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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Enteisen eines als Luft/Kältemittel- oder Luft/Kühlmittel-Wärmeübertrager ausgebildeten Wärmeübertragers einer Klimatisierungseinrichtung eines Kraftfahrzeugs, der
- – während eines Arbeitsintervalls, in dem er bei Arbeitstemperaturen unterhalb 0°C betrieben wird, von einem anschließend in eine Fahrgastzelle geleiteten Luftstrom durchströmt wird, wobei sich an seiner äußeren Oberfläche eine Vereisung bildet, und der
- – während eines nachfolgenden Enteisungsintervalls bei Arbeitstemperaturen oberhalb 0°C betrieben und von dem Luftstrom durchströmt wird, sodass die Vereisung wenigstens teilweise abtaut.
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Klimatisierungseinrichtungen für Kraftfahrzeuge, hier synonym auch als Klimaanlagen angesprochen umfassen typischerweise einen Kältemittelkreis, der in Strömungsrichtung hintereinander einen Kompressor, einen Kondensator/Gaskühler, ein Entspannungsorgan und einen Verdampfer aufweist. Während des Kühlbetriebs wird Kältemittel im Kompressor verdichtet, wobei es sich erhitzt. Im nachgeschalteten Kondensator/Gaskühler wird das Kältemittel gekühlt und verflüssigt, wobei dem Kältemittel Wärme entzogen wird, die meist über einen den Kondensator/Gaskühler sekundärseitig durchströmenden Abwärme-Luftstrom abgeführt wird. Im nachfolgenden Entspannungsorgan erfolgt eine Entspannung des gekühlten, flüssigen Kältemittels, welches dann im Verdampfer verdampft wird, wobei es Wärme aus der Umgebung aufnimmt. Hierzu wird der Verdampfer typischerweise sekundärseitig von einem Luftstrom durchströmt, der dadurch abgekühlt und als Kühlstrom in die Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs eingeleitet wird. Es sind auch Klimatisierungseinrichtungen bekannt, bei denen nicht ein als Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildeter Verdampfer, sondern ein sekundärer, als Luft/Kühlmittel-Wärmetauscher ausgebildeter Wärmetauscher von dem in die Fahrgastzelle einzuleitenden Luftstrom durchströmt wird. Beide Varianten können Gegenstand der vorliegenden Erfindung sein. Im Folgenden wird daher der Einfachheit halber nur von "dem Wärmeübertrager" gesprochen. Sollte im Einzelfall ein anderer Wärmeübertrager gemeint sein, ist dies im Kontext hinreichend kenntlich gemacht.
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Liegt die Oberflächentemperatur des luftdurchströmten Wärmeübertragers unterhalb der Taupunkttemperatur der Luft (abhängig von deren Temperatur und Feuchtegehalt), bildet sich dabei am Wärmeübertrager Kondensfeuchtigkeit. Dies hat zum einen den positiven Effekt einer Trocknung der im Anschluss in die Fahrgastzelle eingeleiteten Luft; andererseits resultiert hieraus auch eine unerwünschte Feuchtigkeitsansammlung an der äußeren Oberfläche des Wärmeübertragers.
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Aus der
US 2316/0074528 A1 ist es bekannt, die als Kondenswasser anfallende Kondensfeuchtigkeit über spezielle Kanäle abfließen zu lassen und diese Kanäle bei kalten Außentemperaturen zur Vermeidung des Einfrierens des Kondenswassers zu beheizen, um einer Verstopfung der Kanäle vorzubeugen.
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Im Fall, dass, wie bei der oben genannten, gattungsbildenden Druckschrift, der Wärmeübertrager bei Arbeitstemperaturen unter 0°C betrieben wird, gefriert das anfallende Kondenswasser unmittelbar an der Wärmeübertrageroberfläche. Hier ist es bekannt, die Klimaanlage abwechselnd in einem Arbeitsintervall, wie oben beschrieben, und einem nachfolgenden Enteisungsintervall zu betreiben, bei dem der Wärmeübertrager nach wie vor von dem sekundärseitigen (warmen) Luftstrom durchströmt wird, wobei er während des Enteisungsintervall jedoch nicht zur Kältemittelverdampfung eingesetzt wird. Der warme Luftstrom kann daher zur Enteisung und Trocknung der Wärmeübertrageroberfläche genutzt werden. Problematisch ist allerdings der damit verbundene Feuchtigkeitseintrag in die Fahrgastzelle.
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Aus der
DE 10 2009 028 522 A1 ist es bekannt, Kraftfahrzeuge mit Umluftklappen oder allgemeiner mit Luftstromprovenienz-Einstellmitteln zu versehen, mittels derer der in der Klimaanlage zu temperierende und im Anschluss in die Fahrgastzelle einzublasende Luftstrom entweder im Umluftbetrieb aus der Fahrgastzelle selbst oder im Frischluftbetrieb aus der Fahrzeugumgebung bezogen werden kann. Dies dient der Effizienzsteigerung der Klimaanlage, die im Umluftbetrieb statt einer Vollkonditionierung sehr warmer Außenluft nur bereits vorkonditionierte Luft aus der Fahrgastzelle nachkonditionieren muss. Allerdings ist es in der Regel erforderlich, mit gelegentlichen Lüftungsintervallen, in denen die Luftstromprovenienz-Einstellmittel im Frischluftbetrieb betrieben werden, einen wenigstens teilweisen Luftaustausch vorzunehmen, um einen zu starken Anstieg des Kohlendioxidgehaltes in der Fahrgastzellenluft zu vermeiden.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage zur Verfügung zu stellen, das bei Beibehaltung einer hohen Leistungseffizienz die Folgen des Feuchtigkeitseintrags in die Fahrgastzelle abmildert.
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass während des Enteisungsintervalls ein Luftstromprovenienz-Einstellorgan, in dessen Umluftstellung der Luftstrom überwiegend aus der Fahrgastzelle und in dessen Frischluftstellung der Luftstrom überwiegend aus der Fahrzeugumgebung bezogen wird, in der Frischluftstellung betrieben wird. Die Begriffe "Umluftstellung" und "Frischluftstellung" sowie die nachfolgend verwendeten Begriffe "Umluftbetrieb" und "Frischluftbetrieb" sind dabei weit zu verstehen und bezeichnen jeweils Stellung des Luftstromprovenienz-Einstellorgans bzw. des resultierenden Betriebs der Klimaanlage, bei der/dem überwiegend Umluft bzw. überwiegend Frischluft in die Fahrgastzelle eingetragen wird.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die grundlegende Idee der Erfindung ist es, die Enteisungsintervalle, die aufgrund der niedrigen Arbeitstemperaturen des Wärmeübertragers erforderlich sind und die Lüftungsintervalle, die zur Vermeidung eines zu starken Anstiegs des Kohlendioxidgehaltes in der Fahrgastzellenluft erforderlich sind, miteinander zu synchronisieren. Funktional haben Enteisungsintervalle und Lüftungsintervalle zunächst nichts miteinander zu tun. Insbesondere sind besagte Enteisungsintervalle ausschließlich bei Systemen mit Wärmeübertrager-Arbeitstemperaturen unter dem Gefrierpunkt erforderlich und von dem Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein von Luftstromprovenienz-Einstellmitteln völlig unabhängig. Dem gegenüber sind besagte Lüftungsintervalle ausschließlich bei Systemen mit Luftstromprovenienz-Einstellmitteln und deren oben erläuterter Nutzung zur Effizienzsteigerung einer Klimaanlage erforderlich und von der Arbeitstemperatur des Wärmeübertragers vollkommen unabhängig. Der Erfindung liegt somit die Erkenntnis zugrunde, dass ein und derselben Maßnahme, die in den genannten, unterschiedlichen Kontexten völlig unterschiedlichen Zwecken dient, zur Erzielung eines Synergieeffektes eine Doppelfunktion zugewiesen werden kann. Besagte Maßnahme besteht im Betrieb der Luftstromprovenienz-Einstellmittel in ihrer Frischluftstellung. Im Kontext eines Lüftungsintervalls dient sie dem Zweck des Luftaustauschs in der Fahrgastzelle zur Senkung des Kohlendioxidgehaltes. Im Kontext des Enteisungsintervalls dient sie der Nutzung eines warmen Frischluftstroms anstelle eines deutlich kühleren, vorkonditionierten Umluftstroms zum Abtauen des an der Oberfläche des Wärmeübertragers gebildeten Eises. Dies bedeutet, dass die Effizienzsteigerung der Klimaanlage durch die grundsätzlich bekannte Umschaltung zwischen Frischluftbetrieb und Umluftbetrieb der Luftstromprovenienz-Einstellmittel bestehen bleibt; zugleich bleibt die Vermeidung eines zu hohen Anstiegs des Kohlendioxidgehaltes bestehen; und schließlich bleibt die regelmäßige Enteisung des Wärmeübertragers bestehen. Als synergetisches Plus der Erfindung ergibt sich jedoch zusätzlich eine schnellere und effizientere Enteisung des Wärmeübertragers aufgrund der höheren Luftstromtemperatur, sodass die Enteisungsintervalle, die aufgrund der damit verbundenen, reduzierten Kühlwirkung in der Fahrgastzelle mit einer temporären Komforteinbuße verbunden sind, deutlich verkürzt werden können.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass während des Entfeuchtungsintervalls eine die Fahrgastzelle mit der Fahrzeugumgebung verbindende Entlüftungsklappe in Offenstellung betrieben wird. Derartige Entlüftungsklappen sind bei Kraftfahrzeugen bekannt und üblich. In ihrer passiven Version öffnen sie rein mechanisch bei Anstehen eines vorgegebenen Überdrucks in der Fahrgastzelle. Es sind jedoch auch aktive Varianten bekannt, die bspw. elektromechanisch ansteuerbar sind. Eine derartige Ansteuerung kann mit der Ansteuerung der Luftstromprovenienz-Einstellmittel derart gekoppelt sein, dass die Entlüftungsklappe im Umluftbetrieb geschlossen und im Frischluftbetrieb geöffnet ist, um den Aufbau eines komfortmindernden Überdrucks in der Fahrgastzelle zu vermeiden.
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Bezüglich des die kombinierten Enteisungs- und Lüftungsintervalle auslösenden Kriteriums stehen dem Fachmann mehrere Optionen zur Wahl. Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Umstellung von einem Arbeits- bzw. Umluftintervall zu dem anschließenden Enteisungs- bzw. Lüftungsintervall in Abhängigkeit von einem sensorisch erfassten Vereisungsgrad des Wärmeübertragers erfolgt. Diese Verfahrensvariante steht somit unter dem Primat der Kühlungsoptimierung. Die Notwendigkeit der Enteisung des Wärmeübertragers gibt hier den Takt für die Intervallumschaltung vor.
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Als sensorisch erfassbares Maß für die Vereisung des Wärmeübertragers kann bspw. ein gemessener Differenzdruck der Luft über dem Wärmeübertrager dienen.
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Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform ist hingegen vorgesehen, dass die Umstellung von einem Arbeits- bzw. Umluftintervall zu dem anschließenden Enteisungs- bzw. Lüftungsintervall in Abhängigkeit von einem sensorisch erfassten Kohlendioxidgehalt der Luft der Fahrgastzelle erfolgt. Diese Verfahrensvariante steht unter dem Primat der Atmosphärenoptimierung in der Fahrgastzelle. Hier gibt die Notwendigkeit der Fahrgastzellenlüftung den Takt für die Intervallumschaltung vor.
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Schließlich ist auch denkbar, dass eine Umstellung von einem Arbeitsintervall zu dem anschließenden Enteisungsintervall in Abhängigkeit vom Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne, d.h. gemäß einer reinen Zeitsteuerung, erfolgt. Diese Variante ist am einfachsten und kostengünstigsten zu realisieren.
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Selbstverständlich ist es möglich, die auf eine der vorgenannten Weisen bestimmten Zeitpunkte für die Intervallumschaltung bei Bedarf zu korrigieren. So kann insbesondere vorgesehen sein, dass ein nach vorgegebenen Kriterien vorgesehener Zeitpunkt für die Umschaltung von einem Arbeitsintervall zu dem anschließenden Enteisungsintervall in Abhängigkeit von einem Ergebnis einer unmittelbar vor dem vorgesehenen Zeitpunkt durchgeführten Luftqualitätsmessung der Luft der Fahrzeugumgebung korrigiert wird. Bei dieser Variante wird also zu dem Zeitpunkt, für den eine Umschaltung der Luftstromprovenienz-Einstellmittel vom Umluft- auf den Frischluft vorgesehen ist, geprüft, ob die Qualität der Außenluft hinreichend gut ist, um eine Spülung der Fahrgastzelle mit dieser Luft verantworten zu können. Insbesondere in Stausituationen oder bei Tunneldurchfahrten kann es sein, dass eine Spülung mit der Außenluft die Luft in der Fahrgastzelle verschlechtert, anstatt, wie eigentlich beabsichtigt, zu verbessern. Wird bei einer solchen Qualitätsprüfung festgestellt, dass die Außenluft vorgegebene Qualitätskriterien erfüllt, kann die Umschaltung auf den Frischluftbetrieb, d.h. auf Enteisung und Lüftung, wie geplant vollzogen werden. Anderenfalls kann der vorgesehene Zeitpunkt korrigiert, d.h. auf später verschoben werden.
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Ebenso ist denkbar, dass die Umschaltung auf den Frischluftbetrieb, d.h. auf Enteisung und Lüftung, vorgezogen wird, wenn bei noch unvollständiger Vereisung des Wärmeübertragers eine gute Außenluftqualität detektiert wird, für die nähere Zukunft, wenn die vollständige Vereisung zu erwarten ist, aber z.B. auf Basis von Verkehrssituations- oder Navigationsinformationen schlechte Außenluftqualitäten (Stau, Tunneldurchfahrt, …) zu erwarten sind.
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Der Fachmann wird erkennen, dass die mit einer solchen Verschiebung jeweils verbundenen Nachteile, insbesondere der Komfortverlust durch Leistungsreduzierung des vereisten Wärmeübertragers und / oder des übergebührlichen Anstiegs des Kohlendioxidgehaltes in der Fahrgastzelle und/oder gesteigerter Energieverbrauch durch häufigeren Frischluftbetrieb, jeweils mit den Nachteilen des Frischluftbetriebs trotz suboptimaler Außenluftqualität abgewogen werden müssen. Eine solche Abwägung kann eine quantitative Bewertung der gegeneinander abzuwägenden Kriterien auf Basis aktueller Sensordaten umfassen oder aber in geeigneten, ggf. komplexen Verfahrensregeln ohne quantitative Sensordatenauswertung hinterlegt werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ansteuerbaren Klimatisierungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug.
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1 zeigt eine zur Ansteuerung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Klimatisierungseinrichtung für ein Kraftfahrzeug 10, von dem lediglich die wesentlichen Komponenten seiner Klimaanlage 12 und seiner zu klimatisierenden Fahrgastzelle 14 grob schematisch dargestellt sind. Die Klimaanlage 12 umfasst einen Kompressor 121, in welchem Kältemittel komprimierbar ist. Das komprimierte Kältemittel wird zur Verflüssigung und Abkühlung an einen typischerweise als Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildeten Kondensator/Gaskühler 122 geleitet. Das verflüssigte und abgekühlte Kältemittel wird in einem Entspannungsorgan, welches typischerweise als Drosselventil 123 ausgebildet sein kann, entspannt und in einem nachgeschalteten Verdampfer 124 verdampft. Der Verdampfer 124 ist als Luft/Kältemittel-Wärmeübertrager ausgebildet, sodass ein nachfolgend noch näher zu erläuternder Luftstrom bei Durchströmung des Verdampfers 124 aufgrund der Verdampfung des Kältemittels abgekühlt wird. Der so gekühlte Luftstrom 16 wird anschließend in die Fahrgastzelle 14 eingeblasen. Gespeist wird der den Verdampfer 124 durchsetzende Luftstrom wahlweise aus zwei unterschiedlichen Quellen. In einer sogenannten Umluftstellung eines bei der gezeigten Ausführungsform als Umluftklappe 18 ausgebildeten Luftstromprovenienz-Einstellmittels wird Luft aus der Fahrgastzelle 14 bezogen, wie durch den Umluftpfeil 20 angedeutet. In einer sogenannten Frischluftstellung der Umluftklappe 18 wird hingegen Luft aus der Fahrzeugumgebung angesaugt, wie durch den Frischluftpfeil 22 angedeutet. Die Umluft 20 hat dabei im Wesentlichen die Temperatur des Fahrgastzellen-Inneren. Die Frischluft 22 hat im Wesentlichen die Temperatur der Fahrzeugumgebung, die im typischen Kühlfall, d.h. bei sommerlichen Außentemperaturen, deutlich höher liegt als die Fahrgastzellenluft.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Verdampfer 124 bei Arbeitstemperaturen unter 0°C betrieben. Daher fällt Feuchtigkeit, die aus dem zugeführten Luftstrom 20, 22 auskondensiert, in Form einer Vereisung der äußeren Verdampferoberfläche an. Dies führt auf die Dauer zu einer Behinderung des Luftdurchsatzes durch den Verdampfer 124, sodass regelmäßige Enteisungsintervalle initiiert werden müssen, während derer im Verdampfer 124 kein Kältemittel verdampft wird, der Verdampfer 124 jedoch weiter mit Luft durchströmt wird. Dabei erfolgt die Enteisung besonders effizient, je höher die Temperatur des zugeführten Luftstroms ist. Folglich wird erfindungsgemäß während der Vereisungsintervalle die Umluftklappe 18 auf Frischluftbetrieb gestellt.
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Zugleich werden die Enteisungsintervalle zur Lüftung der Fahrgastzelle 14 genutzt, die außerhalb der Enteisungsintervalle vorzugsweise mit gekühlter Umluft 20 versorgt wird. Hierdurch wird die Effizienz der Kühlung maximiert, da im Verdampfer 124 bei Umluftstellung der Umluftklappe 18 nur bereits vorgekühlte Luft aus der Fahrgastzelle 14 und keine deutlich wärmere Frischluft gekühlt werden muss.
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Die Umschaltung zwischen Arbeits- und Enteisungsintervallen kann rein zeitgesteuert erfolgen. Sie kann jedoch, bevorzugt, auch auf Basis aktueller Sensormessdaten erfolgen. So ist bei der gezeigten Ausführungsform eine Steuereinrichtung 24 vorgesehen, die mit einem Vereisungssensor 26 am Verdampfer 124 und mit einem Kohlendioxid-Sensor 28 in der Fahrgastzelle 14 verbunden ist. In einem Speicher der Steuereinrichtung 24 sind Regeln hinterlegt, nach denen die Umluftklappe 18 in Abhängigkeit von den Messdaten der Sensoren 26, 28 zwischen ihrer Umluftstellung und ihrer Frischluftstellung hin und her geschaltet wird.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere können die speziellen Regeln und Kriterien, nach denen die Umschaltung zwischen der Umluftstellung und der Frischluftstellung der Luftstromprovenienz-Einstellmittel erfolgt, vom Fachmann in Ansehung des Einzelfalls und gemäß einer weiten Bandbreite an Klimatisierungsphilosophien gewählt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kraftfahrzeug
- 12
- Klimaanlage
- 121
- Kompressor
- 122
- Kondensator/Gaskühler
- 123
- Drosselventil
- 124
- Verdampfer
- 14
- Fahrgastzelle
- 16
- Luftstrom
- 18
- Umluftklappe
- 20
- Umluftpfeil
- 22
- Frischluftpfeil
- 24
- Steuereinrichtung
- 26
- Vereisungssensor
- 28
- Kohlendioxidsensor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014207278 A1 [0002]
- US 2316/0074528 A1 [0005]
- DE 102009028522 A1 [0007]
