DE102021111288A1 - Air conditioning device, in particular for a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Klimagerät (10), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, umfassend ein luftführendes Gehäuse (11) mit wenigstens einem Lufteinlass (12) und wenigstens einem Luftauslass (13, 14, 15), ein Gebläse (16) und eine Wärmetauscheranordnung (20, 20a, 20b, 30), welche im luftführenden Gehäuse (11) zwischen dem wenigstens einen Lufteinlass (12) dem wenigstens einen Luftauslass (13, 14, 15) angeordnet sind. Die Wärmetauscheranordnung (20, 20a, 20b, 30) umfasst einen ersten fluidbasierten Wärmetauscher (20, 20a, 20b) mit einem Einlasstank (21) mit wenigstens einem ersten Eingang (23, 23a). Der erste Wärmetauscher (20) ist dabei eingebunden in einen Fluidkreislauf (40, 40') mit einer ersten Fluidpumpe (48a). Das erfindungsgemäße Klimagerät (10) umfasst ferner und eine Steuereinrichtung (50), mittels welcher der Fluidkreislauf (40) steuerbar ist. Das erfindungsgemäße Klimagerät (10) ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuereinrichtung (50) die Temperatur des Fluids am ersten Eingang (23) des ersten Wärmetauschers (20, 20a, 20b) und der Massenstrom des Fluid in den ersten Eingang (23, 23a) derart veränderbar ist, dass im ersten Wärmetauscher (20, 20a, 20b) eine vertikale Temperaturschichtung (T1 - T8) einstellbar ist.The present invention relates to an air conditioning device (10), in particular for a motor vehicle, comprising an air-guiding housing (11) with at least one air inlet (12) and at least one air outlet (13, 14, 15), a fan (16) and a heat exchanger arrangement ( 20, 20a, 20b, 30) which are arranged in the air-guiding housing (11) between the at least one air inlet (12) and the at least one air outlet (13, 14, 15). The heat exchanger arrangement (20, 20a, 20b, 30) comprises a first fluid-based heat exchanger (20, 20a, 20b) with an inlet tank (21) with at least one first inlet (23, 23a). The first heat exchanger (20) is integrated into a fluid circuit (40, 40') with a first fluid pump (48a). The air conditioner (10) according to the invention further comprises and a control device (50) by means of which the fluid circuit (40) can be controlled. The air conditioning device (10) according to the invention is characterized in that the temperature of the fluid at the first inlet (23) of the first heat exchanger (20, 20a, 20b) and the mass flow of the fluid in the first inlet (23, 23a ) can be changed in such a way that vertical temperature stratification (T1 - T8) can be set in the first heat exchanger (20, 20a, 20b).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Klimagerät, insbesondere für ein Kraftfahrzeug. Gattungsgemäße Klimageräte umfassen ein luftführendes Gehäuse mit wenigstens einem Lufteinlass und wenigstens einem Luftauslass, ein Gebläse und eine Wärmetauscheranordnung, welche im luftführenden Gehäuse zwischen dem wenigstens einen Lufteinlass dem wenigstens einen Luftauslass angeordnet sind. Typischerweise umfasst dabei die Wärmetauscheranordnung wenigstens einen ersten fluidbasierten Wärmetauscher, welcher in einen Fluidkreislauf mit einer ersten Fluidpumpe eingebunden ist.The present invention relates to an air conditioning device, in particular for a motor vehicle. Generic air conditioners include an air-guiding housing with at least one air inlet and at least one air outlet, a fan and a heat exchanger arrangement, which are arranged in the air-guiding housing between the at least one air inlet and the at least one air outlet. The heat exchanger arrangement typically includes at least one first fluid-based heat exchanger, which is integrated into a fluid circuit with a first fluid pump.
Das luftführende Gehäuse umfasst mehrere Bereiche. Stromabwärts von dem wenigsten einen Lufteinlass wird mittels der Wärmetauscheranordnung typischerweise ein Kaltluftpfad und ein Warmluftpfad erzeugt, deren zugeordnete Luftströmungen weiter stromabwärts in einer Misch- und Verteilerzone gemäß den Zieltemperaturen auf einen oder mehrere Luftauslässe verteilt wird. Dabei ist es erstrebenswert, eine sogenannte Temperaturschichtung zu erreichen, welche typischerweise durch Mischklappen und Luftleiteinrichtungen derart erreicht wird, dass tendenziell wärmere Luft weiter unten (z.B. zu den Fußauslässen) und kühlere Luft weiter oben (z.B. über den Mannanströmer oder Defrostkanal) ausgeblasen wird.The air-guiding housing comprises several areas. Downstream of the at least one air inlet, a cold air path and a warm air path are typically generated by means of the heat exchanger arrangement, the associated air flows of which are distributed further downstream in a mixing and distribution zone to one or more air outlets according to the target temperatures. It is desirable to achieve a so-called temperature stratification, which is typically achieved by mixing flaps and air ducts in such a way that warmer air tends to be blown out further down (e.g. to the foot outlets) and cooler air higher up (e.g. via the manan flow or defrost channel).
Das Design von Kraftfahrzeugklimageräten ist von der Existenz traditionell vorhandener Verbrennungsmotoren beeinflusst. Durch die Veränderung hin zur E-Mobilität ohne Verbrennungsmotoren fällt einerseits das Kühlwasser des Verbrennungsmotors als Wärmequelle weg. Hierdurch besteht die Notwendigkeit, den Kompromiss zwischen Heizkomfort und Energieeffizienz neu festzulegen. Thermodynamisch ist dabei das Mischen von zuvor erhitzter Luft einerseits mit zuvor parallel abgekühlter Luft kritisch zu sehen. Dies wird durch den traditionellen Misch- und Verteilansatz zwar nahegelegt, beeinflusst aber in negativer Weise die Energieeffizienz.The design of automotive air conditioners is influenced by the existence of traditionally existing internal combustion engines. Due to the change towards e-mobility without combustion engines, the cooling water of the combustion engine is no longer used as a heat source. As a result, there is a need to redefine the compromise between heating comfort and energy efficiency. Thermodynamically, the mixing of previously heated air on the one hand with air previously cooled in parallel is to be viewed critically. While this is suggested by the traditional mix and match approach, it negatively impacts energy efficiency.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Klimagerät für ein Kraftfahrzeug anzugeben, welches einen zur Warm/Kaltluftmischung alternativen Lösungsansatz bietet.It is the object of the present invention to specify an air conditioning device for a motor vehicle which offers an alternative approach to mixing warm/cold air.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Klimagerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein verfahren zum Steuern desselben mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.According to the invention, this object is achieved by an air conditioning device with the features of
Das erfindungsgemäße Klimagerät umfasst eine Steuereinrichtung, mittels welcher der Fluidkreislauf steuerbar ist, wobei mittels der Steuereinrichtung die Temperatur des Fluids an einem ersten Eingang des ersten fluidbasierten Wärmetauschers und den Massenstrom in den ersten Eingang derart veränderbar ist, dass im ersten Wärmetauscher eine vertikale Temperaturschichtung einstellbar ist. Mit anderen Worten wird über die durch die erste Fluidpumpe erzeugte Durchflussrate eine Temperaturschichtung erzeugt, welche eine weiter stromabwärtige Mischung von kalter und wärmerer Luft zum Erreichen des Klimatisierungsziels reduziert oder überflüssig macht. Die Temperaturschichtung umfasst daher eine mehr der weniger ausgeprägte vertikale Temperaturinhomogenität am ersten Wärmetauscher, wobei auch eine horizontale Komponente dieser Temperaturinhomogenität vorhanden sein kann.The air conditioning unit according to the invention comprises a control device, by means of which the fluid circuit can be controlled, the temperature of the fluid at a first inlet of the first fluid-based heat exchanger and the mass flow into the first inlet being able to be changed by means of the control device in such a way that vertical temperature stratification can be set in the first heat exchanger . In other words, temperature stratification is generated via the flow rate generated by the first fluid pump, which reduces or eliminates the need for a further downstream mixture of colder and warmer air to achieve the air conditioning target. The temperature stratification therefore includes a more or less pronounced vertical temperature inhomogeneity at the first heat exchanger, with a horizontal component of this temperature inhomogeneity also being able to be present.
Der erster fluidbasierte Wärmetauscher ist nach seiner Bauart ein an sich bekannter Heizwärmetauscher. Der Fluidkreislauf, an den dieser angeschlossen ist, kann im einfachsten Falle sogar der an sich bekannte Kühlmittelkreislauf eines Verbrennungsmotors sein. Im allgemeinen Fall ist der Fluidkreislauf aber nicht hierauf festgelegt, sondern kann auch durch andere Wärme- und/oder Kältequellen gespeist werden. Insbesondere sind Indirekte Wärmepumpen bekannt, welche über einen Kältemittelkreis einen fluidbasierten Warmkreislauf und einen fluidbasierten Kaltkreislauf speisen.The design of the first fluid-based heat exchanger is a heating heat exchanger that is known per se. In the simplest case, the fluid circuit to which it is connected can even be the coolant circuit of an internal combustion engine, which is known per se. In the general case, however, the fluid circuit is not limited to this, but can also be fed by other heat and/or cold sources. In particular, indirect heat pumps are known which feed a fluid-based hot circuit and a fluid-based cold circuit via a refrigerant circuit.
Der Fluidkreislauf besteht im einfachsten Fall aus einer einzigen Leitungsschleife mit einer Temperaturquelle und Temperatursenke, von den einer der erste Wärmetauscher ist. Im Fluidkreislauf wird typischerweise Wasser oder eine wässrige Lösung, z.B. ein Wasser-Glykol-Gemisch, alternativ aber auch andere Fluide, z.B. Öl, verwendet.In the simplest case, the fluid circuit consists of a single line loop with a temperature source and temperature sink, one of which is the first heat exchanger. Water or an aqueous solution, e.g. a water-glycol mixture, is typically used in the fluid circuit, but alternatively other fluids, e.g. oil, are also used.
Die Temperaturkontrolle kann auf an sich beliebige Art und Weise erfolgen. Als einfachste Form kann eine Steuerung gemäß einer zuvor ermittelten Zielsteuerung erfolgen, indem die Klimaanlage gemäß Klimatisierungswunsch und Außenbedingungen nach fest eingestellten Werten oder nach Schätzwerten gesteuert wird. Insbesondere kann auch ein Regelkreis vorgesehen sein, welcher basierend auf erfassten Temperatursignalen die Eingangstemperatur in und den Massenstrom/ die Durchflussrate durch den ersten Wärmetauscher entsprechend regelt. Die Temperatursignale können beispielsweise durch Sensoren im Fluidkreislauf oder im Luftstrom in der Nähe des ersten Wärmetauschers erfasst werden. Die Steuerung bzw. Regelung erfolgt durch die Steuereinrichtung.The temperature can be controlled in any way. In the simplest form, control can take place according to a previously determined target control, in that the air conditioning system is controlled according to the desired air conditioning and external conditions according to fixed values or according to estimated values. In particular, a control circuit can also be provided, which controls the inlet temperature and the mass flow/flow rate through the first heat exchanger accordingly based on detected temperature signals. The temperature signals can be detected, for example, by sensors in the fluid circuit or in the air flow in the vicinity of the first heat exchanger. The control or regulation is carried out by the control device.
Im einfachsten Fall besteht der Fluidkreis also nur aus einem Hauptkreis. Die Temperatur dieses Hauptkreises könnte zum Beispiel durch einen unterschiedlichen Wärmeeintrag durch die Wärmequelle veränderbar sein. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind im Fluidkreislauf ein Nebenkreis und eine Ventilvorrichtung vorgesehen, wobei mittels der Ventilvorrichtung der Massenstrom des Fluids aus dem Nebenkreis stromaufwärts von dem ersten Wärmetauscher mit einem definierten Mischungsverhältnis des Massenstroms in den Hauptkreis einstellbar ist. Der Nebenkreis hat hierbei zweckmäßigerweise ein vom Hauptkreis unterschiedliches Temperaturniveau. Er wird beispielsweise durch den Kaltkreislauf einer zuvor erwähnten indirekten Wärmepumpe gespeist. Durch das Mischen des Fluids unterschiedlicher Temperatur lässt sich dann sehr gezielt das gewünschte Temperaturniveau einstellen. Die erste Ventilvorrichtung kann dabei an sich beliebig ausgestaltet sein, beispielsweise als Proportionalventil oder als zeitlich getaktetes Schaltventil mit lediglich einer „Auf“- und einer „Zu“-Schaltposition.In the simplest case, the fluid circuit consists of only one main circuit. The temperature of this main circuit could, for example, by a different heat input through the heat source changeable. According to one embodiment of the invention, a secondary circuit and a valve device are provided in the fluid circuit, the mass flow of the fluid from the secondary circuit upstream of the first heat exchanger being adjustable by means of the valve device with a defined mixing ratio of the mass flow into the main circuit. In this case, the secondary circuit expediently has a different temperature level from the main circuit. It is fed, for example, by the cold circuit of an indirect heat pump mentioned above. By mixing the fluid at different temperatures, the desired temperature level can then be set in a very targeted manner. The first valve device can be configured as desired, for example as a proportional valve or as a timed switching valve with only one “open” and one “closed” switching position.
Die Mischung vom Nebenkreis in den Hauptkreis kann gegebenenfalls passiv erfolgen, z.B. durch Vorbeiströmen des Hauptkreises und „Mitnahme“ durch Unterdruck aus dem Nebenkreis. In einer weiteren Ausgestaltung ist im Nebenkreis eine zweite Fluidpumpe angeordnet, mittels welcher der Massenstrom des Nebenkreises separat von dem Massenstrom des Hauptkreises steuerbar ist.The mixing from the secondary circuit into the main circuit can take place passively, e.g. by the main circuit flowing past and "entrainment" by negative pressure from the secondary circuit. In a further embodiment, a second fluid pump is arranged in the secondary circuit, by means of which the mass flow of the secondary circuit can be controlled separately from the mass flow of the main circuit.
Um eine vertikale Temperaturschichtung im Klimagerät in dieser Weise ausbilden zu können, ist es ferner zweckmäßig, dass der erste Wärmetauscher einen Einlasstank und einen Auslasstank umfasst und das Fluid den ersten Wärmetauscher in vertikaler Richtung durchströmt. Typischerweise liegt dann der Einlasstank unten und Auslasstank oben, d.h. dass der erste Wärmetauscher von unten nach oben durchströmt wird. Prinzipiell kann dies aber auch umgekehrt erfolgen, wenn z.B. in einem Kühlmodus sehr kaltes Fluid von oben einströmt und weiter unten durch eine leichte Erwärmung ebenfalls eine vertikale Temperaturschichtung mit unten wärmer als oben erzeugt. Als Bauform eignen sich Flachrohr-Wärmetauscher, ohne hierauf festgelegt zu sein.In order to be able to form vertical temperature stratification in the air-conditioning device in this way, it is also expedient for the first heat exchanger to comprise an inlet tank and an outlet tank, and for the fluid to flow through the first heat exchanger in a vertical direction. The inlet tank is then typically at the bottom and the outlet tank at the top, i.e. the flow through the first heat exchanger is from bottom to top. In principle, however, this can also happen the other way around, e.g. if, in a cooling mode, very cold fluid flows in from above and further down, due to slight warming, also creates vertical temperature stratification with the bottom warmer than the top. Flat tube heat exchangers are suitable as a design, without being restricted to this.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Einlasstank einen zweiten Eingang aufweist und dass mittels der Steuereinrichtung die Temperatur des Fluids am ersten und am zweiten Eingang und der Massenstrom in den ersten und zweiten Eingang derart veränderbar sind, dass eine vertikale Temperaturschichtung und horizontale Zonenbildung einstellbar sind.According to one embodiment of the invention, it is provided that the inlet tank has a second inlet and that the temperature of the fluid at the first and second inlet and the mass flow in the first and second inlet can be changed by means of the control device in such a way that vertical temperature stratification and horizontal zone formation are adjustable.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein zweiter fluidbasierter Wärmetauscher mit einem dritten Eingang in den Hauptkreis eines Fluidkreislaufs eingebunden ist und der erste und der zweiter Wärmetauscher hintereinander im luftführenden Gehäuse angeordnet sind. Dabei sind dann mittels der Steuereinrichtung die Temperatur des Fluids wenigstens am ersten und am dritten Eingang und der Massenstrom in den ersten und dritten Eingang unabhängig voneinander veränderbar. Hierdurch können zwei Heiz- bzw. Kühlprofile übereinander gelegt werden, wobei diese sich auch verstärken können. Dies erweitert den Betriebsbereich der Wärmetauscheranordnung. Ggf. können zwei kleinere Wärmetauscher verwendet werden, von denen einer in einer Niederlastsituation ganz abgeschaltet werden kann. Der zweite Wärmetauscher kann auch als zweite Schicht in dem ersten Wärmetauscher als Doppelwärmetauscher integriert ausgebildet sein.According to a further embodiment of the invention, it is provided that a second fluid-based heat exchanger with a third input is integrated into the main circuit of a fluid circuit and the first and second heat exchangers are arranged one behind the other in the air-conducting housing. The temperature of the fluid at least at the first and at the third inlet and the mass flow into the first and third inlet can then be changed independently of one another by means of the control device. As a result, two heating or cooling profiles can be placed one on top of the other, whereby these can also be reinforced. This expands the operating range of the heat exchanger assembly. If necessary, two smaller heat exchangers can be used, one of which can be switched off completely in a low-load situation. The second heat exchanger can also be integrated as a second layer in the first heat exchanger as a double heat exchanger.
Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher derart im luftführenden Gehäuse angeordnet ist, dass dieser vom gesamten Luftstrom durchströmt wird und stromabwärts vom ersten Wärmetauscher wenigstens zwei Luftauslässe vorgesehen sind, welche eine vertikale Ausrichtung zueinander aufweisen. Durch die Temperaturschichtung kann dann das Klimagerät sehr kompakt und ohne zusätzlichen Mischraum mit Mischklappen ausgestaltet werden. Der erste Wärmetauscher kann alternativ oder auch zusätzlich so im luftführenden Gehäuse angeordnet sein, dass der erste Wärmetauscher über einen Bypass teilweise umströmt wird. Dadurch kann eine weitere Zonenbildung bereitgestellt werden, beispielsweise für eine Klimatisierung des Fonds oder einer hinteren Sitzreihe.A development of the invention is characterized in that the first heat exchanger is arranged in the air-conducting housing in such a way that the entire air flow flows through it and at least two air outlets are provided downstream of the first heat exchanger, which are aligned vertically to one another. As a result of the temperature stratification, the air conditioning unit can then be designed very compactly and without an additional mixing space with mixing flaps. Alternatively or additionally, the first heat exchanger can be arranged in the air-guiding housing in such a way that the first heat exchanger is partially flown around via a bypass. As a result, further zoning can be provided, for example for air conditioning the rear or a rear row of seats.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Kraftfahrzeugklimaanlage mit einem zuvor genannten Klimagerät ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Klimatisierungswunsch erfasst wird, aus welcher ein Profil einer Soll-Temperaturschichtung der aus dem Klimagerät ausströmenden Luft ableitbar ist und die Temperatur am Eingang des ersten Wärmetauschers und die Durchflussrate durch den ersten Wärmetauscher derart gesteuert wird, dass sich eine Ist-Temperaturschichtung einstellt, welche innerhalb einer vordefinierten Abweichung zur Soll-Temperaturschichtung liegt (Toleranz-Korridor). Die Lufttemperatur stromabwärts von dem ersten Wärmetauscher kann dabei an wenigstens einem ersten und einem zweiten vertikal zueinander angeordneten Punkten erfasst werden. Die Temperatur am Eingang des ersten Wärmetauschers wird dann erhöht, wenn an dem niedriger gelegenen Punkt die Ist-Temperatur weniger als die Summe der Soll-Temperatur und der vordefinierten Abweichung an diesem Punkt beträgt (also wenn die Ist-Temperatur niedriger ist als die Soll-Temperatur unter Berücksichtigung des Toleranz-Korridors). Umgekehrt wird die Temperatur am Eingang des ersten Wärmetauschers erniedrigt, wenn an dem niedriger gelegenen Punkt die Ist-Temperatur mehr als die Summe der Soll-Temperatur und der vordefinierten Abweichung an diesem Punkt beträgt.The method according to the invention for operating a motor vehicle air conditioning system with an aforementioned air conditioning unit is characterized in that an air conditioning request is detected, from which a profile of a target temperature stratification of the air flowing out of the air conditioning unit can be derived and the temperature at the inlet of the first heat exchanger and the flow rate through the first heat exchanger is controlled in such a way that an actual temperature stratification is established which lies within a predefined deviation from the target temperature stratification (tolerance corridor). The air temperature downstream of the first heat exchanger can be detected at at least a first and a second point arranged vertically to one another. The temperature at the inlet of the first heat exchanger is then increased if at the lower point the actual temperature is less than the sum of the target temperature and the predefined deviation at that point (i.e. when the actual temperature is lower than the target temperature taking into account the tolerance corridor). Conversely, the temperature at the entrance of the first heat exchanger is lowered if the actual temperature at the lower point is more than that sum of the target temperature and the predefined deviation at this point.
Die Durchflussrate wird dann erhöht, wenn an dem höher gelegenen Punkt die Ist-Temperatur weniger als die Summe der Soll-Temperatur und der vordefinierten Abweichung an dem Punkt beträgt. Umgekehrt wird die Durchflussrate erniedrigt, wenn an dem höher gelegenen Punkt die Ist-Temperatur mehr als die Summe der Soll-Temperatur und der vordefinierten Abweichung an dem Punkt beträgt. Mit anderen Worten kann aus der Differenz aus der höher liegenden und der niedriger liegen Temperatur eine „Schichtung“ als Sollgröße abgeleitet werden. Je mehr Schichtung der Fahrer wünscht, desto geringer die Durchflussmenge oder jeweils umgekehrt.The flow rate is then increased if the actual temperature at the higher point is less than the sum of the target temperature and the predefined deviation at the point. Conversely, if the actual temperature at the higher point is more than the sum of the target temperature and the predefined deviation at the point, the flow rate will be decreased. In other words, a "stratification" can be derived as a target value from the difference between the higher and the lower temperature. The more stratification the driver wants, the lower the flow rate, or vice versa.
Auf diese Weise können die Vorteile der vorrichtungstechnischen Merkmale zum Zwecke einer effizienten und komfortsteigernden Klimatisierung genutzt werden. Die Berücksichtigung des Toleranz-Korridors, der im Grenzfall auch Null sein kann, ist dabei hilfreich, um ggf. ein Schwingen oder Pendeln des Systems zu vermeiden.In this way, the advantages of the technical device features can be used for the purpose of efficient and comfort-enhancing air conditioning. The consideration of the tolerance corridor, which can also be zero in the borderline case, is helpful in order to avoid any oscillation or oscillation of the system.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug zu den
- Die
1 zeigt schematisch den Prinzipaufbau eines Klimageräts, für welches die Erfindung vorteilhafterweise angewendet werden kann, - die
2 und3 zeigen schematisch eine erste und eine zweite Ausführungsvariante eines Fluidkreislaufes zur Verwendung in einem Klimagerät, insbesondere einem Klimagerät gemäß1 , gemäß einem ersten und einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung und - die
4 bis7 zeigen Ausführungsvarianten von Wärmetauschern, welche erfindungsgemäß in den mit Bezug zu den2 und3 beschriebenen Fluidkreisen einbindbar und als Wärmetauscher im luftführenden Kanal von Klimageräten, insbesondere gemäß1 , einsetzbar sind - mit Andeutung verschiedener Temperaturschichtungen.
- the
1 shows schematically the basic structure of an air conditioner for which the invention can be advantageously applied, - the
2 and3 show schematically a first and a second embodiment of a fluid circuit for use in an air conditioner, in particular an air conditioner according to FIG1 , according to a first and a second embodiment of the invention and - the
4 until7 show variants of heat exchangers, which according to the invention in with reference to2 and3 described fluid circuits can be integrated and as a heat exchanger in the air duct of air conditioning units, in particular according to1 , can be used - indicating different temperature stratifications.
In der
Der erste Wärmetauscher 20 kann nach an sich bekannter Weise im luftführenden Gehäuse 11 angeordnet sein. Zum Ausnutzen des mit der Erfindung im Zusammenhang stehenden Effekts wird der erste Wärmetauscher 20 (und ggf. auch der zweite Wärmetauscher 30) vom gesamten Luftstrom durchströmt, d.h. ohne dass der Luftstrom teilweise seitlich an dem Wärmetauscher 20 vorbeigeführt wird, wie dies weiter unten noch näher erläutert wird. Alternativ kann aber um den ersten Wärmetauscher 20 ein Kaltluftbypass (nicht dargestellt) vorgesehen sein, mittels welchem durch den zweiten Wärmetauscher 30 vorgekühlte Luft an dem ersten Wärmetauscher vorbeigeführt und stromabwärts davon in den Luftstrom zugemischt werden kann.The
In der
In einer ersten Variante kann vorgesehen sein, dass die Ausgangstemperatur der Wärmequelle 42 veränderbar ist, sodass damit das Temperaturniveau im Fluidkreislauf 40 veränderbar ist.In a first variant, it can be provided that the outlet temperature of the
Alternativ oder zusätzlich ist in einem Kaltzweig 45 eine Kältequelle 43 vorgesehen, welche den Fluidkreislauf 40 mit kühlem Fluid versorgt. Der Kaltkreis 45 (Nebenkreis) zweigt am Abzweigpunkt 41a vom in sich geschlossenen Hauptkreis ab und wird am Mischpunkt 41b wieder eingegliedert. Der Kaltzweig 45 ist kälter als der Warmzweig 44, sodass stromabwärts vom Mischpunkt 41b durch Mischung ein Fluid mit einem Temperaturniveau zwischen dem Warmkreis 44 und dem Kaltkreis 45 eingestellt werden kann. Das Mischungsverhältnis, d.h. der Massenstrom des Fluids, wird durch das Regelventil 49a im Warmkreis 44 und das Regelventil 49b im Kaltkreis 45 eingestellt. Die Regelventile 49a, 49b können an sich beliebiger Bauart sein und beispielsweise als Proportionalventile oder als getaktete Schließventile ausgestaltet sein. Der Fluidkreislauf 40, insbesondere die Regelventile 49a, 49b sowie die Fluidpumpe 48a ist mittels einer Steuereinrichtung 50 steuerbar (open loop) bzw. regelbar (closed loop).Alternatively or additionally, a
Die Wärmequelle 42 und die Kältequelle 43 werden vorzugsweise von einer Kältemaschine/Wärmepumpeneinrichtung gespeist, insbesondere mittels eines Kältemittelkreislaufs (nicht dargestellt), wie diese an sich aus dem Stand der Technik bekannt sind. Die Wärmequelle 42 ist dann der Kondensator und die Kältequelle 43 ist der Verdampfer in einem solchen Kältemittelkreis. Um die Wärmepumpe effizient zu betreiben, liegen die typischen Werte der Wärmequelle bei 60°C, die der Kältequelle bei 0°C.The
Alternativ können die Wärmequelle und die Kältequelle auch anders bereitgestellt werden. Die Wärme kann beispielsweise über die Abwärme eines Verbrennungsmotors zugeführt werden. In diesem Falle wäre die Wärmequelle (bei einem Systemdruck > 1bar) typischerweise 90°C - 110°C warm.Alternatively, the heat source and the cold source can also be provided differently. The heat can be supplied, for example, via the waste heat from an internal combustion engine. In this case, the heat source (at a system pressure > 1 bar) would typically be 90°C - 110°C warm.
Im Fluidkreislauf 40 ist ferner ein wasserseitiger Temperatursensor 55 vorgesehen. An einem oberen Punkt in der Nähe des ersten Wärmetauschers 20 ist ein luftseitiger Temperatursensor 51 und an einem unteren Punkt in der Nähe des ersten Wärmetauschers 20 ist ein weiterer luftseitiger Temperatursensor 52 vorgesehen. Die Temperatursensoren 51, 52 können an geeigneter Position vorgesehen sein, zum Beispiel auch an den Auslässen. Die Temperatursensoren 51, 52, 55 sind mit der Steuereinrichtung 50 verbunden, sodass auf Basis der von diesen Sensoren gesendeten Temperatursignalen die Fluidpumpe 48a und die Regelventile 49a, 49b regelbar sind, wie dies weiter unten mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren noch näher erläutert wird.A water-
In der
Stromabwärts vom Mischpunkt 41d kann durch Mischung des Fluids wiederum getrennt ein gewünschtes Temperaturniveau eingestellt werden. Das Mischungsverhältnis wird analog zum ersten Hauptkreis durch das Regelventil 49c im Warmkreis 46 und das Regelventil 49d im Kaltkreis 47 mittels der Steuereinrichtung 50 eingestellt.Downstream from the
An einem oberen Punkt in der Nähe des zweiten Wärmetauschers 20' ist ein luftseitiger Temperatursensor 53 und an einem unteren Punkt in der Nähe des zweiten Wärmetauschers 20' ist ein weiterer luftseitiger Temperatursensor 54 vorgesehen. Die Temperatursensoren 53, 54, 56 sind ebenfalls mit der Steuereinrichtung 50 verbunden, sodass auf Basis der von diesen Sensoren gesendeten Temperatursignalen die Fluidpumpe 48b und die Regelventile 49c, 49d regelbar sind, wie dies weiter unten mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren noch näher erläutert wird.An air-
In den
Die in den
Erfindungsgemäß lassen sich mittels der Steuereinrichtung 50 gezielt unterschiedliche Temperaturschichtungen T1, T2 einstellen, welche durch unterschiedliche Schraffierungen symbolisiert sind. Dabei wird die Temperatur des Fluids am ersten Eingang 23, 33 der Wärmetauscher 20, 30 und der Massenstrom in den ersten Eingang 23 derart verändert, dass sich eine gewünschte Temperaturschichtung einstellt.According to the invention, different temperature stratifications T1, T2, which are symbolized by different hatchings, can be set in a targeted manner by means of the
In der
In einer weiteren Variante weist der Wärmetauscher 20b (
Erfindungsgemäß kann mittels der Steuereinrichtung 50 die Temperatur des Fluids an den verschiedenen Eingängen 23a - 23d und der Massenstrom in diese Eingänge 23a - 23d derart verändert werden, dass neben einer vertikalen Temperaturschichtung auch noch eine horizontale Zonenbildung einstellbar ist.According to the invention, the temperature of the fluid at the
Eine Kraftfahrzeugklimaanlage mit einem Klimagerät 10 kann dann folgendermaßen betrieben werden: Wenn ein Klimatisierungswunsch erfasst wird, z.B. über eine Eingabe eines Fahrzeugnutzers über die Bedieneinrichtung der Klimaanlage, kann daraus ein Profil einer Soll-Temperaturschichtung der aus dem Klimagerät ausströmenden Luft abgeleitet werden. Daraufhin wird die Temperatur am Eingang des ersten Wärmetauschers 20, 20a, 20b und die Durchflussrate durch den ersten Wärmetauscher 20, 20a, 20b derart gesteuert, dass sich eine Ist-Temperaturschichtung einstellt, die der Soll-Temperaturschichtung nahe genug kommt. Dies wird mittels einer Regelung der Steuereinrichtung 50 mit den Temperatursignalen der Temperatursensoren 51 - 56 als Input und den Fördermengen der Fluidpumpen 48a, 48b und den Öffnungscharakteristiken der Regelventile 49a - 49d als Output erreicht (soweit diese optional vorhanden sind).A motor vehicle air conditioning system with an
Das Steuerungsverfahren am einfachsten Beispiel des gezeigten Wärmetauschers 20 gemäß
Die Temperatur am Eingang 23 des ersten Wärmetauschers 20 wird erhöht, wenn an dem unteren Punkt über den Temperatursensor 52 die Ist-Temperatur weniger als die Soll-Temperatur (unter Berücksichtigung einer vordefinierten Abweichung/Toleranz) für diesen Punkt liegt. Umgekehrt wird die Temperatur am Eingang 23 erniedrigt, sollte diese Ist-Temperatur des Temperatursensors 52 zu hoch liegen. Alternativ oder auch zusätzlich kann eine Regelung auf Basis der Temperatursignale des Temperatursensors 55 erfolgen. Die Erhöhung/ Erniedrigung der Temperatur am Eingang 23 wird wie erwähnt durch Steuerung der Mischung des Fluids aus dem Warmzweig 44 und dem Kaltzweig 45 über die Regelventile 49a, 49b erreicht.The temperature at the
Die Durchflussrate durch den Wärmetauscher 20 wird erhöht, wenn an dem höher gelegenen Punkt durch den Temperatursensor 51 die Ist-Temperatur weniger als die Soll-Temperatur (wiederum unter Berücksichtigung einer vordefinierten Abweichung) an diesem Punkt liegt. Umgekehrtes gälte für eine zu niedrige Soll-Temperatur des Temperatursensors 51, welches ein Anzeichen eines zu geringen Anstiegs der Temperaturschichtung ist, woraufhin die Durchflussrate erniedrigt würde. Die Erhöhung/ Erniedrigung der Durchflussrate wird wie erwähnt durch die Fluidpumpe 48a erreicht.The flow rate through the
Die vorliegenden Ausführungsbeispiele sind miteinander an sich beliebig kombinierbar. Der Einsatz der erfindungsgemäßen Fluidkreisläufe 40, 40' gemäß
Die Verwendung verschiedener Wärmetauscher 20, 20a, 20b kann dabei auf sowohl die Anforderungen des Klimageräts 10 als auch an die Ausgestaltung des Fluidkreislaufs 40, 40' oder ggf. mehrerer separater Fluidkreisläufe (nicht dargestellt) angepasst werden. Insbesondere können zwei separate Wärmetauscher 20, 20a, 20b hintereinander angeordnet sein und beispielsweise beide kühlen oder heizen. Hierdurch könnte die Klimatisierungsleistung erhöht werden, bzw. umgekehrt ggf. kleinere Wärmetauscher eingesetzt werden, weil zwei hintereinander im Luftstrom angeordnet sind. Die gezeigten Wärmetauscher 20a, 20b können auch als aufgeteiltes Bauteil zweischichtig ausgestaltet sein, d.h. dass die zeichnerisch linke Hälfte im Luftstrom vor der rechten Hälfte (oder umgekehrt) liegen können. Ferner kann die erfindungsgemäße Steuerung zum Einstellen einer Temperaturschichtung auch nur in einer Zone, z.B. nur der linken Hälfte des Klimageräts 10 vorgesehen sein.The use of
Bezugszeichenlistereference list
- 1010
- Klimagerätair conditioner
- 1111
- Luftführendes GehäuseAir-conducting housing
- 1212
- Lufteinlassair intake
- 13 - 1513 - 15
- Luftauslässeair outlets
- 1616
- Gebläsefan
- 20, 20a, 20b20, 20a, 20b
- erster fluidbasierter Wärmetauscherfirst fluid-based heat exchanger
- 2121
- Einlasstankinlet tank
- 2222
- Auslasstankoutlet tank
- 23a - 23d23a - 23d
- Eingängeinputs
- 2424
- AusgangExit
- 25a - 25c25a - 25c
- Abtrennungseparation
- 3030
- zweiter fluidbasierter Wärmetauschersecond fluid-based heat exchanger
- 3131
- Einlasstankinlet tank
- 3232
- Auslasstankoutlet tank
- 3333
- EingangEntry
- 3434
- AusgangExit
- 40, 40'40, 40'
- Fluidkreislauffluid circuit
- 41a - 41f41a - 41f
- Abzweigepunkte bzw. MischpunkteBranching points or mixing points
- 4242
- Wärmequelleheat source
- 4343
- Kältequellecold source
- 44, 4644, 46
- Warmzweigwarm branch
- 45,4745.47
- Kaltzweigcold branch
- 48a, 48b48a, 48b
- Fluidpumpenfluid pumps
- 49a - 49d49a - 49d
- Regelventilecontrol valves
- 5050
- Steuereinrichtungcontrol device
- 51 - 5451 - 54
- Temperatursensoren - LuftTemperature sensors - air
- 55, 5655, 56
- Temperatursensoren - WasserTemperature sensors - water
- T1 -T8T1-T8
- Temperaturschichtungtemperature stratification
Claims (9)
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Applications Claiming Priority (1)
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-
2021
- 2021-04-30 DE DE102021111288.5A patent/DE102021111288A1/en active Pending
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