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Die Erfindung betrifft einen Adsoptionsspeicher zum Kühlen einer Fahrgastzelle eines eine Klimaanlage mit einem Kältemittelkreislauf aufweisenden Fahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung eine Klimaanlage für ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Adsorptionsspeicher.
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Es ist bekannt, Adsorptionsspeicher auf der Basis von Wasser als Adsorptiv und Zeolith als Sorbtionsmaterial zum Kühlen und Heizen von Fahrgastzellen von Fahrzeugen einzusetzen. Hierzu wird zur Desorption eines solchen Adsorptionsspeichers die Abwärme des Motors verwendet und zum Kühlen die Verdampfungsenergie des Wassers genutzt.
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Die gattungsbildende
DE 10 2005 004 397 A1 beschreibt eine Klimaanlage für ein Fahrzeug mit einem Adsorptionsmittelbehälter, dessen Sorbtionsmaterial mittels des von einem Verbrennungsmotor geheizten Kühlwassers desorbiert wird. Der Adsorptionsspeicher ist mit einem einen Wasserspeicher aufweisenden Verdampfer- und Kondensationswärmetauscher verbunden, so dass das Adsorptiv, also der Wasserdampf aus dem Zeolith als Sorbtionsmaterial ausgetrieben wird und in dem Verdampfer- und Kondensationswärmetauscher kondensieren kann. Der Verdampfer- und Kondensationswärmetauscher ist mit einem Kältemittelkreislauf der Klimaanlage verbunden. Im Kühlbetrieb der Klimaanlage ist der Verdampfer- und Kondensationswärmetauscher mit dem Adsorptionsspeicher derart verbunden, dass das Wasser aus dessen Wasserspeicher durch die Aufnahme von Wärme aus dem Kältemittel verdampft und von dem Zeolith adsorbiert wird. Hierdurch wird das Kältemittel durch Verdampfungswärme gekühlt und einem Verdampfer der Klimaanlage geführt, an dem die der Fahrgastzelle zugeführte Luft konditioniert wird.
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Als Nachteil dieser Klimaanlage kann angesehen werden, dass der Adsorptionsmittelbehälter und der Verdampfer- und Kondensationswärmetauscher als separate Bauteile ausgebildet sind, so dass hierfür im Fahrzeug ein großer Bauraum erforderlich ist.
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Des Weiteren ist auch aus der
DE 102 33 762 A1 eine Klimaanlage für ein Fahrzeug mit einem Adsorptionsmittelbehälter bekannt, der in Strömungsverbindung mit einem durch Entzug von Verdampfungswärme gekühltem Wasservorrat eines Wärmetauschers steht und zur Desorption des als Sorbtionsmaterial verwendeten Zeoliths Abwärme des Antriebsmotors des Fahrzeugs unter Austreibung des aufgenommenen Wasserdampfers regenerierbar ist. Der ausgetretene Wasserdampf wird einem Kondensator zugeführt, wobei das Kondensat dem Wasservorrat des Wärmetauschers wieder zugeführt wird.
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Auch bei dieser bekannten Klimaanlage besteht der Nachteil, dass der Adsorptionsmittelbehälter und der Wärmetauscher als separate Bauteile ausgeführt sind und hierfür ebenso ein großer Bauraum in dem Fahrzeug zur Verfügung gestellt werden muss.
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Eine Adsorptionswärmepumpe mit Zeolith als Sorptionsmittel zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeugs ist aus der
DE 10 2004 053 436 A1 bekannt, bei welcher eine erste Adsorberkammer über ein erstes Ventil mit einem Kondensator und über ein zweites Ventil mit einem Verdampfer verbunden ist und eine zweite Adsorberkammer über ein drittes Ventil mit dem Kondensator und über ein viertes Ventil mit dem Verdampfer verbunden ist. Die beiden Adsorberkammern, der Kondensator und der Verdampfer sind von einer nicht freitragenden Vakuumhülle umgeben. Ferner enthalten die Adsorberkammern Adsorber, die ein mit einem Sorptionsmittel beschichtetes Trägermaterial aufweisen. Zur Desorption des Sorptionsmittels wird die Adsorptionswärmepumpe mit der von einem Antriebsmotor stammenden Abwärme erwärmt.
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Aus der
DE 103 03 292 A1 ist ein Sorptions-Kühlapparat zum Kühlen eines thermisch isolierten Kühl-Containers bekannt. Ein Sorber-Behälter dieses Sorptions-Kühlapparates enthält ein Sorptionsmittel, das während einer Sorptionsphase ein Arbeitsmittel sorbiert, welches in einem im Innenbereich des Kühl-Containers angeordneten Verdampfer verdampft. Ferner ist ein absperrbares Ventil zwischen dem Sorber-Behälter und dem Verdampfer zur Unterbindung einer Strömung des Arbeitsmitteldampfes vorgesehen. Dem Verdampfer ist ein Verdampfer-Lüfter zugeordnet, der eine Luftströmung über den Verdampfer lenkt. Dem Sorber-Behälter ist ein Sorber-Lüfter zugeordnet, der Luft über den Sorptionsmittel-Behälter führt. Der Sorber-Behälter als auch der Verdampfer bestehen aus plattenförmigen Wärmetauscheranordnungen, wobei die Platten des Sorber-Wärmetauschers Zeolith als Sorptionsmittel enthalten.
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Die
DE 10 2007 056 473 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeugs, die ein ein Adsorptionsmittel enthaltendes Adsorberglied, welches zum Austausch von Wärme von einem Fluid beströmbar ist, und einen zur Verdampfung als auch zur Kondensation eines Arbeitsmittels vorgesehenen Verdampfer, welcher zum Austausch des Arbeitsmittels mit dem Adsorberglied verbunden ist, umfasst. Der Verdampfer ist unmittelbar von einem Luftstrom zur Luftkonditionierung des Kraftfahrzeugs umström bar.
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Ein Adsorptionsmodul gemäß der
DE 10 2014 110 509 A1 besteht aus mindestens einer Sorptionseinheit und mindestens einer Verdampfer-/Kondensatoreinheit mit jeweiligen Anschlüssen zur Zu- und Abführung eines fluiden Wärmeträgermediums, wobei die genannten Einheiten in getrennten oder in einem gemeinsamen, vakuumdichten Gehäuse angeordnet sind. Dieses Gehäuse ist plattenförmig ausgebildet, wobei eine Vielzahl von plattenförmigen Gehäusen zu einer Stapelanordnung fügbar ist, welche einen gemeinsamen Dampfkanal aufweisen.
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Eine Sorptionskälteeinrichtung gemäß der
DE 10 2007 012 113 A1 umfasst mindestens eine Adsorber-Desorber-Einheit mit Wärmetauscher und Sorptionsmaterial, mindestens einen Kondensator-Wärmetauscher und mindestens einen Verdampfer-Wärmetauscher, wobei diese Baueinheiten in einem gemeinsamen, vakuumdichten metallischen Außengehäuse angeordnet sind. Ferner ist eine Sandwichstruktur vorgesehen, wobei die mindestens eine Adsorber-Desorber-Einheit sich in einem Innen- oder Teilinnengehäuse befindet. Der Kondensator-Wärmetauscher und der Verdampfer-Wärmetauscher sind beabstandet voneinander angeordnet und es ist in ihrem Zwischenraum das Innengehäuse mit der Adsorber-Desorber-Einheit vorgesehen. Die zum Kondensator-Wärmetauscher und zum Verdampfer-Wärmetauscher gerichteten Trennflächen des Innengehäuses nehmen Dampfventile auf. Im Bereich zwischen dem Innengehäuse und dem Verdampfer-Wärmetauscher ist darüber hinaus eine Wärmedämmschicht oder Wärmedämmplatte angeordnet.
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Die
US 2004/0 200 603 A1 beschreibt eine Klimaanlage vom Adsorber-Typ. Diese Klimaanlage umfasst einen ersten Adsorber mit einem ersten und einem ein Sorptionsmaterial enthaltenden zweiten Wärmetauscher sowie einen zweiten Adsorber mit einem ersten und einem ein Sorptionsmaterial enthaltenden zweiten Wärmetauscher, wobei mittels Ventilen der erste Adsorber und der zweite Adsorber wechselseitig über einen Kühlmittelkreislauf mit einem internen Wärmetauscher verbunden werden können. Die beiden Adsorber arbeiten wechselseitig in einer Adsorptionsphase und einer Desorptionsphase.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Adsorptionsspeicher für eine Klimaanlage eines Fahrzeugs bereitzustellen, welcher nur einen geringen Bauraum erfordert.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Adsorptionsspeicher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Eine solcher Adsorptionsspeicher zum Kühlen einer Fahrgastzelle eines eine Klimaanlage mit einem Kältemittelkreislauf aufweisenden Fahrzeugs umfasst
- -eine erste Baugruppe mit einer ein Sorptionsmaterial aufweisenden Adsorber- und Desorbereinheit und einer einen Wasservorrat aufweisenden Verdampfer-Wärmetauschereinheit mit Anschlüssen zum Anschluss an den Kältemittelkreislauf der Klimaanlage, wobei die Absorber- und Desorbereinheit mit der Verdampfer-Wärmetauschereinheit über ein entsperrbares Rückschlagventil strömungsverbindbar ist,
- - eine zweite Baugruppe mit einer ein Sorptionsmaterial aufweisenden Absorber- und Desorbereinheit und einer einen Wasservorrat aufweisenden Verdampfer-Wärmetauschereinheit wobei die Absorber- und Desorbereinheit mit der Verdampfer-Wärmetauschereinheit über ein weiteres entsperrbares Rückschlagventil strömungsverbindbar ist, und
- - ein vakuumdichtes Gehäuse zur Aufnahme der ersten Baugruppe mit der Adsorber- und Desorbereinheit sowie der Verdampfer-Wärmetauschereinheit und der zweiten Baugruppe mit der Absorber- und Desorbereinheit sowie der Verdampfer-Wärmetauschereinheit.
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Durch die Zusammenfassung der Adsorber- und Desorbereinheit sowie die Verdampfer-Wärmetauschereinheit in einem Gehäuse reduziert sich der für den Adsorptionsspeicher erforderliche Bauraum in dem Fahrzeug erheblich.
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Das Rückschlagventil kann in der gesperrten Richtung aktiv geöffnet werden, so dass Wasserdampf aus dem Verdampfer entgegen der Durchlassrichtung zum Sorbtionsmaterial zu dessen Adsorption strömen kann.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Adsorber- und die Desorbereinheit plattenförmig ausgebildet und in einer Sandwichstruktur angeordnet. Mit dieser Ausgestaltung ergibt sich eine besonders bauraumsparende quaderförmige Gestalt des erfindungsgemäßen Adsorptionsspeichers.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn weiterbildungsgemäß das Sorbtionsmaterial der Adsorber- und Desorbereinheit mittels der Abwärme der Antriebseinheit des Fahrzeugs desorbierbar is.
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Weiterhin weist nach einer Ausgestaltung der Erfindung die Adsorber- und Desorbereinheit zur Desorption des Sorbtionsmaterials einen Wärmetauscher auf. Somit kann zur Desorption des Sorbtionsmaterials der Wärmetauscher mit der Antriebseinheit des Fahrzeugs wärmegekoppelt werden oder während der Adsorption des Sorbtionsmaterials der Wärmetauscher mit einem Heizregister der Klimaanlage zum Heizen der der Fahrgastzelle zugeführten Luft verbunden werden.
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Als Sorbtionsmaterial für den erfindungsgemäßen Adsorptionsspeicher kann bspw. Zeolith verwendet werden; als Adsorptiv wird Wasser eingesetzt.
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Der erfindungsgemäße Adsorptionsspeicher ist geeignet zum Einsatz in Fahrzeugklimaanlagen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles eines Adsorptionsspeichers gemäß der Erfindung, und
- 2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles eines Adsorptionsspeichers gemäß der Erfindung.
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Der Adsorptionsspeicher 1 gemäß 1 für eine Fahrzeugklimaanlage eines Fahrzeugs besteht aus einem vakuumdichten Gehäuse 1, welches eine erste Baugruppe, bestehend aus einer Adsorber- und Desorbereinheit 3 und einer Verdampfer-Wärmetauschereinheit 4, und eine zweite Baugruppe, bestehend aus einer Adsorber- und Desorbereinheit 3.1 und einer Verdampfer-Wärmetauschereinheit 4.1, aufnimmt.
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Die Adsorber- und Desorbereinheit 3 und die Verdampfer-Wärmetauschereinheit 4 bzw. die Adsorber- und Desorbereinheit 3.1 und die Verdampfer-Wärmetauschereinheit 4.1 sind plattenartig ausgeführt und jeweils sandwichartig und thermisch voneinander isoliert verbunden, so dass sie stapelartig aufeinanderliegen, ohne dass ein thermischer Austausch ermöglicht wird.
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Die beiden Adsorber- und Desorbereinheiten 3 und 3.1 sind als Adsorptionsmittelbehälter zur Aufnahme von Zeolith 3.0 als Sorbtionsmaterial ausgeführt, wobei der Adsorptionsmittelbehälter evakuiert ist.
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Als Wärmetauscher ist die Verdampfer-Wärmetauschereinheit 4 bzw. 4.1 mit Innenrohren 4.0 ausgebildet, die mäanderförmig durch die Verdampfer-Wärmetauschereinheit 4 bzw. 4.1 geführt sind. Diese Innenrohre 4.0 werden mit einem Kältemittelkreislauf 2 einer Fahrzeugklimaanlage über Anschlüsse 5 und 5.0 verbunden. Die Anschlüsse 5 stellen einen Zulauf und die Anschlüsse 5 einen Rücklauf für das in dem Kältemittelkreislauf 2 geführte Kältemittel dar.
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Ferner sind die beiden Verdampfer-Wärmetauschereinheiten 4 und 4.1 mit einer wassergetränkten Gewebeschicht ausgefüllt, so dass hierdurch ein Wasservorrat zur Adsorption des Zeoliths 3.0 zur Verfügung steht. Die Verdampfer-Wärmetauschereinheiten 4 und 4.1 sind ebenso wie die Adsorber- und Desorbereinheiten 3 und 3.1 evakuiert, weisen jedoch mindestens noch einen Druck auf, der ungefähr dem Dampfdruck des Wassers entspricht.
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Die Adsorber- und Desorbereinheit 3 bzw. 3.1 ist mit der Verdampfer-Wärmetauschereinheit 4 bzw. 4.1 über ein als entsperrbares Rückschlagventil 6 ausgebildetes Ventil strömungsverbunden. Dieses Rückschlagventil 6 ist derart angeordnet, dass ein Durchfluss eines Fluids aus der Adsorber- und Desorbereinheit 3 bzw. 3.1 in die Verdampfer-Wärmetauschereinheit 4 bzw. 4.1 möglich ist. Dieses Rückschlagventil 6 kann über einen Steueranschluss 6.0 in Sperrrichtung geöffnet werden, so dass auch ein Durchfluss eines Fluids entgegen der Durchlassrichtung möglich ist.
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Zur Adsorption des Zeoliths 3.0 der beiden Adsorber- und Desorbereinheiten 3 und 3.0 werden die Rückschlagventile 6 über deren Steueranschluss 6.0 geöffnet, wodurch aufgrund des evakuierten Innenraums der Adsorber- und Desorbereinheiten 3 bzw. 3.1 Wasserdampf aus der Verdampfer-Wärmetauschereinheit 4 bzw. 4.1 abgesaugt wird und sich aufgrund der Verdampfungswärme und der Wärme aus dem Kältemittel der Rest des Wassers in der Verdampfer-Wärmetauschereinheit 4 bzw. 4.1 sowie das über den Anschluss 5 in die Verdampfer-Wärmetauschereinheit 4 bzw. 4.1 geleitete Kältemittel stark abgekühlt. Wenn das Zeolith 3.0 mit Wasser gesättigt ist, werden die beiden Rückschlagventile 6 über den Steueranschluss 6.0 wieder geschlossen.
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Das derart abgekühlte Kältemittel wird über den Rücklauf 5 wieder dem Kältemittelkreislauf 2 zugeführt, so dass mittels eines Verdampfers eine Kühlung der der Fahrgastzelle des Fahrzeugs zugeführter Luft ermöglicht wird.
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Während der Adsorption erwärmt sich das Zeolith 3.0. Nach einer Abkühlung des Zeoliths 3.0 auf Umgebungstemperatur kann die Desorption , durchgeführt werden, indem mit der Abwärme W eines Fahrzeugantriebs 7, bspw. einer Brennkraftmaschine oder eines Elektromotors das Zeolith 3.0 erhitzt wird. Durch die Erhitzung des Zeoliths 3.0 wird der zuvor absorbierte Wasserdampf dampfförmig ausgetrieben und strömt über das Absperrventil 6 zurück in die Verdampfer-Wärmetauschereinheit 4 bzw. 4.1, wo es kondensiert. Wird die Wärmezufuhr zum Zeolith 3.0 beendet, endet auch die Desorption von weiterem Wasserdampf, infolgedessen das Rückschlagventil 6 selbsttätig die Durchlassrichtung sperrt. So kann nach einer beliebig langen Zeitdauer durch Öffnen des Rückschlagventils 6 die Adsorption als Prozess der Kälteerzeugung wieder in Gang gesetzt werden.
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Der Adsorptionsspeicher 1 gemäß 2 unterscheidet sich von demjenigen nach 1 nur dadurch, dass die Adsorber- und Desorbereinheiten 3 und 3.1 jeweils mit einem Wärmetauscher 8 ausgeführt sind. Ansonsten ist die Struktur des Adsorptionsspeichers 1 identisch mit derjenigen des Adsorptionsspeichers 1 nach 1.
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Zur Desorption des Zeoliths 3.0 der beiden Adsorber- und Desorbereinheiten 3 kann der Wärmetauscher 8 entweder mit einem Kühlmittelkreislauf der Antriebseinheit 7 des Fahrzeugs oder mit einer Abgasanlage der Antriebseinheit 7 verbunden werden. So wird die Abwärme der Antriebseinheit 7 mittels des Wärmetauschers 8 der Adsorber- und Desorbereinheit 3 bzw. 3.1 zugeführt und dadurch das Zeolith 3.0 erwärmt dadurch der Wasserdampf ausgetrieben und zur Kondensation über das Rückschlagventil 6 der Verdampfer-Wärmetauschereinheit 4 bzw. 4.1 zugeführt.
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Für den Kühlbetrieb der Fahrzeugklimaanlage werden wie oben im Zusammenhang der Beschreibung von 1 beschrieben, die Rückschlagventile 6 über deren Steueranschluss 6.0 in Sperrrichtung geöffnet, so dass der Wasserdampf an dem Zeolith 3.0 adsorbieren kann. Die dabei von dem Zeolith 3.0 erzeugte Wärme kann über den Wärmetauscher 8 über einen externen Kondensator abgeführt werden oder bei einer Brennkraftmaschine zum Aufheizen von deren Kühlwasser benutzt werden.
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Mit diesem Adsorptionsspeicher 1 gemäß 2 ist auch ein Heizbetrieb der Fahrzeugklimaanlage möglich. Hierzu wird ebenso das Zeolith 3.0 mit Wasserdampf aus der Verdampfer-Wärmetauschereinheit 4 bzw. 4.1 desorbiert, wobei der Kältemittelkreislauf 2 nicht mit den Verdampfer-Wärmetauschereinheiten 4 und 4.1 strömungsverbunden sind, sondern mit den beiden Wärmetauschern 8. Dabei nimmt das Kältemittel des Kältemittelkreislaufes 2 die während der Desorption des Zeoliths 3.0 erzeugte Wärme auf und kann zum Heizen der der Fahrgastzelle zugeführte Luft verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Adsoptionsspeicher
- 2
- Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage
- 3
- Adsorber- und Desorbereinheit
- 3.0
- Sorbtionsmaterial, Zeolith
- 3.1
- Adsorber- und Desorbereinheit
- 4
- Verdampfer-Wärmetauschereinheit
- 4.0
- Innenrohre der Verdampfer-Wärmetauschereinheit 4, 4.1
- 4.1
- Verdampfer-Wärmetauschereinheit
- 5
- Anschluss der Verdampfer-Wärmetauschereinheit 4, 4.1
- 6
- Ventil, entsperrbares Rückschlagventil
- 6.0
- Steueranschluss des Ventils 6
- 7
- Antriebseinheit eines Fahrzeugs
- 8
- Wärmetauscher der Adsorber- und Desorbereinheit
