugt ist hierbei der kombinierte Wärmetauscher derart ausgebildet, dass einer oder mehrere der einzelnen Wärmetauscher in unterschiedlichen Strömungsrichtungen durchströmbar sind, so dass die Ausnutzung des Wärmetauschers optimiert werden kann.
  • Bevorzugt sind drei Wärmetauscher als ein kombinierter Wärmetauscher ausgebildet. Von diesen drei Wärmetauschern werden vorzugsweise zwei in einem Wärmepumpen-Betrieb und/oder in einem Reheat-Betrieb durchströmet. Hierbei unterscheidet sich bei den verschiedenen Betriebsarten jedoch einer der durchströmten Wärmetauscher. Im Kühlbetrieb werden vorzugsweise alle drei Wärmetauscher durchströmt.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzeinen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
  • 1 einen Kreislauf eines kombinierten Wärmetauschers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 2a eine Schaltung eines Kreislaufs eines kombinierten Wärmetauschers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiels im Kühlbetrieb,
  • 2b den Kreislauf von 4a mit einer Schaltung im Wärmepumpen-Betrieb,
  • 2c den Kreislauf von 4a mit einer Schaltung im Reheat-Betrieb, und
  • 2d eine Darstellung einer Kreislauf-Variante zu den 2a–2c mit wasserseitiger Wärmepumpe im Wärmepumpen-ßetrieb.
  • In 1 ist vereinfacht ein Kreislauf 101 dargestellt, wie er gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet wird. Hierbei ist ein Kompressor 102 vorgesehen, welcher ein Kältemittel durch einen ersten Wärmetauscher 103, einen über einen Anschlussflansch angeschlossenen internen Wärmetauscher 104, ein Regelventil 105 (Expansionsventil), das vorzugsweise direkt am Wärmetauscher 103 mittels eines weiteren Anschlussflansches anflanscht ist, einen zweiten Wärmetauscher 103', einen Sammler 106 und nochmals den internen Wärmetauscher 104 fördert. Als Kältemittel kann beispielsweise CO2 (R744) verwendet werden. Die beiden Wärmetauscher 103 und 103' sind hierbei als ein einziger Wärmetauscherblock ausgebildet, das heißt, sie sind in einem einzigen gemeinsamen Arbeitsablauf hergestellt und fest miteinander verlötet, weshalb im Folgenden auf sie auch als kombinierter Wärmetauscher 103/103' Bezug genommen wird. Der erste Wärmetauscher 103 dient gemäß dem Ausführungsbeispiel als Gaskühler und der zweite Wärmetauscher 103' als Verdampfer.
  • Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist zwischen den beiden einstückig ausgebildeten Wärmetauschern 103 und 103', welche ein durchgehendes Rippe/Rohr-System aufweisen, eine thermische Entkopplung vorgesehen.
  • Gemäß einer alternativen, nicht in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform, insbesondere beim Kältemittel R134a kann ein direkter Übertritt von flüssigem, kondensiertem Kältemittel vom Wärmetauscher 103 über ein Ventil zum Wärmetauscher 103' erfolgen.
  • Die 2a bis 2c zeigen ein Schaltschema für verschiedene Betriebsarten, nämlich den Betrieb als Kühler (2a), als Wärmepumpe (2b) und als Heizer (2c), eines kombinierten Wärmetauschers 203/203'/203'', welcher entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel als ein Block, das heißt einstückig, ausgebildet ist.
  • Beim in 2a dargestellten Kühlbetrieb wird der gesamte kombinierte Wärmetauscher 203/203'/203'' von Kältemittel durchströmt, wobei der entsprechende Kreislauf 201 folgendermaßen durchströmt wird: Das Kältemitel wird von einem Kompressor 202 durch ein erstes Schaltventil S1 zum luftgekühlten, ersten Wärmetauscher 203 gefördert. Der erste Wärmetauscher 203 dient bei diesem Betriebszustand als Gaskühler, das heißt in diesem Wärmetauscher 203 gibt das Kältemittel Wärme an die den ersten Wärmetauscher 203 durchströmende Umgebungsluft ab.
  • Vom ersten Wärmetauscher 203 aus gelangt das gekühlte Kältemittel über einen internen Wärmetauscher 204 und ein Regelventil 205 (Expansionsventil) zum zweiten Wärmetauscher 203' und von diesem direkt zum dritten Wärmetauscher 203''. Über einen Sammler 206 und den internen Wärmetauscher 204 gelangt das Kältemittel wieder zum Kompressor 202.
  • Auf Grund der Strömungsrichtung des Kältemittels im Kühlbetrieb hat der erste Wärmetauscher 203 eine progressive Charakteristik, während der zweite Wärmetauscher 203' und der dritte Wärmetauscher 203'' eine degressive Charakteristik aufweisen.
  • Beim in 2b dargestellten Wärmepumpen-Betrieb wird nur ein Teil des kombinierten Wärmetauschers 203/203'/203'', nämlich die Wärmetauscher 203 und 203', von Kältemittel durchströmt, wobei der entsprechende Kreislauf 201 folgendermaßen durchströmt wird: Das Kältemittel wird vom Kompressor 202, da das erste Schaltventil S1 geschlossen ist, durch ein bei dieser Betriebsart offenes, zweites Schaltventil S2 zum zweiten Wärmetauscher 203' gefördert, den es in umgekehrter Richtung durchströmt. Der zweite Wärmetauscher 203' dient bei diesem Betriebszustand als Zuheizer, das heißt in diesem zweiten Wärmetauscher 203' gibt das Kältemittel Wärme an die den zweiten Wärmetauscher 203' durchströmende Luft, die zum Temperieren des Fahrzeuginnenraums dient, ab.
  • Vom zweiten Wärmetauscher 203' aus gelangt das gekühlte Kältemittel über das Regelventil 205 und über einen mittels eines dritten Schaltventils S3 geregelten Bypass vorbei am internen Wärmetauscher 204 direkt zum ersten Wärmetauscher 203, der ebenfalls in umgekehrter Richtung durchströmt wird und bei dieser Betriebsart als Verdampfer dient, das heißt in diesem ersten Wärmetauscher 203 gibt das Kältemittel Wärme an die den ersten Wärmetauscher 203 durchströmende Umgebungsluft ab. Vom ersten Wärmetauscher 203 aus gelangt das Kältemittel über ein viertes Schaltventil S4 zum Sammler 206 und von diesem über den in diesem Betriebszustand funktionslosen internen Wärmetauscher 204 zum Kompressor 202.
  • Auf Grund der Strömungsrichtung des Kältemittels im Wärmepumpen-Betrieb hat der erste Wärmetauscher 203 eine degressive Charakteristik, während der zweite Wärmetauscher 203' eine progressive Charakteristik aufweist.
  • Prinzipiell kann auf Grund der Druckverhältnisse und Strömungsrichtungen anstelle des dritten Schaltventils im Bypass auch ein einfaches, ungeregeltes Rückschlagventil vorgesehen sein.
  • Das dritte Schaltventils S3 und der entsprechende Bypass sind gemäß einer alternativen Ausführungsform, gemäß der der interne Wärmetauscher 204 vom Kältemittel durchströmt werden soll, nicht erforderlich.
  • Beim in 2c dargestellten Reheat-Betrieb, das heißt, dass zumindest ein Teil der dem Fahrzeuginnenraum zugeführten Luft entfeuchtet wird, wird ebenfalls nur ein Teil des kombinierten Wärmetauschers 203/203'/203'' von Kältemittel durchströmt, wobei der entsprechende Kreislauf 201 folgendermaßen durchströmt wird: Das Kältemittel wird vom Kompressor 202 durch das offene erste Schaltventil S1 zum wiederum als Gaskühler dienenden ersten Wärmetauscher 203 gefördert, durchströmt diesen und gelangt über den internen Wärmetauscher 204, da das dritte Schaltventil S3 und das Regelventil 205 geschlossen sind, über ein fünftes Schaltventil S5 zum dritten Wärmetauscher 203'', welcher als Verdampfer dient. Von diesem dritten Wärmetauscher 203'' aus gelangt das Kältemittel zum Sammler 206 und über den internen Wärmetauscher 204 zurück zum Kompressor 202.
  • Entgegen der schematischen Darstellung der einzelnen Teile des kombinierten Wärmetauschers 203/203'/203'' ist der dritte Wärmetauscher 203'' größer als der zweite Wärmetauscher 203', was insbesondere im Wärmepumpen-Betrieb Auswirkungen hat.
  • Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird beim Verlöten des kombinierten Wärmetauschers 203/203'/203'' eine Leiste angelötet, an der die einzelnen Schaltventile S1–S5 sowie das Regelventil 205 angebracht, insbesondere angeschraubt, werden.
  • In den 2a bis 2c wurde eine Anordnung für eine luftseitige Wärmepumpe dargestellt. 2d zeigt eine wasserseitige Wärmepumpe. Hierbei ist ein zusätzlicher Kältemittel-Verdampfer 220 parallel zum dritten Wärmetauscher 203'' vorgesehen, wobei ein 3/2-Wege-Ventil V1 im Kreislauf 201 angeordnet ist. Eine entsprechende Schaltung ist beispielsweise auch für Brennstoffzellen-Antriebe geeignet.
    • 101, 201
    Kreislauf
    102, 202
    Kompressor
    103, 103', 203, 203', 203''
    Wärmetauscher
    104, 204
    interner Wärmetauscher
    105, 205
    Regelventil
    106, 206
    Sammler
    220
    Kältemittel-Verdampfer
    S1, S2, S3, S4, S5
    Schaltventil
    V1
    3/2-Wege-Ventil

Claims (8)

  1. Klimaanlage, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens einem als Verdampfer dienenden Wärmetauscher (103; 203; 203'; 203'') und einem als Kondensator dienenden Wärmetauscher (103'; 203; 203'), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Wärmetauscher als ein einziger kombinierter Wärmetauscher (103/103'; 203/203'/203'') ausgebildet sind.
  2. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrere der einzelnen Wärmetauscher (203; 203'; 203'') des kombinierten Wärmetauschers (203/203'/203'') in unterschiedlichen Strömungsrichtungen durchströmbar sind.
  3. Klimaanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass drei Wärmetauscher (203; 203'; 203'') als ein kombinierter Wärmetauscher (203/203'/203'') ausgebildet sind.
  4. Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein interner Wärmetauscher (104; 204) vorgesehen ist.
  5. Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Wärmepumpe-Betrieb zwei von drei Wärmetauschern (203; 203') des kombinierten Wärmetauschers (203; 203'; 203'') von Kältemittel durchströmt sind.
  6. Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Reheat-Betrieb zwei von drei Wärmetauschern (203; 203'') des kombinierten Wärmetauschers (203; 203'; 203'') von Kältemittel durchströmt sind.
  7. Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlbetrieb alle Wärmetauscher (203; 203'; 203'') des kombinierten Wärmetauschers (203/203'/203'') von Kältemittel durchströmt sind.
  8. Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Kältemittel-Verdampfer (220) parallel zum dritten Wärmetauscher (203'') vorgesehen ist.
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