DE10225469C1 - Heizungs- und/oder Klimaanlage - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Heizungs- oder Klimaanlage für eine Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeugs mit einem luftdurchströmten und wasserdurchflossenen Wärmetauscher (13), der in drei Wärmetauschersegmente (131, 132, 133) unterteilt ist, mit den Wärmetauschersegmenten zugeordneten, getrennten Luftleitkanälen (18-20; 18'-20'), die in verschiedenen Zonen des Fahrgastraums münden, und mit Mitteln zum Regeln des Wasserdurchflusses in zwei der Wärmetauschersegmente (131, 133). Zwecks Realisierung einer 4-Zonen-Klimatisierung mit der Möglichkeit einer voneinander unabhängigen Temperatureinstellung bei Verwendung eines einzigen, nur wenig modifizierten Wärmetauschers ist das dritte Wärmetauschersegment (132) vom Wasser dauerdurchströmt und dessen Heizleistung luftseitig geregelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizungs- und/oder Klimaanlage für die Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei einer bekannten Heizungsanlage dieser Art (DE 39 16 166 C2) liegen die drei Wärmetauschersegmente in Einbaulage des Wärmetauschers in Horizontalrichtung nebeneinander und die Mittel zum Regeln des Durchflusses des Wärmeübertragungsmediums sind als Taktventile ausgebildet, die in zu den beiden äußeren Wärmetauschersegmenten führenden, getrennten Zulaufleitungen angeordnet sind. Das dritte, mittlere Wärmetauschersegment ist so mit den beiden . äußeren Wärmetauscherzonen verbunden, daß es immer dann vom Wärmeübertragungsmedium durchflossen wird, wenn mindestens eines der getrennt ansteuerbaren Taktventile geöffnet ist. Werden die Taktventile mit gleicher Taktfrequenz gegensinnig gesteuert, so fließt das Wärmeübertragungsmedium stets während einer längeren Zeitdauer durch das mittlere Wärmetauschersegment als durch die äußeren Wärmetauschersegmente, so daß hier ein gegenüber den beiden äußeren Wärmetauschersegmenten höheres Temperaturniveau entsteht. Die Heizleistung des mittleren Wärmetauschersegments kann dadurch beeinflußt werden, daß die Ansteuersignale für die Taktventile gegeneinander phasenverschoben werden. Da an der mittleren Wärmetauscherzone die Luftleit- oder -führungskanäle zu dem Fond der Fahrgastzelle angeschlossen sind und diese bei im Vorbau angeordneter Heizungsanlage relativ lang sind, können mit der permanent höheren Heizleistung des mittleren Wärmetauschersegments die in den langen Leitungen unvermeidlichen Wärmeverluste kompensiert und der Fond mit gleich hoher Temperatur beaufschlagt werden wie die Fronträume von Fahrer und Beifahrer.

Bei einer ebenfalls bekannten Heizungs- oder Klimaanlage für die getrennte Temperaturregelung in vier Klimazonen der Fahrgastzelle, und zwar getrennt in linke und rechte Hälfte der Fahrgastzelle und in Fond und Front der Fahrgastzelle (DE 196 46 123 A1), ist der Wärmetauscher in vier Wärmetauschersegmente aufgeteilt, von denen in Einbaulage des Wärmetauschers jeweils zwei Wärmetauschersegmente vertikal übereinander und horizontal nebeneinander liegen. Jeweils einem Wärmetauschersegment ist einer der vier Klimazonen der Fahrgastzelle zugeordnet, und die in die entsprechenden Klimazonen führenden Luftleitkanäle sind an der Luftaustrittsfläche der vier verschiedenen Wärmetauschersegmenten des Wärmetauschers angeschlossen. Konstruktiv besteht der Wärmetauscher aus einem linken und rechten Teil. Die Zuführung des Wärmeübertragungsmediums erfolgt über eine zwischen diesen beiden Teilen angeordnete, mittlere Eintrittsöffnung, die das Wärmeübertragungsmedium in einen mittleren Sammelkasten führt, von dem aus es durch waagerechte Rohre zu den äußeren, linken und rechten Sammelkästen geleitet wird. Eine von dem mittleren Sammelkasten bis in die äußeren Sammelkästen reichende Trennwand trennt das obere Wärmetauschersegment von dem unteren Wärmetauschersegment. Den Sammelkastenabschnitten in den äußeren Sammelkästen sind jeweils Austrittsöffnungen zugeordnet, durch die das Wärmeübertragungsmedium wieder aus dem Wärmetauscher ausströmt. Die Heizleistung der oberen Wärmetauschersegmente werden durch Regelung des die Wärmetauschersegmente durchströmenden Wärmemittelübertragungsmediums und die Heizleistung der unteren Wärmetauschersegmente durch Regelung der die einzelnen Wärmetauschersegmente durchströmenden Luft geregelt. Da die unteren Wärmetauschersegmente dem Fond zugeordnet sind, läßt sich eine weitgehende unabhängige Temperatureinstellung zwischen Frontraum einerseits und Fond andererseits ermöglichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heizungs- oder Klimaanlage für die unabhängige Temperatureinstellung von vier Zonen in der Fahrgastzelle zu schaffen, die einen konstruktiv einfachen Wärmetauscher aufweist.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Heizungs- oder Klimaanlage hat den Vorteil, daß zur Realisierung der unabhängigen 4-Zonen- Temperierung in der Fahrgastzelle nur ein einziger Wärmetauscher erforderlich ist, der gegenüber den herkömmlichen Wärmetauschern baulich nur wenig modifiziert zu werden braucht und keine zusätzliche Mittel zur Führung des Wärmeübertragungsmediums durch das dritte Wärmetauschersegment erforderlich macht. Durch die luftseitige Regelung der Heizleistung des dritten Wärmetauschers kann die Temperatur im Fond unabhängig von der Temperatur im Frontraum eingestellt werden, und zwar deutlich niedriger oder höher.

Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Heizungs- oder Klimaanlage mit zweckmäßigen Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Patentansprüche angegeben.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt das dritte Wärmetauschersegment als mittleres Wärmetauschersegment zwischen den beiden anderen Wärmetauschersegmenten als äußere Wärmetauschersegmente und der Wärmetauscher ist in Einbaulage vertikal ausgerichtet, so daß die das Wärmeübertragungsmedium führenden, parallelen Rohren vertikal verlaufen und ihre Rohrenden von einem oberen und unteren Sammelkasten für das Wärmeübertragungsmedium überdeckt sind. Einer der beiden Sammelkästen ist entsprechend den drei Wärmetauschersegmenten in drei voneinander abgeschottete Segmentabschnitte unterteilt, die jeweils einen eigenen Anschlußstutzen zum Anschluß einer Zu- oder Ablaufleitung für das Wärmeübertragungsmedium aufweisen. Durch diese Ausbildung des Wärmetauschers beschränkt sich die erforderliche Modifikation gegenüber den herkömmlichen Wärmetauschern nur auf einen Sammelkasten, und nur insoweit, als dieser in drei Abschnitte unterteilt und in jedem Abschnitt ein separater Anschlußstutzen für den Zu- oder Ablauf des Wärmeübertragungsmittels vorgesehen werden muß.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist auch der andere Sammelkasten in drei voneinander separierte Abschnitte unterteilt, von denen jeder einen Anschlußstutzen zum Anschließen einer Zu- oder Ablaufleitung für das Wärmeübertragungsmedium trägt. Dadurch erhält man eine zwangsgeführte Aufteilung der den Wärmetauscher durchströmenden Volumenströme des Wärmeübertragungsmediums auf die drei einzelnen Wärmetauschersegmente.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:

Fig. 1 eine Draufsicht eines Klimakastens einer Klimaanlage für die Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeugs,

Fig. 2 eine Frontansicht eines Wärmetauschers im Klimakasten gemäß Fig. 1 in seiner Anbindung an den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs.

Die in Fig. 1 und 2 insgesamt schematisch dargestellte Klimaanlage für den Fahrgastraum oder die Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeugs weist einen üblicherweise im Vorbau des Kraftfahrzeugs angeordneten Klimakasten 10 auf, in dem in Luftströmungsrichtung hintereinander ein Gebläse 11, ein Verdampfer 12 und ein Wärmetauscher 13 angeordnet sind. Der Verdampfer 12 ist in bekannter Weise in einem Kältemittelkreislauf angeordnet und kühlt die vom Gebläse 11 durch den Klimakasten 10 hindurchgeblasene Luft ab. Der Wärmetauscher 13 ist - wie Fig. 2 zeigt - in den Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine 14 eingebunden, in dem mittels einer Wasserpumpe 15 das von der Brennkraftmaschine aufgeheizte Kühlwasser dem Wärmetauscher 13 zugeführt wird, diesen durchströmt und zum erneuten Aufheizen an die Brennkraftmaschine 14 zurückgeführt wird. Durch den solchermaßen aufgeheizten Wärmetauscher 13 wird die den Wärmetauscher 13 durchströmende Gebläseluft des Gebläses 11 erwärmt. Die erwärmte Luft strömt in Luftführungs- oder Luftleitkanäle, die im Innern der Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs münden und hier über Luftaustrittsöffnungen die Luft in verschiedene Zonen der Fahrgastzelle einblasen.

Um in vier verschiedenen Klimazonen der Fahrgastzelle, und zwar in der rechten und linken Hälfte des Frontraums und in der linken und rechten Hälfte des Fonds, eine gewünschte Temperatur unabhängig einstellen zu können, ist der Wärmetauscher 13 in drei Wärmetauschersegmente 131, 132, 133 unterteilt. Die beiden äußeren Wärmetauschersegmente 131, 133 sind wasserseitig und das mittlere Wärmetauschersegment 132 ist luftseitig in ihrer bzw. seiner Heizleistung geregelt. Dem mittleren Wärmetauschersegment 132 sind ausgangsseitig zwei Luftleitkanäle 16, 17 zugeordnet, von denen der Luftleitkanal 16 zu der linken Hälfte des Fondraums der Fahrgastzelle und der Luftleitkanal 17 zur rechten Hälfte des Fondraums führt. Dem linken äußeren Wärmetauschersegment 131 ist ein Luftkanal 18, der im Fußraum der linken Hälfte des Frontraums der Fahrgastzelle mündet, ein Luftleitkanal 19 der in der Mittelebene der linken Hälfte des Frontraums mündet, und ein Luftleitkanal 20 zugeordnet, der in der linken Hälfte des Frontraums an der Frontscheibe mündet und einer Entfrosterfunktion dient. In gleicher Weise ist dem rechten äußeren Wärmetauschersegment 133 ein Luftleitkanal 18', der in der rechten Hälfte des Fußraums im Frontraum mündet, ein Luftleitkanal 19', der in der Mittelebene der rechten Hälfte des Frontraums mündet, und ein Luftleitkanal 20' zugeordnet, der in der rechten Hälfte des Frontraums an der Frontscheibe mündet und hier zur Entfrostung dient. Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung der Luftleitkanäle 18-20 und 18'-­ 20' ist nur schematisch und stellt nicht die eigentliche, räumliche Zuordnung der Luftleitkanäle zu der Ausgangsseite des Wärmetauschers 13 dar, bei der z. B. die Luftleitkanäle 18, 19 und 18' und 19' vertikal übereinander von der Luftaustrittsfläche des Wärmetauschers 13 abführen. Zur Beaufschlagung der Luftleitkanäle 19, 20 bzw. 19' und 20' mit Frisch- oder Kaltluft sind um den Wärmetauscher 13 seitlich vorbeiführende Bypässe 21, 21' vorgesehen, in denen jeweils eine schwenkbare Luftklappe 22 bzw. 22' angeordnet ist. Mittels der Luftklappen 22, 22' können die Bypässe 21, 21' mit einstellbarem Öffnungsquerschnitt freigegeben oder vollständig abgeschlossen werden. Zur Aufteilung der in die Luftleitkanäle 19 und 20 bzw. 19' und 20' einströmenden Frisch- oder Warmluft ist eine schwenkbare Luftverteilklappe 23 bzw. 23' vorgesehen, die je nach Schwenkstellung eine größere Luftmenge in den Luftleitkanal 19 oder 20 bzw. 19' oder 20' einströmen läßt.

Wie in Fig. 2 schematisch angedeutet ist, weist der Wärmetauscher 13 eine Vielzahl von parallelen Rohren 24 auf, die sich vertikal zwischen einem unteren Sammelkasten 25 für das zufließende Kühlwasser, üblicherweise Wasserkasten genannt, und einem oberen Sammelkasten 26 für das abfließende Kühlwasser erstrecken und in diesen frei münden. Der obere Sammelkasten 26 ist entsprechend den drei Wärmetauschersegmenten 131, 132, 133 in drei Kastenabschnitte unterteilt, die gegeneinander abgeschottet und jeweils mit einem eigenen Anschlußstutzen 27, 28, 29 versehen sind. Jeder Anschlußstutzen 27, 28, 29 ist mit einer Rücklauf- oder Ablaufleitung 30, 31, 32 verbunden, die an den Pumpeneingang der Wasserpumpe 15 führen. Der Pumpenauslaß der Wasserpumpe 15 ist mit der Brennkraftmaschine 14 verbunden, und das von der Brennkraftmaschine 14 erwärmte Kühlwasser wird über eine Vor- oder Zulaufleitung 33 zum Anschlußstutzen 34 am unteren Sammelkasten 26 geführt.

In den Ablaufleitungen 30, 32 von den beiden äußeren Wärmetauschersegmenten 131 und 133 sind Mittel zum Regeln der Wasserdurchflußmenge angeordnet, die im Ausführungsbeispiel als Taktventile 35, 36 ausgebildet sind. Die beiden Taktventile 35, 36 werden unabhängig voneinander gesteuert, und durch die Variation von Frequenz und Öffnungsdauer der Taktventile 35, 36 wird die durch die beiden äußeren Wärmetauschersegmente 131, 133 fließende Wassermenge und damit die Heizleistung der beiden äußeren Wärmetauschersegmente 131, 133 eingestellt. In der Ablaufleitung 31 für das mittlere Wärmetauschersegment 132 finden sich solche Regelungsmittel nicht, so daß das mittlere Wärmetauschersegment 132 vom Kühlwasser permanent durchströmt ist und immer die gleiche Heizleistung abgibt. Die Einstellung der Temperatur im Fond der Fahrgastzelle erfolgt über die Regelung der das mittlere Wärmetauschersegment 132 durchströmenden und in die Luftleitkanäle 16, 17 für den Fond einströmenden Luftmenge. Hierzu sind die an der Luftaustrittsfläche des mittleren Wärmetauschersegments 132 unmittelbar anschließenden Öffnungen der Luftleitkanäle 16, 17 mittels getrennter Steuerklappen 37, 38 verschließbar oder freigebbar, wobei die Lufteinströmquerschnitte der Luftleitkanäle 16, 17 verändert werden können. Alternativ können die Steuerklappen 37, 38 auch auf der Lufteintrittsseite des mittleren Wärmetauschersegments 132 angeordnet werden.

In einer Modifizierung des Wärmetauschers 13 ist vorgesehen, auch den unteren Sammelkasten 25 in drei voneinander abgeschottete Kastenabschnitte zu unterteilen und jedem Kastenabschnitt einen separaten Anschlußstutzen zuzuordnen, wie dies in Fig. 2 strichliniert eingezeichnet ist. Die Zulaufleitung 33 wird dann über einen Verteiler an alle drei Anschlußstutzen des Sammelkastens 25 angeschlossen. Die zusätzliche Unterteilung auch des unteren Wasserkastens 25 führt zu einer zwangsweisen Aufteilung der die Wärmetauschersegmente 131-133 durchfließenden Wassermengen, so daß beispielsweise in längeren Schließzeiten der Taktventile 35, 36 nicht eine erhöhte Wassermenge durch das mittlere Wärmetauschersegment 132 fließt.

Gemäß einer weiteren, hier nicht dargestellten Modifizierung können die beiden Kastenabschnitte im Sammelkasten 25, die den beiden äußeren Wärmetauschersegmenten 131, 133 zugeordnet sind, miteinander verbunden sein.

Selbstverständlich ist es auch möglich, die Taktventile 35, 36 in zu dem Wärmetauscher 13 führenden Zulaufleitungen anzuordnen. In diesem Fall müßte die Wasserpumpe 16 in dem Kühlwasserkreislauf über den Wärmetauscher 13 so angeordnet sein, daß ihr Pumpeneinlaß zur Brennkraftmaschine 14 weist. Alternativ kann auch anstelle des oberen Sammelkasten 25 der untere Sammelkasten 26 in die drei Kastenabschnitte unterteilt werden und an jedem Kastenabschnitt eine von der Brennkraftmaschine kommende, separate Zulaufleitung angeschlossen werden. Die Taktventile sind dann in den Zulaufleitungen zu den beiden Kastenabschnitten anzuordnen, die den beiden äußeren Wärmetauschersegmenten 131, 133 zugehörig sind.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel einer Klimaanlage beschränkt, sondern in gleicher Weise in einer reinen Heizungsanlage zu realisieren, die sich von der beschriebenen Klimaanlage nur dadurch unterscheidet, daß der im Klimakasten 10 dem Wärmetauscher 13 vorgeordneter Verdampfer 12 entfällt.

Claims (12)

1. Heizungs- oder Klimaanlage für eine Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeugs, mit einem von Luft durchströmten und von einem Wärmeübertragungsmedium durchflossenen Wärmetauscher (13), der in drei Wärmetauschersegmente (131, 132, 133) unterteilt ist, mit den Wärmetauschersegmenten zugeordneten, getrennten Luftleitkanälen (18-20; 18'-20'), die in verschiedenen Zonen des Fahrgastraums münden, und mit Mitteln zum Regeln des Durchflusses des Wärmeübertragungsmediums in zwei der drei Wärmetauschersegmente (131, 133), dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Wärmetauschersegment (132) unabhängig von den beiden anderen Wärmetauschersegmenten (131, 133) vom Wärmeübertragungsmedium permanent durchströmt ist und dem dritten Wärmetauschersegment (132) Mittel zum Regeln der es durchströmenden Luft zugeordnet sind.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem dritten Wärmetauschersegment (132) zugeordneten Luftleitkanäle (16, 17) in der linken und rechten Hälfte des Fond und die den beiden anderen Wärmetauschersegmenten (131, 133) zugeordneten Luftleitkanäle (18-20, 18'-20') in der linken und rechten Hälfte des Frontraums der Fahrgastzelle münden.

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Wärmetauschersegment als mittleres Wärmetauschersegment (132) zwischen den beiden anderen Wärmetauschersegmenten als äußere Wärmetauschersegmente (131, 133) liegt.

4. Anlage nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (13) eine Vielzahl von parallelen Rohren (34) aufweist, die in je einem die Rohrenden überdeckenden Sammelkasten (25, 26) für das Wärmeübertragungsmedium münden, und daß mindestens einer der beiden Sammelkästen (25, 26) entsprechend den drei Wärmetauschersegmenten (131-133) in drei räumlich voneinander abgeschottete Kastenabschnitte (261, 262, 263) unterteilt ist, die jeweils einen eigenen Anschlußstutzen (27, 28, 29) zum Anschließen einer Zu- oder Ablaufleitung (30, 31, 32) aufweisen.

5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Einbaulage des Wärmetauschers (13) die Rohre (24) vertikal verlaufen und ein Sammelkasten (25) unten und ein Sammelkasten (26) oben liegt.

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertragungsmedium dem unteren Sammelkasten (25) zu- und von dem oberen Sammelkasten (26) abgeführt ist.

7. Anlage nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Regeln des Durchflusses in den Ablaufleitungen (30, 32) angeordnet sind, die an den Anschlußstutzen (27, 29) der beiden den äußeren Wärmetauschersegmenten (131, 133) zugehörigen Kastenabschnitte (261, 263) angeschlossenen sind.

8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Regeln des Durchflusses Taktventile (35, 36) aufweisen.

9. Anlage nach einem der Ansprüche 4-8, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Sammelkasten (25) in gleicher Weise in drei voneinander abgeschottete Kastenabschnitte (251, 252, 253) unterteilt ist, von denen jeder einen Anschlußstutzen (34) zum Anschließen einer Zu- oder Ablaufleitung für das Wärmeübertragungsmedium aufweist.

10. Analge nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche 4-8, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Sammelkasten (25) in gleicher Weise in drei voneinander abgeschottete Kastenabschnitte (251, 252, 253) unterteilt ist, von denen die beiden den äußeren Wärmetauschersegmenten (131, 133) zugehörigen Kastenabschnitte (251, 253) miteinander in Verbindung stehen, und daß der dem mittleren Wärmetauschersegment (132) zugehörigen Kastenabschnitt (262) und mindestens einer der den beiden äußeren Wärmetauschersegmenten (131, 133) zugehörigen Kastenabschnitte (251, 251) jeweils einen Anschlußstutzen für eine Zu- oder Ablaufleitung aufweisen.

11. Anlage nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (13) im Kühlwasserkreislauf einer Brennkraftmaschine (14) eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist und daß das Wärmeübertragungsmedium das im Kühlwasserkreislauf umlaufende Kühlwasser ist.

12. Anlage nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Regeln des Luftstroms der das mittlere Wärmetauschersegment (132) durchströmenden Luft Steuerklappen (37, 38) aufweisen, die dem dritten Wärmetauschersegment (132) in Luftströmungsrichtung vor- oder nachgeordnet sind.