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Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug, die zwei mit einem Sorptionsmittel gefüllte Reaktoren umfasst, die mit einem Speicher für Wasser verbunden sind, wobei ein Reaktor so ausgebildet ist, dass er entweder in einem Adsorptionsbetrieb betreibbar ist, in dem Wasser verdampft und von dem Sorptionsmittel unter Erwärmung aufgenommen wird oder in einem Desorptionsbetrieb, in dem das Wasser durch Wärmezufuhr aus dem Sorptionsmittel ausgeheizt wird und in dem Speicher kondensiert, wobei die Klimaanlage einen Luftführungskanal aufweist, über den Zuluft zuführbar ist und der mehrere Teilluftkanäle aufweist, die mit den beiden Reaktoren und dem Speicher verbunden sind.
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Klimaanlagen, die derzeit in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, umfassen zumeist eine Kompressionskältemaschine, die einen Kompressor aufweist, der eine beträchtliche mechanische Leistung erfordert. Bei Fahrzeugen mit einem elektrischen Antriebsmotor oder einem elektrischen Hilfsantrieb kann sich daher aufgrund des Stromverbrauchs des Kompressors die Reichweite beträchtlich reduzieren. Bei Fahrzeugen mit einem Verbrennungsmotor wird durch Zuschalten der Klimaanlage der Kraftstoffverbrauch erhöht. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, dass herkömmliche Kompressionskältemaschinen aus einer Vielzahl von Komponenten bestehen, wodurch sich die Masse des Kraftfahrzeugs erhöht. Die Vielzahl der Komponenten erhöht auch die Fehleranfälligkeit.
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Üblicherweise erfolgt das Entfeuchten von Luft in einer herkömmlichen Klimaanlage so, dass die Luft in einem Verdampfer abgekühlt wird, so dass Feuchtigkeit kondensiert. Unter Umständen ist nachfolgend wieder eine Temperierung erforderlich, so dass eine beträchtliche Energiemenge eingesetzt werden muss.
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Eine Fahrzeug-Klimaanlage nach dem Sorptionsprinzip ist aus der Druckschrift
DE 41 17 337 A1 bekannt. Hierbei sind zwei Sorptionsbehälter sowie ein Verdampfer für ein Arbeitsmittel vorgesehen. Die Sorptionsbehälter sowie der Verdampfer werden von Luft durchströmt, die zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums verwendet werden kann. Stromabwärts des Verdampfers sowie der in separaten Luftkanälen angeordneten Sorptionsbehälter sind Klappen vorgesehen, durch die Abluftöffnungen der Sorptionsbehälter sowie des Verdampfers geschlossen werden können.
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Das Dokument
DE 195 39 095 A1 offenbart eine Sorptionsklimaanlage mit zwei wechselweise in einer Adsorptionsphase und Desorptionsphase betreibbaren Sorptionswärmeübertrageranordnungen. Beide Sorptionswärmeübertrageranordnungen sind in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, an dem mittels Klappen eine wechselweise Durchströmung jeweils einer der Sorptionswärmeübertrageranordnungen mit Frischluft und der jeweils anderen Sorptionswärmeübertragereinrichtung mit Heizgas einstellbar ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug anzugeben, deren Energiebedarf verringert ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine Klimaanlage der eingangs genannten Art vorgesehen, wobei der Luftführungskanal über schaltbare Ventile entweder mit einem der beiden Reaktoren oder mit dem Speicher verbindbar ist.
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Die Erfindung beruht auf der Idee, eine herkömmliche Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug, die eine Kompressionskältemaschine aufweist, durch ein Reaktionssystem zu ersetzen, das über Abwärme des Kraftfahrzeugs oder elektrisch erzeugte Wärme beladen oder aufgeladen werden kann, wodurch Wärme gespeichert oder Kälte erzeugt werden kann. Eine derartige Klimaanlage kann sowohl als Ersatz als auch ergänzend zu einer herkömmlichen Kompressionskältemaschine eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden. Bei der vom Kraftfahrzeug erzeugten Abwärme kann es sich sowohl um Wärme eines Kühlkreislaufs einer Brennkraftmaschine als auch z. B. um Abgasabwärme oder Abwärme elektrischer Komponenten handeln.
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Bei der erfindungsgemäßen Klimaanlage wird es besonders bevorzugt, dass der erste und der zweite Reaktor jeweils in einem Luftführungskanal aufgenommen und von Zuluft durchströmbar ist. Vorzugsweise ist jedem Luftführungskanal ein Ventil zugeordnet, so dass einem Reaktor entweder Zuluft über den Luftführungskanal zugeführt wird oder dass der Luftführungskanal alternativ geschlossen ist. Die erfindungsgemäße Klimaanlage umfasst eine entsprechende Steuerungseinrichtung, die die Ventile bedarfsweise schaltet.
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Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Klimaanlage so ausgebildet, dass mit einem im Adsorptionsbetrieb betriebenen Reaktor durch den Luftführungskanal zugeführte Zuluft erwärmbar und entfeuchtbar ist. Diese Betriebsart wird als Winterbetrieb bezeichnet. Auf diese Weise kann kalte und feuchte Zuluft mittels der Klimaanlage erwärmt und getrocknet werden. Diese erwärmte und getrocknete Luft kann dann über ein Gebläse dem Innenraum des Kraftfahrzeugs zugeführt werden.
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In diesem Zusammenhang kann es bei der erfindungsgemäßen Klimaanlage auch vorgesehen sein, dass bei einem im Desorptionsbetrieb betriebenen Reaktor in dem Sorptionsmittel aufgenommenes Wasser durch Abwärme des Kraftfahrzeugs ausheizbar ist. Auf diese Weise kann das Sorptionsmittel wieder regeneriert werden, so dass anschließend wieder ein Adsorptionsvorgang betrieben werden kann. Dementsprechend kann die erfindungsgemäße Klimaanlage kontinuierlich betrieben werden, wobei zwischen einem Adsorptionsbetrieb und einem Desorptionsbetrieb gewechselt wird.
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Bei der erfindungsgemäßen Klimaanlage wird es besonders bevorzugt, dass das aus dem Sorptionsmittel ausgeheizte Wasser in dem Speicher aufnehmbar ist. Wesentlich ist dabei, dass der Speicher mit beiden Reaktoren über jeweils eine Leitung verbunden ist, so dass beide Reaktoren im Desorptionsbetrieb betrieben werden können, um Wasser aus dem Sorptionsmittel auszuheizen und zu speichern.
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Mit besonderem Vorteil kann es bei der erfindungsgemäßen Klimaanlage vorgesehen sein, dass der Luftführungskanal mit dem Speicher verbindbar ist, um Zuluft mittels eines Wärmeübertragers abzukühlen und zu entfeuchten. Diese Betriebsart wird auch als Sommerbetrieb bezeichnet. Dadurch wird warme und feuchte Zuluft über einen dem Speicher zugeordneten Wärmeübertrager abgekühlt und entfeuchtet, so dass sie als Kabinenluft dem Inneren des Kraftfahrzeugs zugeführt werden kann.
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Die erfindungsgemäße Klimaanlage kann ganz besonders effizient eingesetzt werden, indem die beiden Reaktoren im Gegentakt betrieben werden, wobei ein Reaktor im Adsorptionsbetrieb und der andere Reaktor im Desorptionsbetrieb betreibbar ist. Durch diese entgegengesetzte Taktung können permanent die benötigten Funktionen, nämlich entweder Heizen und Entfeuchten oder Kühlen und Entfeuchten, durchgeführt werden. Wenn das Sorptionsmittel des im Adsorptionsbetrieb betriebenen Reaktors gesättigt ist, erfolgt ein Umschalten der Betriebsarten der beiden Reaktoren, so dass derjenige Reaktor, der im Adsorptionsbetrieb betrieben wurde, anschließend im Desorptionsbetrieb betrieben wird und umgekehrt.
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Der Luftführungskanal der erfindungsgemäßen Klimaanlage weist mehrere Teilluftkanäle auf, die mit den beiden Reaktoren und dem Speicher verbunden sind, wobei der Luftführungskanal über schaltbare Ventile entweder mit einem der beiden Reaktoren oder mit dem Speicher verbindbar ist. Durch Umschalten der Ventile können unterschiedliche Kanäle für die Zuluft geschaltet werden, die dann in der gewünschten Weise behandelt wird. Wenn die Ventile so geschaltet sind, dass ein Luftführungskanal mit einem Reaktor verbunden ist, kann die kalte und feuchte Luft entfeuchtet und erwärmt werden. Wenn die Ventile so geschaltet sind, dass ein Luftführungskanal mit dem Speicher verbunden ist, kann warme und feuchte Luft entfeuchtet und gekühlt werden.
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In der erfindungsgemäßen Klimaanlage kann als Sorptionsmittel beispielsweise Zeolith, Aktivkohle oder ein Reaktionsmedium eingesetzt werden.
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Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, das eine Klimaanlage der beschriebenen Art aufweist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Klimaanlage, die im Winterbetrieb eingesetzt wird, während eines ersten Takts;
- 2 die in 1 gezeigte Klimaanlage während des zweiten Takts;
- 3 die in 1 gezeigte Klimaanlage, die im Sommerbetrieb eingesetzt wird, während des ersten Takts; und
- 4 die in 3 gezeigte Klimaanlage während des zweiten Takts.
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Die in 1 gezeigte Klimaanlage 1 umfasst einen ersten Reaktor 2 und einen zweiten Reaktor 3. Beide Reaktoren sind identisch aufgebaut und mit einem Sorptionsmittel gefüllt, in diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um Zeolith. In 1 erkennt man, dass die Klimaanlage 1 einen Luftführungskanal 4 aufweist, über den Zuluft zuführbar ist. Die Zuluft kann entweder von außerhalb des Kraftfahrzeugs zugeführte Luft oder Luft aus dem Innenraum des Kraftfahrzeugs oder eine Mischung davon sein. Der Luftführungskanal 4 teilt sich in drei Teilluftkanäle 5, 6, 7. Der Teilluftkanal 5 führt zum Reaktor 2, der Teilluftkanal 6 führt zu einem Speicher 8 für Wasser und der Teilluftkanal 7 führt zu dem Reaktor 3. Jedem Teilluftkanal 5, 6, 7 ist ein Ventil 9, 10, 11 zugeordnet, so dass ein Teilluftkanal 5, 6, 7 entweder geöffnet oder geschlossen werden kann. In 1 sind die Ventile 10, 11 geschlossen, das Ventil 9 ist geöffnet.
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Stromabwärts der Reaktoren 2, 3 und des Speichers 8 sind Teilluftkanäle 12, 13, 14 vorhanden, die sich zu einem Luftführungskanal 15 vereinigen. Analog zu den Teilluftkanälen 5, 6, 7 weisen auch die Teilluftkanäle 12, 13, 14 jeweils ein Ventil 16, 17, 18 auf.
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Der zwischen den beiden Reaktoren 2, 3 angeordnete Speicher 8 ist über Leitungen 19, 20 mit den Reaktoren 2, 3 verbindbar, wobei jeder Leitung 19, 20 ein Ventil 21, 22 zugeordnet ist.
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Nachfolgend wird anhand von 1 der sogenannte Winterbetrieb der Klimaanlage 1 erläutert. Dabei wird kalte, feuchte Zuluft erwärmt und entfeuchtet, so dass die behandelte Luft anschließend als Kabinenluft in den Innenraum des Kraftfahrzeugs geleitet werden kann. In den 1 bis 4 wird eine kalte Temperatur durch eine Schraffur nach rechts und eine warme Temperatur durch eine Schraffur nach links dargestellt.
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1 zeigt den ersten von zwei Takten des Winterbetriebs der Klimaanlage 1. Kalte und feuchte Zuluft gelangt über den Luftführungskanal 4 in die Klimaanlage 1. Die Ventile 10, 11 der Teilluftkanäle 6, 7 sind geschlossen, das Ventil 9 des Teilluftkanals 5 ist geöffnet. Somit gelangt die kalte und feuchte Zuluft über den Teilluftkanal 5 in den Reaktor 2. Der Reaktor 2 ist mit Zeolith als Sorptionsmittel gefüllt. Die in der Zuluft enthaltene Feuchtigkeit reagiert mit dem Sorptionsmittel und lagert sich daran an. Bei dieser Reaktion wird Wärme frei, so dass die entfeuchtete Zuluft erwärmt wird. Die warme, trockene Luft verlässt den Reaktor 2 über den Teilluftkanal 12, dessen Ventil 16 geöffnet ist. Schließlich gelangt die erwärmte, trockene Luft über den Luftführungskanal 15 in das Innere des Kraftfahrzeugs.
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In 1 erkennt man, dass der auf der rechten Seite dargestellte Reaktor 3 an einen Motorkühlkreis 23 einer Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs angeschlossen ist. Dadurch wird das in dem Reaktor 3 enthaltene Sorptionsmittel erwärmt, so dass eine Desorption stattfindet, wobei in dem Sorptionsmittel enthaltenes Wasser ausgeheizt wird. Das dabei freiwerdende Wasser gelangt über die Leitung 20 durch das geöffnete Ventil 22 in den Speicher 8. Der Speicher 8 ist somit zur Aufnahme von Wasser als Kältemittel ausgebildet. In diesem ersten Takt des Winterbetriebs ist die Leitung 19 zwischen dem Speicher 8 und dem Reaktor 2 durch das Ventil 21 geschlossen. Analog zu dem Reaktor 3 ist auch der Reaktor 2 an einen Motorkühlkreis 24 der Brennkraftmaschine angeschlossen.
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2 zeigt die Klimaanlage 1 während des zweiten Takts des Winterbetriebs. Die einzelnen Komponenten der Klimaanlage 1 entsprechen denjenigen, die in 1 gezeigt sind. Während des zweiten Takts ist lediglich die Funktion der beiden Reaktoren 2, 3 vertauscht. Das bedeutet, dass der Reaktor 3 jetzt in einem Adsorptionsbetrieb und der Reaktor 2 in einem Desorptionsbetrieb betrieben wird. Somit ist die Funktion der beiden Reaktoren 2, 3 vertauscht im Vergleich zu dem in 1 gezeigten ersten Takt des Winterbetriebs. Während des Winterbetriebs wird somit zwischen dem in 1 gezeigten ersten Takt und dem in 2 gezeigten zweiten Takt hin und her geschaltet. Das Umschalten erfolgt, wenn der im Adsorptionsbetrieb betriebene Reaktor mit Wasser gesättigt ist, so dass er keine weitere aus der feuchten Zuluft stammende Feuchtigkeit aufnehmen kann. In diesem Zustand erfolgt ein Umschaltvorgang, so dass der Reaktor im Desorptionsbetrieb wieder regeneriert werden kann. Während des ersten und des zweiten Takts wird somit permanent ein Reaktor im Adsorptionsbetrieb und der andere Reaktor im Desorptionsbetrieb betrieben. Während des Desorptionsbetriebs wird der jeweilige Reaktor durch Wärme, die über den jeweiligen Motorkühlkreis 23, 24 bereitgestellt wird, erwärmt, wodurch Wasser aus dem Sorptionsmittel (Zeolith) desorbiert wird. Das freigesetzte Wasser wird in dem Speicher 8 gelagert. Zwischen dem ersten Takt und dem zweiten Takt wird permanent gewechselt und die beiden Reaktoren 2, 3 sind gegenläufig getaktet.
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Die 3 und 4 zeigen die Klimaanlage 1 während des Sommerbetriebs. Während des Sommerbetriebs wird warme und feuchte Zuluft, die dem Kraftfahrzeug von außen zugeführt wird, abgekühlt und getrocknet (entfeuchtet).
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3 zeigt den ersten Takt des Sommerbetriebs, 4 zeigt den zweiten Takt des Sommerbetriebs. In dem in 3 gezeigten Betriebszustand sind die Ventile 9, 11 geschlossen, während das Ventil 10 geöffnet ist. Das Ventil 21 in der Leitung 19 ist geöffnet, so dass der Speicher 8 mit dem Reaktor 2 verbunden ist. Dadurch gelangt Wasser aus dem Speicher 8 in den Reaktor 2 und reagiert dort mit dem Sorptionsmittel. Der Wasserdampfpartialdruck in dem Speicher 8 nimmt ab, wodurch dessen Temperatur sinkt. Der Speicher 8 dient als Wärmeübertrager, der von der warmen und feuchten Zuluft umströmt wird. Die Zuluft wird dabei abgekühlt, kondensierte Feuchtigkeit wird im Speicher 8 gesammelt. Die den Speicher 8 durchströmende Luft verlässt diesen über den Teilluftkanal 13 in einem gekühlten und entfeuchteten Zustand. In 3 erkennt man, dass die Ventile 16, 18 geschlossen sind, während das Ventil 17 geöffnet ist.
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Der Reaktor 2 befindet sich im Adsorptionsbetrieb, während der andere Reaktor 3 gleichzeitig im Desorptionsbetrieb betrieben wird. Dazu ist er mit dem Motorkühlkreis 23 verbunden, durch die zugeführte Wärme wird in dem Sorptionsmittel enthaltenes Wasser ausgetrieben und in einem Wasserbehälter 25 gesammelt. Der Wasserbehälter 25 ist über eine schematisch dargestellte Leitung 26 mit dem Speicher 8 verbunden, so dass bei Bedarf in dem Wasserbehälter 25 gesammeltes Wasser dem Speicher 8 zugeführt werden kann.
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4 zeigt die Klimaanlage 1 während des Sommerbetriebs im zweiten Takt. In dem zweiten Takt wird der Reaktor 2 im Desorptionsbetrieb betrieben, der Reaktor 3 im Adsorptionsbetrieb. Dementsprechend ist die Funktion der beiden Reaktoren 2, 3 vertauscht im Vergleich zu dem in 3 gezeigten ersten Takt. Auch während des zweiten Taktes strömt warme und feuchte Zuluft über den Luftführungskanal 4 und den Teilluftkanal 6 in den Speicher 8, wird dort abgekühlt und entfeuchtet und gelangt als kalte und trockene Kabinenluft über den Teilluftkanal 13 und den Luftführungskanal 15 in das Innere des Kraftfahrzeugs. Feuchtigkeit, die während der Abkühlung der warmen und feuchten Zuluft in dem Speicher 8 kondensiert, wird über die Leitung 20, deren Ventil 22 geöffnet ist, dem Reaktor 3 zugeführt und dort adsorbiert. Der Reaktor 2 wird währenddessen regeneriert, dazu ist er mit dem Motorkühlkreis 24 gekoppelt.
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Die Klimaanlage 1 weist den Vorteil auf, dass unmittelbar beim Start des Fahrzeugs Wärme abgegeben werden kann. Es handelt sich somit um einen schaltbaren Wärmespeicher. Sofern es sich bei dem Fahrzeug, das die Klimaanlage 1 aufweist, um ein Elektrofahrzeug handelt, kann der Wärmespeicher an die Netzspannung angeschlossen werden, um den Wärmespeicher aufzuladen. Dadurch kann die für die Heizung und Kühlung benötigte und vergleichsweise teuere Batteriekapazität verringert werden.
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Andererseits kann Kälte direkt aus Wärme über Druckvariationen des Reaktionspartners chemisch erzeugt werden. Der Reaktionspartner kann z. B. ein Wasser-Glykol-Gemisch sein. Auf diese Weise kann Kälte direkt aus Wärme chemisch erzeugt werden, ohne dass aufwändige, mechanische Komponenten wie bei einer Kompressionskältemaschine erforderlich sind. Dementsprechend kann in Zuluft enthaltene Feuchtigkeit direkt zur Wärmeerzeugung genutzt werden, ohne dass zuvor eine Kondensation erforderlich ist. Durch die beschriebene Taktung der beiden Reaktoren 2, 3 kann die Klimaanlage 1 zur kontinuierlichen Erzeugung von Wärme oder Kälte eingesetzt werden.
