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Die
Erfindung betrifft eine Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs.
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Klimaanlagen
für Kraftfahrzeuge
sind seit langem bekannt und funktionieren nach dem Prinzip des
Kältekreislaufs,
wobei zirkulierendes Kältemittel vorgesehen
ist, das durch einen dauernden Wechsel zwischen flüssigem und
gasförmigem
Aggregatzustand in der Lage ist, an einer Stelle Wärme aufzunehmen
und an anderer Stelle wieder abzugeben. Die Kühlung der Innenluft bzw. Kabinenluft
erfolgt dabei am Verdampfer, wobei das flüssige Kältemittel im Verdampfer die
Wärme von
der Innenluft aufnimmt und seinerseits verdampft. Das gasförmige Kältemittel
wird dann einem Kompressor zugeführt,
der das Kältemittel
komprimiert, so dass es in einem nachgeschalteten Kondensator durch
Abgabe von Wärme verflüssigt werden
kann. Der Klimakompressor wird üblicherweise
durch den Fahrzeugmo tor angetrieben, beispielsweise mittels Kopplung
durch einen Keilriemen.
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Kraftfahrzeuge
besitzen ferner verschiedene mit Druckluft betriebene Druckluftverbraucher,
beispielsweise Sicherheitsapplikationen wie Airbags oder dergleichen.
In der Regel werden solche Druckluftverbraucher über Pufferspeicher mit Druckluft
versorgt. Diese Pufferspeicher werden herkömmlich über elektrisch angetriebene
Drucklufterzeuger mit Druckluft gefüllt. Ein Problem hierbei ist,
dass die Pufferspeicher bei längeren
Stillstandszeiten bedingt durch Leckage geleert sein können. Bei
Verwendung von Sicherheitsapplikationen ist es aber erforderlich, dass
die Pufferspeicher in kurzer Zeit auf den geforderten Druck zu bringen
sind, damit die Sicherheitsapplikationen störungsfrei funktionieren. Die
Befüllung
solcher Pufferspeicher in der geforderten kurzen Zeit ist aber durch
herkömmliche,
elektrisch angetriebene Kompressoren nur schwer oder gar nicht möglich, da
diese aufgrund von Überhitzung
nur eine begrenzte Einschaltdauer besitzen, die nicht ausreicht, um
in den Pufferspeichern den geforderten Druck bereitzustellen.
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In
der
DE 10 2004
023 834 A1 ist eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug offenbart,
wobei im Kältemittelkreislauf
eine Expansionseinrichtung eingeschaltet ist, die zumindest ein
Expansionsventil, beispielsweise in Form eines Drosselven tils, und
eine dem Expansionsventil nachgeschaltete Expansionsmaschine umfasst.
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In
der
DE 601 09 640
T2 ist eine Kühlvorrichtung
zur Verwendung an einem Fahrzeug beschrieben, mit einem Wärmetauscher
und dem Wärmetauscher
zugeordneten ersten und zweiten Kühlmittelzuführeinrichtungen, die derart
miteinander verschaltet sind, dass das Fahrzeug im Stand oder während der/die
Fahrzeugmotoren nicht läuft/laufen,
ohne die Notwendigkeit eines elektrischen betriebenen Lüfters gekühlt werden
kann.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Klimaanlage für Kraftfahrzeuge der eingangs
erwähnten
Art zu schaffen, die eine Multifunktionalität besitzt, also nicht nur zum
Kühlen
bzw. Trocknen der Innenluft verwendbar ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Klimaanlage für
Kraftfahrzeuge mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
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Die
erfindungsgemäße Klimaanlage
zeichnet sich dadurch aus, dass in den Strang zwischen Kompressoreinheit
und Verdampfereinheit ein durch das Kältemittel antreibbarer, als
Fluidmotor ausgebildeter Antrieb eines Drucklufterzeugers eingeschaltet ist.
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Das
in der Klimaanlage zirkulierende Kältemittel wird also zum Antreiben
des Fluidmotors genutzt, der seinerseits wiederum als Antrieb für den Drucklufterzeuger
dient. Beim Antrieb des Fluidmotors wird das nach der Kompressoreinheit
unter hohem Druck stehende Kältemittel
genutzt, wobei die gespeicherte Druckenergie des Kältemittels
zum Antreiben des Fluidmotors genutzt wird.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung besitzt der Strang einen zwischen
der Kompressoreinheit und der Verdampfereinheit unter Umgehung des
Fluidmotors verlaufenden Hauptstrang und einen über den Fluidmotor verlaufenden
Nebenstrang. Haupt- und
Nebenstrang können
jeweils aus wenigstens einer Fluidleitung bestehen. Vorzugsweise
wird also ein Teil des Kältemittels
aus dem Hauptstrang abgezweigt und dient zum Antreiben des Fluidmotors. Eine
der Komponenten eines Kältekreislaufes
ist wie erwähnt
eine Kondensatoreinheit, die in Strömungsrichtung des Kältemittels
der Kompressoreinheit nachgeschaltet ist und zur Verflüssigung
des gasförmigen,
komprimierten Kältemittels
dient. In besonders bevorzugter Weise kann hierbei der Nebenstrang
nach der Kondensatoreinheit abzweigen, so dass der Fluidmotor mittels
flüssigem
Kältemittel
antreibbar ist.
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Als
Alternative kann der Nebenstrang auch vor der Kondensatoreinheit
abzweigen, so dass der Fluidmotor mittels gasförmigem Kältemittel antreibbar ist.
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Die
Rückführung des
abgezweigten Kältemittels
kann auf zwei unterschiedlichen Arten erfolgen, zum einen nämlich dadurch,
dass der Nebenstrang nach dem mit flüssigem Kältemittel angetriebenen Fluidmotor
vor der Verdampfereinheit wieder in den Hauptstrang einmündet oder
alternativ dass der Nebenstrang nach dem mit gasförmigem Kältemittel
angetriebenen Fluidmotor nach der Verdampfereinheit wieder in den
Kältekreislauf
rückgeführt wird.
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In
besonders bevorzugter Weise dient das nach dem Durchlaufen des Fluidmotors
abgekühlte Kältemittel
als Kühlung
für den
Drucklufterzeuger. Damit kann der Drucklufterzeuger vor Überhitzung geschützt werden.
Es können
somit deutlich höhere Einschaltdauern
erreicht werden. Besonders effektiv ist die Kühlung des Drucklufterzeugers
durch flüssiges
Kältemittel.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung ist in den Strang eine Ventilanordnung
zur Ansteuerung der Klimaanlage und/oder des Fluidmotors eingeschaltet.
Es ist also möglich,
wahlweise die Klimaanlage oder den Fluidmotor zu betreiben oder
beide Einleiten zusammen. Insbesondere ist es möglich, bei der doch im wesentlichen
stets in Funktion befindlichen Klimaanlage bei Bedarf den Fluidmotor
zuzuschalten.
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Besonders
bevorzugt besitzt die Ventilanordnung eine erste Ventileinheit zur
Ansteuerung der Klimaanlage und eine zweite Ventileinheit zur Ansteuerung
des Fluidmotors. Die erste Ventileinheit kann in den Hauptstrang
und die zweite Ventileinheit in den Nebenstrang eingeschaltet sein.
Die Ventileinheiten können
wenigstens ein Wegeventil, insbesondere 2/2-Wegeventil aufweisen. Es sind jedoch
auch andere Wegeventil-Typen
einsetzbar, beispielsweise 3/2-Wegeventile.
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In
besonders bevorzugter Weise ist die Kompressoreinheit derart ausgebildet,
dass benötigtes Fördervolumen
an Kältemittel
insbesondere stufenlos einstellbar ist. Hierüber lässt sich dann die Antriebsleistung
des Fluidmotors regeln. Es ist möglich, dass
die Kompressoreinheit nach dem Prinzip Taumelscheibe arbeitet, d.h.
die Taumelscheibe verstellt sich ent sprechend der benötigten Leistung
bzw. des benötigten
Fördervolumens.
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Es
ist möglich,
dass dem Drucklufterzeuger wenigstens ein Luftfilter zur Filterung
der zu komprimierenden Luft vorgeschaltet ist. Bevorzugt ist die
zu verdichtende Luft aus dem Luftfilterkasten des Kraftfahrzeugs
entnehmbar. Diese Luft ist dann schon gefiltert und ggf. im Winter
durch die Vorheizung schon etwas angewärmt.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden
näher erläutert.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Klimaanlage
in schematischer Schaltungsanordnung und
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2 eine
vergrößerte Darstellung
des Details X aus 1, wobei hier der Fluidmotor
und der damit gekoppelte Drucklufterzeuger dargestellt sind.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Klimaanlage 11.
Die Klimaanlage 11 besitzt einen Kältekreislauf mit zirkulierendem
Kältemittel.
Als Kältemittel
eignen sich Fluorkohlenwasserstoffe, beispielsweise R 134a oder
umweltfreundliche FCKW-freie Kältemittel
wie Kohlendioxid oder dergleichen. Der Kältekreislauf besitzt als typi sche
Komponenten eine Verdampfereinheit 12, die den eigentlichen
Kühler
darstellt, da hier an der Verdampfereinheit 12 vorbeiströmende Innenluft
durch Wärmeabgabe
an das Kältemittel
abgekühlt
wird. Das im flüssigen
Zustand vorliegende Kältemittel wird
im Verdampfer durch die Wärmeaufnahme
seinerseits „verdampft" und tritt in den
gasförmigen
Aggregatzustand über.
Von der Verdampfereinheit 12 gelangt das gasförmige Kältemittel
zu einer Kompressoreinheit 13, in der es komprimiert, d.h.
auf höheren
Druck gebracht wird. Die Kompressoreinheit 13 ist über den
Fahrzeugmotor angetrieben, beispielsweise mittels Kopplung über einen
Keilriemen. Als bevorzugte Ausführungsform
einer Kompressoreinheit ist eine nach dem Taumelscheiben-Prinzip
arbeitender Kompressor vorgesehen, wobei sich die Taumelscheibe
entsprechend des benötigen
Fördervolumens
an Kältemittel
stufenlos verstellen kann.
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Im
Strömungsrichtung
des Kältemittels
nach der Kompressoreinheit 13 ist eine Kondensatoreinheit 14 angeordnet,
in der das komprimierte gasförmige
Kältemittel
verflüssigt
wird. Nach der Kondensatoreinheit 14 folgt noch eine Drosseleinheit 15,
in der das unter relativ hohem Druck stehende, flüssige Kältemittel
entspannt wird. Danach wird das entspannte flüssige Kältemittel der Verdampfereinheit 12 zugeführt, in
der das Kältemittel
wie zuvor beschrieben verdampft wird.
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Die
Klimaanlage 11 umfasst ferner noch einen Drucklufterzeuger 16 in
Form eines Druckluftkompressors zum Erzeugen von Druckluft. Die Druckluft
dient zum Befüllen
verschiedener Pufferspeicher 17, 18, 19,
die ihrerseits jeweils verschiedenen Druckluftverbrauchern, beispielsweise
Sicherheitsapplikationen wie Airbags usw. zugeordnet sind. Der Druckluftkompressor 16 saugt
Umgebungsluft über
einen Luftfilter 35, insbesondere aus dem Luftfilterkasten
des Kraftfahrzeugs an, die über
eine Ansaugleitung 20 in den Druckluftkompressor eintritt.
Im Druckluftkompressor 16 wird die Luft komprimiert und über eine
Druckleitung 21 zu den Pufferspeichern 17, 18 und 19 geführt. In
der Druckleitung 21 befindet sich ein Rückschlagventil 22,
das verhindert, dass Druckluft zurück in Richtung des Druckluftkompressors 16 strömt. Die
Druckluft wird dann in einzelne Verbraucherstränge aufgeteilt, von denen beispielhaft
drei dargestellt sind. Jeder Verbraucherstrang besitzt einen Pufferspeicher 17, 18 oder 19,
der mit Druckluft gefüllt
ist und bei Bedarf in der zuvor beschriebenen Weise mit Druckluft
nachgefüllt
wird. Jedem Pufferspeicher 17, 18 und 19 ist
ein Wegeventil WV3, WV4 und WV5 nachgeschaltet. Die Wegeventile
können
beispielsweise als 3/2-Wegeventile
ausgebildet sein. Die Wegeventile WV3, WV4 und WV5 dienen zum Ansteuern
der Druckluftverbraucher, die hier beispielhaft und schematisch
in Form von Arbeitszylindern 23, 24 und 25 dargestellt
sind.
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Zum
Antrieb des Druckluftkompressors 16 dient ein als Fluidmotor 26 ausgebildeter
Antrieb, der in den Strang 27 zwischen Kompressoreinheit 13 und Verdampfereinheit 12 eingeschaltet
ist. Der Strang 27 besitzt einen Hauptstrang 28,
der zwischen der Kompressoreinheit 13 und der Verdampfereinheit 12 unter
Umgehung des Fluidmotors 26 verläuft und in dem sich die Drosseleinheit 15 befindet
und einen Nebenstrang 29, der vom Hauptstrang 28 abzweigt und
in den der Fluidmotor 26 eingeschaltet ist. Haupt- und
Nebenstrang 28, 29 sind hier beispielhaft in Form einer
einzelnen Fluidleitung dargestellt. Es ist jedoch auch möglich, dass
sowohl der Hauptstrang 28 als auch der Nebenstrang 29 jeweils
aus mehreren Fluidleitungen bestehen. Wie in 1 mittels
durchgezogenen Linien dargestellt, zweigt der Nebenstrang 29 nach
der Kondensatoreinheit 14 vom Hauptstrang 28 ab,
so dass zuvor in der Kondensatoreinheit 14 verflüssigtes
Kältemittel
in den Nebenstrang gelangt, was dazu führt, dass der Fluidmotor 26 mittels
flüssigem
Kältemittel
angetrieben wird. Der Nebenstrang 29 mündet in Fließrichtung
des Kältemittels
nach dem Fluidmotor 26 wieder in den Hauptstrang 28 ein, so
dass also flüssiges,
jedoch durch die Antriebsarbeit entspanntes Kältemittel wieder rückgeführt wird.
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Eine
Alternative hierzu ist in 1 mittels
gestrichelten Linien dargestellt, wobei hier der Nebenstrang vor
der Kon densatoreinheit 14 aus dem Hauptstrang 28 abzweigt,
so dass komprimiertes gasförmiges
Kältemittel
in den Nebenstrang 29 gelangt, um den Fluidmotor 26 mittels
gasförmigem
Kältemittel
anzutreiben. Der Nebenstrang 29 mündet hier in Fließrichtung
des Kältemittels
nach dem Fluidmotor 26 erst nach der Verdampfereinheit 12 wieder in
den Kältekreislauf
ein. Mithin wird also gasförmiges
Kältemittel
aus dem Nebenstrang 29 wieder nach der Verdampfereinheit 12 mit
gasförmigem
Kältemittel
zusammengeführt.
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In 2 ist
der schematische Aufbau des Fluidmotors 26 dargestellt,
der mit dem zugeordneten Druckluftkompressor 16 eine kompakte
Baueinheit bildet. Zum Antrieb des Fluidmotors 26 dient
das mittels der Kompressoreinheit 13 komprimierte Kältemittel
in flüssiger
oder alternativ in gasförmiger
Form, wobei die gespeicherte Druckenergie des Kältemittels im Fluidmotor 26 in
Antriebenergie umgesetzt wird, so dass der Druckluftkompressor beispielsweise über die
schematisch dargestellte Antriebswelle 30 angetrieben werden
kann. Das Kältemittel
strömt hierbei über einen
Fluideingang in den Fluidmotor 26 ein und tritt nachdem
es seine gespeicherte Energie abgegeben hat und sich dadurch abgekühlt hat über eine
Strömungsbrücke 40 zum
Druckluftkompressor über,
der dadurch mit kühlem
Kältemittel
umspült wird,
so dass eine Kühlung
des Druckluftkompressors 16 erfolgt. Dies schützt den
Druckluft kompressor 16 vor Überhitzung. Besonders effektiv
ist die Umspülung
des Druckluftkompressors mit flüssigem Kältemittel.
Das Kältemittel
tritt dann wieder an einem Fluidausgang aus der Baueinheit Fluidmotor-Druckluftkompressor
aus.
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Wie
in 1 dargestellt, ist in den Strang 27 eine
Ventilanordnung 31 zur Ansteuerung der Klimaanlage 11 und/oder
des Fluidmotors 26 eingeschaltet. Es ist hier eine erste
Ventileinheit WV1 in Form eines 2/2 Wegeventils vorgesehen, das
in den Hauptstrang 28 eingeschaltet ist und eine zweite Ventileinheit
WV2, ebenfalls in Form eines 2/2 Wegeventils, die in den Nebenstrang 29 eingeschaltet
ist. Die beiden Ventileinheiten WV1 und WV2 werden jeweils durch
Vorsteuerventile vorgesteuert. Es sind hier beispielhaft elektropneumatische
Vorsteuerventile dargestellt, wobei die beiden Ventileinheiten WV1 und
WV2 durch stets anliegende Steuerluft in ihrer Normal-Geschlossen-Stellung
(normally closed) gehalten werden. Durch Bestromung des in den Vorsteuerventilen
enthaltenen Elektromagneten gelangt nunmehr Steuerluft zu den Anschlüssen S1
und S2, so dass ein Schaltvorgang injiziert wird, wodurch die Wegeventile
WV1 und WV2 in ihre Offenstellung schalten.
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In
der Regel läuft
die Klimaanlage 11 in einem Kraftfahrzeug ständig, d.h.
die Ventileinheit WV1 befindet sich in ihrer Offenstellung, so dass
in der Kondensatoreinheit 14 verflüssigtes Kältemittel über die Anschlüsse E1–A1 passieren kann,
wodurch der Kältekreislauf
in Gang ist. Bei Bedarf kann nunmehr durch ein Schaltvorgang der
zweiten Ventileinheit WV2 in ihre Offenstellung im Nebensstrang 29 befindliches
Kältemittel über die
Anschlüsse
E2–A2 zum
Fluidmotor 26 gelangen und diesen antreiben. Durch den
arbeitenden Fluidmotor 26 wird wiederum der Druckluftkompressor 16 angetrieben,
der dann Umgebungsluft ansaugt, diese komprimiert und in zuvor beschriebener
Weise den Pufferspeichern 17, 18 und 19 zuführt. Sind
die Pufferspeicher 17, 18 und 19 gefüllt, so
kann der Druckluftkompressor wieder abgeschaltet werden, indem die
zweite Ventileinheit WV2 wieder in ihre Sperrstellung schaltet.
Dadurch wird die Zufuhr an Kältemittel
zum Fluidmotor unterbrochen und dieser wird gestoppt. Dadurch wird
auch der Druckluftkompressor außer
Betrieb genommen.
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Der
Fluidmotor 26 wird also über das ohnehin für den Kältekreislauf
benötigte
Kältemittel
angetrieben und treibt seinerseits den Druckluftkompressor 16 an,
der also nicht mehr über
externe, insbesondere elektrische Antriebe, beispielsweise elektrische
Antriebe angetrieben werden muss. Durch Umspülen des Druckluftkompressors 16 mit
vorzugsweise flüssigem
Kältemittel
kann zusätzlich
ein Kühleffekt
erzielt werden, so dass der Druckluftkompressor 16 vor Überhitzung
geschützt
wird. Dadurch können längere Einschaltzeiten
des Druckluftkompressors 16 erreicht werden, die ausreichen,
um die Puf ferspeicher 17, 18 und 19 mit
Volllast innerhalb kurzer Zeit zu befüllen, so dass von Sicherheitsapplikationen
benötigter
Druck praktisch umgehend zur Verfügung steht.