DE10203293A1

DE10203293A1 - Klimaanlage

Info

Publication number: DE10203293A1
Application number: DE2002103293
Authority: DE
Inventors: Frank Obrist; Martin Graz; Peter Kuhn; Hans Hammer; Dirk Schroeder
Original assignee: Obrist Engineering GmbH; Audi AG
Current assignee: Obrist Engineering GmbH; Audi AG
Priority date: 2002-01-29
Filing date: 2002-01-29
Publication date: 2003-07-31
Also published as: WO2003064194A1

Abstract

Die zum Kühlen und Heizen vorgesehene Klimaanlage hat ein Kanalsystem (1), das mittels eines Umschaltventils (6) den wahlweisen Betrieb von zwei einen gemeinsamen Kompressor (2) aufweisenden Systembereichen (3, 4) ermöglicht. Der erste Systembereich hat einschließlich eines in einem Belüftungsgehäuse (12) angeordneten Verdampfers (10) die für einen Kühlbetrieb erforderlichen Komponenten, während der für einen Zuheizbetrieb vorgesehene zweite Systembereich (4) zusätzlich zu dem Kompressor (2) im Wesentlichen nur ein Expansionsventil (16) und einen einer Zuheizung dienenden Heizwärmetauscher (17) aufweist. Dieser ermöglicht unabhängig von einer äußeren Wärmequelle eine Beheizung des Fahrgastraumes durch die Leistung des Kompressors (2), so dass, ausgehend von einem Kaltstart des Antriebsmotors (19), in verkürzter Zeit Wärme zur Verfügung steht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Eine Klimaanlage dieser Art ist u. a. bekannt durch die US-Patentschrift 5291941. Zum beschleunigten Erwärmen des Fahrgastraumes wird die Leistung des Kompressors der Klimaanlage eingesetzt, indem durch die Betätigung eines Schaltventils ein Kanalbereich durchströmt wird, der im Bypass zum Kondensator des Kühlprozesses Verläuft, so dass die durch den Kompressor erzeugte Wärmeenergie in den Verdampfer des Kühlprozesses gelangt und durch das Gebläse der Fahrzeugbelüftung in den Fahrgastraum geführt wird. Da somit der Verdampfer der Klimaanlage sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen des Fahrgastraumes dient, hat der Wärmeträger beim Durchströmen des Verdampfers je nach Betriebsweise verschiedene physikalische Eigenschaften, so dass er nicht für beide Betriebsweisen optimal ausgelegt ist und in ihm störende Strömungsgeräusche auftreten können. Ausserdem muss beim Umschalten auf Heizbetrieb verhindert werden, dass die vom Kühlbetrieb am Verdampfer verbliebene Kondensatfeuchtigkeit mit der Gebläseluft in den Fahrgastraum geführt wird und dort an den Fenstern des Fahrgastraumes kondensiert, mit der Folge einer gefährlichen Behinderung der Sicht des Fahrers.
Um das Eindringen von Feuchtigkeit aus dem Verdampfer in den Fahrgastraum zu verhindern, wurde durch die DE-A-39 07 201 vorgeschlagen, nur jeweils einen von zwei parallel geschalteten Klimatisierungswärmetauschern zu verwenden, von denen einer den Verdampfer und der andere einen Heizwärmetauscher bildet. Diese Anordnung ist konstruktiv aufwändig, indem sie durch die Parallelanordnung einen grösseren Raumbedarf hat und somit eine Neukonstruktion des die Wärmetauscher und das Gebläse umfassenden Belüftungsgehäuses erfordert, die sich schwerer in das Fahrzeug integrieren lässt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Klimaanlage der eingangs genannten Art mit geringem konstruktiven Aufwand derart zu verbessern, dass sie bei Kaltstart des Fahrzeugmotors innerhalb kurzer Zeit eine für die schnelle Erwärmung des Fahrgastraumes geeignete, grosse Wärmemenge liefern kann und dabei ein plötzliches Beschlagen der Fahrzeugscheiben aufgrund von an einem Klimatisierungswärmetauscher vorhandener Restfeuchtigkeit verhindert.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt erfindungsgemäss aufgrund der kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigt:
Fig. 1 eine vereinfachte, schematische Darstellung des Kanalsystems einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemässen Klimaanlage, mit einem zusätzlichen, im Belüftungsgehäuse angeordneten Heizwärmetauscher,
Fig. 2 und 3 zwei Varianten einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemässen Klimaanlage, mit Wärmeaustausch zwischen zwei verschiedenen Wärmeträgern,
Fig. 4 eine schematische Teildarstellung des Kanalsystems der zweiten Ausführungsform mit einer weiteren Variante.
Die Darstellungen der Fig. 1 bis 3 zeigen das Kanalsystem 1 einer z. B. mit Kohlendioxid betriebenen Klimaanlage, deren zentraler Bestandteil ein Kompressor 2 ist, um den Wärmeträger, je nach Betriebsweise, durch einen von zwei Systembereichen 3 und 4 bzw. 5 zirkulieren zu lassen. Die Umschaltung zwischen beiden Systembereichen erfolgt durch ein Umschaltventil 6.
Der erste Systembereich 3 dient dem Kühlbetrieb und ist entsprechend auf übliche Weise mit einem Gaskühler 7, einem Zwischenwärmetauscher 8, einem Expansionsventil 9, einem Verdampfer 10 und einem Sammler 11 ausgerüstet, die in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind. Die im Kompressor 2 erzeugte Wärmeenergie wird somit im Gaskühler 7 und Zwischenwärmetauscher 8 abgegeben, bevor der Wärmeträger im Ventil 9 expandiert und abgekühlt den in einem Belüftungsgehäuse 12 angeordneten Verdampfer 10 durchströmt. In diesem steht er in Wärmeaustausch mit einem durch ein Gebläse erzeugten, durch die Pfeile 14 angedeuteten Luftstrom, der zur Klimatisierung dem nichtdargestellten Fahrgastraum eines Fahrzeuges zugeführt wird.
Der für den Heizbetrieb vorgesehene zweite Systembereich 4 oder 5 wird mittels des als Dreiwegeventil ausgeführten Umschaltventils 6 an Stelle des ersten Systembereichs 3 in Betrieb genommen. Dieser zweite Systembereich 4 bzw. 5 hat im wesentlichen zusätzlich zu dem zentralen Kompressor 2 nur ein Expansionsventil 16 und einen Heizwärmetauscher 17 bzw. 22, die in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind, so dass im Kompressor 2 erzeugte Wärmeenergie ohne vorherige Abkühlung diesem Heizwärmetauscher 17 bzw. 22 zugeführt wird. Durch die somit erheblich beschränkte Anzahl der Komponenten zeichnet sich dieser Systembereich 4 durch einen schnellen Druckaufbau bzw. eine hohe Arbeitsdynamik aus.
Eine saugseitige, dem ersten Systembereich 3 zuzuordnende Verbindungsleitung 18 zwischen beiden Systembereichen 3 und 4 bzw. 5 gewährleistet z. B. über ein Rückschlagventil 21 eine ausreichende Befüllung auch des zweiten Systembereiches 4 bzw. 5 mit dem z. B. aus Kohlendioxid bestehenden Wärmeträger. Um dabei den Maximaldruck im zweiten Systembereich 4 bzw. 5 auf ein bestimmtes Mass von z. B. 100 bar zu begrenzen, kann in der Verbindungsleitung 18 ausserdem ein Überdruckventils 35 vorgesehen sein, das bei Überschreitung eines bestimmten, von der vorgegebenen Kompressionsleistung des Kompressors 2 abhängigen, saugseitigen Maximaldruckes die Verbindung zum ersten Systembereich 3 freigibt.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist der Heizwärmetauscher 17, bezogen auf den Luftstrom 14, in Reihe hinter dem vom Kühlmedium des Fahrzeugmotors 19 beheizten Motorwärmetauscher 20 und mit diesem und dem Verdampfer 10 im gleichen, auch als Klimakasten bezeichneten Belüftungsgehäuse 12 angeordnet, so dass eine Beheizung des Verdampfers 10 vermieden wird.
Der Heizbetrieb aufgrund der vom Kompressor 2 zugeführten Wärmeenergie ermöglicht, z. B. zum schnellen Abtauen vereister Scheiben, eine sofortige Wärmezufuhr zum Fahrgastraum des Fahrzeuges, indem diesem über das Belüftungsgehäuse 12 bereits ein warmer Luftstrom zugeführt wird, bevor das Kühlmedium des Fahrzeugmotores als zweitem Wärmeträger über den Motorwärmeaustauscher 20 zur Erwärmung beitragen kann.
Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 2 und 3 erfolgt die beschleunigte Erwärmung des Fahrgastraumes verbunden mit einer beschleunigten Erwärmung des üblicherweise flüssigen Kühlmediums des Fahrzeugmotors 19. Hierzu ist ein Heizwärmetauscher 22 vorgesehen, in dem der in einem separaten Motorwärmekreislauf 23 zirkulierende zweite Wärmeträger in Wärmeaustausch mit dem unter Hochdruck gasförmig zirkulierenden ersten Wärmeträger des Systembereiches 5 in Wärmeaustausch steht. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass am Belüftungsgehäuse 12 keine konstruktiven Änderungen erforderlich sind, indem der Heizwärmetauscher 22 an beliebiger, geeigneter Stelle angeordnet werden kann. Er bildet ein Verbindungsglied zwischen dem Systembereich 4 bzw. 5 und dem Motorwärmekreislauf 23. Dieser für die Erwärmung des Fahrgastraumes erforderliche Motorwärmekreislauf 23 ist auf für Motorkühlungen übliche Weise zusätzlich zu einem über einen Thermostat zuschaltbaren und den äusseren Motorkühler 24 aufweisenden, zweiten Motorwärmekreislauf 25 vorgesehen. Entsprechend erfolgt bei dieser Ausführungsform die Wärmezufuhr zum Fahrgastraum allein durch den Motorwärmetauscher 20.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 erfolgt die Zirkulation des zweiten Wärmeträgers durch die am Fahrzeugmotor ohnehin vorhandene, nichtdargestellte Kühlwasserpumpe und wird durch ein Thermostatventil 26 gesteuert. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist an Stelle eines Thermostatventils 26 eine zusätzliche Umlaufpumpe 27 vorgesehen, die durch einen Temperaturfühler 28 gesteuert wird.
Der im Heizbetrieb über den Heizwärmetauscher 17 bzw. 22 ablaufende thermische Kreislaufprozess erfolgt im Zustandsdiagramm nach Mollier entlang einer im Dampfbereich verlaufenden, dreieckförmigen Kurve, mit isenthalper Expansion im Expansionsventil 16 und isobarer Wärmeabgabe im Heizwärmetauscher 17 bzw. 22.
Es sind auch Ausführungsformen der Erfindung möglich, bei denen die Expansion des im Kompressor 2 einstufig komprimierten dampfförmigen Wärmeträgers mehrstufig über mehrere Expansionsventile 29, 30,31, mit zwischen den Stufen erfolgender isobarer Wärmeabgabe, über mehrere in Reihe angeordnete Wärmetauscher 32, 33, 34 erfolgt, so dass gegenüber der einstufigen Verfahrensweise zwei senkrecht zueinander verlaufende Teile der Dreieckskurve des Mollier-Diagrammes durch einen stufenförmigen Kurvenbereich ersetzt werden. An Stelle einer mehrstufigen Expansion kann auch eine kontinuierliche Expansion, kombiniert mit einem dabei kontinuierlichen erfolgenden Wärmeaustausch, vorgesehen werden, indem der durch den Heizwärmetauscher 17 oder 22 führende Dampfkanal im Querschnitt so eng ausgeführt wird, dass in ihm die Drosselung des Dampfstromes bis auf den. Ansaugdruck des Kompressors 2 erfolgt. Im Mollier-Diagramm wird entsprechend der stufenförmige Kurvenverlauf des zuvor genannten Ausführungsbeispiels durch einen, flachen bogenförmigen Kurvenverlauf ersetzt.
Der Heizbetrieb mittels des Kompressors 2 über die Systembereiche 4 bzw. 5 wird nur bis zum Erreichen der Betriebstemperatur des Fahrzeugmotors 19 benötigt, da anschliessend eine ausreichende Beheizung über den im Motorwärmekreislauf 23 vorhandenen Motorwärmetauscher 20 erfolgen kann. Das Signal eines nichtdargestellten Temperaturfühlers im Motorwärmekreislauf 23 gewährleistet, dass bei Betriebstemperatur des Fahrzeugmotors 19 die Zuheizung über die Klimaanlage unterbrochen oder verhindert wird.

Claims

1. Klimaanlage zum Kühlen und Heizen eines Fahrzeuges aufgrund der Zirkulation mindestens eines Wärmeträgers, mit einem Kompressor (2), mindestens einem Expansionsventil (9, 16, 29-31), Wärmetauschern (7, 10, 17, 20, 22, 32-34) und mindestens einem Umschaltventil (6), die in einem mindestens zwei Systembereiche (3; 4, 5)bildenden Kanalsystem (1) angeordnet sind, wobei mindestens einer der Wärmetauscher ein in einem Belüftungsgehäuse (12) angeordneter Klimatisierungswärmetauscher (10, 17, 20) ist, ein erster (3) der Systembereiche für den Kühlbetrieb vorgesehen ist und ein zweiter Systembereich (4, 5) dem Heizen aufgrund der Kompressionsleistung des Kompressors (2) dient, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Systembereich (4, 5) zusätzlich zu dem Kompressor (2) mindestens ein Expansionsventil (16, 29-31) und mindestens einen Heizwärmetauscher (17, 22, 32-34) aufweist, der zusätzlich zu einem im ersten Systembereich (3)angeordneten Kühlwärmetauscher (10), von diesem räumlich getrennt, vorgesehen ist.

2. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizwärmetauscher (17) dem Belüftungsgehäuse (12) zugeordnet ist, so dass er relativ zu einem im ersten Kanalbereich (3) vorgesehenen Verdampfer (10) hinter diesem vom Luftstrom des Belüftungsgehäuses durchströmt wird.

3. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der im zweiten Systembereich (4, 5) zirkulierende Wärmeträger in einem Heizwärmetauscher (22) in Wärmeaustausch mit einem zweiten, im Motorwärmekreislaufes (23) des Fahrzeugmotors (19) zirkulierenden Wärmeträger steht.

4. Klimaanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Motorwärmekreislauf (23) eine durch einen Temperaturfühler (28) gesteuerte Zusatzpumpe (27) vorgesehen ist.

5. Klimaanlage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Motorwärmekreislauf (23) ein Thermostatventil (26) vorgesehen ist.

6. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizwärmetauscher des zweiten Kanalbereichs (5)in mehrere in Reihe angeordnete Wärmetauscherbereiche (32-34) unterteilt ist, wobei in Strömungsrichtung vor jedem Wärmetauscherbereich (32-34) ein Expansionsventil (29-31) vorgesehen ist, so dass die Expansion und der Wärmeaustausch mehrstufig erfolgen.

7. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den Heizwärmetauscher (17, 22) führende Gaskanal des zweiten Systembereiches (4, 5) im Querschnitt so eng ausgeführt wird, dass in ihm die Drosselung des Gasstromes bis auf den Ansaugdruck des Kompressors (2) erfolgt.

8. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass beide Systembereiche (3; 4, 5) durch eine saugseitig relativ zum Kompressor (19) angeschlossene Verbindungsleitung (18) miteinander verbunden sind.

9. Klimaanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungsleitung (18) ein Rückschlagventil (21) vorgesehen ist.

10. Klimaanlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungsleitung (18) ein Überdruckventil (35) vorgesehen ist.