DE10318007B4

DE10318007B4 - Heiz-/Klimaanlage für Fahrzeuge

Info

Publication number: DE10318007B4
Application number: DE10318007.9A
Authority: DE
Inventors: Hary Geiger; Dr. Mager Robert
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2003-04-22
Filing date: 2003-04-22
Publication date: 2015-12-10
Anticipated expiration: 2023-04-23
Also published as: DE10318007A1

Abstract

Heiz-/Klimaanlage (1) für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor (3), mit • einem ersten Wärmeübertrager (4), der von Umgebungsluft durchströmt ist, • einem zweiten Wärmeübertrager (5), der durch mindestens zwei Teil-Wärmeübertrager (10, 11) gebildet und zum Kühlen und zum Heizen des Fahrgastraums (7) vorgesehen ist, und • einem Verdichter (2), wobei • die beiden Wärmeübertrager (4, 5) und der Verdichter (2) über Fluidleitungen (20–26) zu einem Heiz-/Klimakreislauf miteinander verbunden sind, • die Heiz-/Klimaanlage (1) unabhängig vom Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors (3) arbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teil-Wärmeübertrager (10, 11) des zweiten Wärmeübertragers (5) unabhängig voneinander in folgenden Betriebsarten arbeiten können: – Kühlbetrieb – Heizbetrieb – Undurchströmter Betrieb, wobei in einer Betriebsart, in der der Teil-Wärmeübertrager (10) zur Kühlung des Fahrgastraumes geschaltet ist, der andere Teil-Wärmeübertrager (11) des zweiten Wärmeübertragers (5) zur Trocknung auf Beheizung geschaltet ist, wobei er mittels einer Klappe oder Jalousie gegenüber dem Fahrgastraum abgesperrt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heiz-/Klimaanlage für Fahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des Patenanspruches 1.
Eine derartige Heiz-/Klimaanlage ist aus der DE 100 36 038 A1 bekannt. Zum technischen Hintergrund der Erfindung zählt die DE 198 55 309 A1 .
Herkömmliche Fahrzeugklimaanlagen weisen einen Kältemittelkreislauf und einen separaten Heizkreislauf auf. Der Heizkreislauf ist bislang üblicherweise an den Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors angeschlossen. Heizleistung steht somit erst dann zur Verfügung, wenn der Motor warmgelaufen ist und das Kühlmittel des Verbrennungsmotors eine hinreichend hohe Temperatur erreicht hat, dass eine Beheizung des Innenraums möglich ist. Insbesondere bei modernen Dieselmotoren besteht das Problem, dass die vom Verbrennungsmotor an das Kühlmittel abgegebene Wärme bei tiefen Außentemperaturen nicht ausreicht, den Fahrgastraum angemessen zu heizen. Da bei herkömmlichen Heiz-/Klimaanlagen der Heizkreislauf an den Motorkühlkreislauf angeschlossen ist, ergeben sich im Motorraum Bauraumengpässe, d. h. Probleme bei der räumlichen Anordnung einzelner Komponenten der Heiz-/Klimaanlage.
Es sind motorunabhängige Heizkreisläufe für Fahrzeuge bekannt, die als Standheizungen eingesetzt werden können und die durch Kraftstoffverbrennung betrieben werden.
Es wurde bereits erwogen, den Kältemittelkreislauf herkömmlicher Heiz-/Klimaanlagen durch „Strömungsumkehr” als Wärmepumpe auch für den Heizbetrieb zu nutzen. Problematisch hierbei ist, dass bei einer Strömungsumkehr das an den Lamellen des Verdampfers angelagerte Kondenswasser wieder an die
Luft abgegeben wird. Im Wärmepumpenbetrieb wird nämlich der „feuchte” Verdampfer aktiv beheizt, was zur Folge hat, dass das an den Lamellen angelagerte Wasser ausgetrieben wird. Im Fahrgastraum führt dies zu dem typischen ”Waschküchengeruch” und zu unerwünschtem Scheibenbeschlag.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Heiz-/Klimaanlage zu schaffen, bei der die o. g. Probleme vermieden werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Das Grundprinzip der Erfindung besteht in einem Heiz-/Klimakreislauf mit einem ”Außen-Wärmeübertrager”, der im Folgenden als „erster Wärmeübertrager” bezeichnet wird, und einem ”Innen-Wärmeübertrager”, der zum Kühlen und zum Heizen des Fahrgastraums vorgesehen ist und der im Folgenden als „zweiter Wärmeübertrager” bezeichnet wird. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Heiz-/Kühlkreislauf unabhängig vom Motorkühlkreislauf des Verbrennungsmotors arbeitet und dass der zum Kühlen und zum Heizen des Fahrgastraums vorgesehene zweite Wärmeübertrager durch mindestens zwei ”Teil-Wärmeübertrager” gebildet ist, die unabhängig voneinander in jeweils einer der folgenden Betriebsarten arbeiten können:

– Kühlbetrieb oder
– Heizbetrieb oder
– undurchströmter Betrieb.

Für den Betrieb des Heiz-/Klimakreislaufs ist ein Verdichter vorgesehen, der mechanisch durch den Verbrennungsmotor oder elektrisch angetrieben sein kann. Wesentlich ist, dass der Heiz-/Klimakreislauf zum Heizen des Fahrgastraums als Wärmepumpe arbeitet. Der Heiz-/Klimakreislauf wird also auch im Heizbetrieb vom Verdichter „betrieben” und arbeitet somit unabhängig vom Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors. Der Übergang vom Heizbetrieb in den Kühlbetrieb bzw. umgekehrt erfolgt durch Strömungsumkehr im Heiz-/Klimakreislauf.
Ganz wesentlich für die Vermeidung von Scheibenbeschlag beim Umschalten in den Heizbetrieb ist, dass der zweite Wärmeübertrager durch mindestens zwei Teil-Wärmeübertrager gebildet ist. Durch geeignete Ansteuerung der beiden Teil-Wärmeübertrager kann sichergestellt werden, dass immer mindestens einer der beiden Teil-Wärmeübertrager gerade getrocknet wird oder getrocknet ist und zur Umschaltung in den Heizbetrieb bereit steht. „Trocknen” bedeutet, das außen an den Lamellen angelagertes Wasser ausgetrieben wird und zwar vor einer Umschaltung in den Heizbetrieb. Dadurch wird ein unerwünschter „Feuchtigkeitseintrag” in den Fahrgstraum vermieden. Während des Heizbetriebs können entweder einer oder beide Teil-Wärmeübertrager des zweiten Wärmeübertragers zum Heizen verwendet werden.
Zusammenfassend werden mit der Erfindung folgende Vorteile erreicht:

– Heizen und Kühlen in einem autarken, motorenabhängigen System über den Klimakreislauf
– Bauraumvorteile durch Entfall eines Wärmeübertragens im Klimagerät und durch Entfall des Heizkreislaufs im Motorraum (Kühlmittelschläuche, Wasserventil, Zusatzwasserpumpe, Reduzierung Kühlmittel etc.)
– Verbrauchs- und Emissionsreduzierung durch schnellere Motorerwärmung und kein Entzug von Motorwärme durch „normales” Heizen
– Kosten- und Gewichtsvorteile

Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Die einzige 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Heiz-/Klimaanlage sowie im unteren Teil der 1 die verschiedenen „Betriebszustandskombinationen” des zweiten Wärmeübertragers.
1 zeigt schematisch den Schaltplan einer Heiz-/Klimaanlage 1 für Fahrzeuge, insbesondere für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Die Heiz-/Klimaanlage 1 weist einen Verdichter 2 auf, der mechanisch durch einen Verbrennungsmotor 3 angetrieben ist. Alternativ dazu könnte der Verdichter 2 auch elektrisch angetrieben sein. Wesentlich ist, dass die Heiz-/Klimaanlage 1 unabhängig vom Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors 3 arbeitet.
Die Heiz-/Klimaanlage 1 weist einen ersten Wärmeübertrager 4 und einen zweiten Wärmeübertrager 5 auf. Der erste Wärmeübertrager 4 wird im Folgenden auch als ”Außen-Wärmeübertrager” bezeichnet. Er wird von Umgebungsluft durchströmt. Der zweite Wärmeübertrager 5 ist hinter einem Stirnwanddurchtritt 6 in Fahrgastraumnähe angeordnet und zum Kühlen und zum Heizen des Fahrgastraums 7 vorgesehen.
Der erste Wärmeübertrager 4 besteht aus zwei Teil-Wärmeübertragern 8, 9, die hier senkrecht zur Zeichenebene von Luft durchströmt werden. Der zweite Wärmeübertrager 5 besteht ebenfalls aus zwei Teil-Wärmeübertragern 10, 11 und wird ebenfalls senkrecht zur Zeichenebene von Luft durchströmt.
Die Teil-Wärmeübertrager 8, 9 sind über Verbindungsleitungen 12, 13 mit einem ersten Schaltventil A verbunden und über Verbindungsleitungen 14, 15 mit einem Schaltventil B. Dementsprechend sind auch die Teil-Wärmetauscher 10, 11 über Verbindungsleitungen 16, 17 mit einem dritten Schaltventil C und über Verbindungsleitungen 18, 19 mit einem vierten Schaltventil D verbunden. Die Schaltventile A und D sind über Verbindungsleitungen 20, 21–24 und die Schaltventile B und C sind über Verbindungsleitungen 25, 26 miteinander verbunden. In der Verbindungsleitung 23 ist ein Trockner 27 angeordnet, der zur Abscheidung von Wasser vorgesehen ist. Die Verbindungsleitungen 22, 23 sind über einen kreisprozessinternen Wärmetauscher 28 mit der Verbindungsleitung 26 thermisch gekoppelt.
Die Teil-Wärmeübertrager 10, 11 des Wärmeübertragens 5 können jeweils unabhängig voneinander einen der folgenden Betriebszustände einnehmen:

– Kühlbetrieb oder
– Heizbetrieb oder
– undurchströmter Betrieb.

Insgesamt ergeben sich somit neun verschiedene Betriebsarten, die im folgenden näher erläutert werden.
In einer ersten Betriebsart arbeiten die beiden Teilwärmetauscher 10, 11 beide im Kühlbetrieb. In dieser Betriebsart pumpt der Verdichter 2 über das Schaltventil A Kältemittel durch die beiden Teil-Wärmeübertrager 8, 9 des Wärmeübertragers 4 und weiter über das Schaltventil B durch die Leitung 26 zum Schaltventil C und von dort durch die beiden Teil-Wärmeübertrager 10, 11 zum Schaltventil D. Vom Schaltventil D wird das Kältemittel durch den Trockner 27 und den kreisprozessinternen Wärmetauscher 28 zurück zum Verdichter 2 gesaugt. In dieser Betriebsart arbeiten die beiden Teil-Wärmeübertrager 10, 11 des ”Fahrgastraum-Wärmeübertragers” 5 im Kühlbetrieb.
In einer zweiten Betriebsart arbeiten die Teil-Wärmeübertrager 8, 10 im Heizbetrieb und die Teil-Wärmeübertrager 9, 11 im Kühlbetrieb, was durch entsprechende Ansteuerung der Schaltventile A, B, C und D erreicht wird. Während der Fahrgastraum über den Teilwärmeübertrager 11 gekühlt wird, wird der andere Teilwärmeübertrager 10 des „Fahrgastraum-Wärmeübertragers 5” beheizt, d.h. getrocknet, wobei er z. B. durch eine Klappe, Jalousie o. ä. gegenüber dem Fahrgastraum abgesperrt ist. Hierbei wird an den Lamellen des Teilwärmeübertragers 10 angelagertes Wasser ausgetrieben, ohne dass es in den Fahrgastraum gelangt.
Durch entsprechende Ansteuerung der Schaltventile A–D kann eine „Vertauschung der Betriebsarten” erreicht werden, wobei dann der Teil-Wärmeübertrager 10 im Kühlbetrieb und der Teil-Wärmeübertrager 11 im Heizbetrieb arbeitet. Die Teil-Wärmeübertrager 9, 10 arbeiten dann also im Wärmepumpenbetrieb und die Teil-Wärmeübertrager 8, 11 im Kühlbetrieb.
Alternativ dazu können die Schaltventile A–D so angesteuert werden, dass sämtliche Teil-Wärmeübertrager 8–11 im Wärmepumpenbetrieb, d. h. im Heizbetrieb arbeiten. Der Fahrgastraum 7 wird dann gleichzeitig über beide Teil-Wärmeübertrager 10, 11 beheizt.
Weiter kann durch entsprechende Ansteuerung der Schaltventile A–D erreicht werden, dass die Teil-Wärmeübertrager 8, 9, 11 im Kühlbetrieb arbeiten und der Teil-Wärmeübertrager 10 abgesperrt, d. h. nicht durchströmt ist. Der Teil-Wärmeübertrager 10 befindet sich dann im ”Trocknungsbetrieb”.
Umgekehrt können die Ventile A–D so angesteuert werden, dass die Teil-Wärmeübertrager 8–10 im Kühlbetrieb arbeiten und der Teil-Wärmeübertrager 11 abgesperrt ist oder sich im Trocknungsbetrieb befindet.
Eine weitere Betriebsart zeichnet sich dadurch aus, dass die Teil-Wärmeübertrager 8, 9, 11 im Wärmepumpenbetrieb, d. h. im Heizbetrieb arbeiten und der Teil-Wärmeübertrager 10 abgesperrt ist oder getrocknet wird.
Umgekehrt können die Schaltventile A–D so angesteuert werden, dass die Teil-Wärmeübertrager 8–10 im Wärmepumpenbetrieb bzw. im Heizbetrieb arbeiten und der Teil-Wärmeübertrager 11 abgesperrt ist und somit getrocknet wird.
Schließlich können bei ausgeschalteter Klimaanlage auch beide Teil-Wärmeübertrager 10, 11 abgesperrt sein oder getrocknet werden.
Zusammenfassend kann der Betriebszustand ”Heizen” oder ”Kühlen” wahlweise an einem der beiden Teil-Wärmeübertrager 10, 11 des ”Fahrgastraum-Wärmeübertragers” 5 oder an beiden Teil-Wärmeübertragern 10, 11 gleichzeitig eingestellt werden. Je nach Bedarf kann auch nur einer der beiden Teil-Wärmeübertrager 10, 11 ”Fahrgastraum-Wärmeübertragers” 5 betrieben werden, d. h. einer der beiden Teil-Wärmeübertrager 10, 11 ist dann undurchströmt.
Bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die beiden Wärmeübertrager 4, 5 jeweils durch zwei Teil-Wärmeübertrager 8, 9 und 10, 11 gebildet. Alternativ dazu können die Wärmeübertrager 4, 5 auch aus drei oder mehreren Teil-Wärmeübertragern bestehen.

Claims

Heiz-/Klimaanlage (1) für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor (3), mit • einem ersten Wärmeübertrager (4), der von Umgebungsluft durchströmt ist, • einem zweiten Wärmeübertrager (5), der durch mindestens zwei Teil-Wärmeübertrager (10, 11) gebildet und zum Kühlen und zum Heizen des Fahrgastraums (7) vorgesehen ist, und • einem Verdichter (2), wobei • die beiden Wärmeübertrager (4, 5) und der Verdichter (2) über Fluidleitungen (20–26) zu einem Heiz-/Klimakreislauf miteinander verbunden sind, • die Heiz-/Klimaanlage (1) unabhängig vom Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors (3) arbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teil-Wärmeübertrager (10, 11) des zweiten Wärmeübertragers (5) unabhängig voneinander in folgenden Betriebsarten arbeiten können: – Kühlbetrieb – Heizbetrieb – Undurchströmter Betrieb, wobei in einer Betriebsart, in der der Teil-Wärmeübertrager (10) zur Kühlung des Fahrgastraumes geschaltet ist, der andere Teil-Wärmeübertrager (11) des zweiten Wärmeübertragers (5) zur Trocknung auf Beheizung geschaltet ist, wobei er mittels einer Klappe oder Jalousie gegenüber dem Fahrgastraum abgesperrt ist.
Heiz-/Klimaanlage (1) nach Anspruch 1, wobei auch der erste Wärmeübertrager (4) durch mindestens zwei Teil-Wärmeübertrager (8, 9) gebildet ist, wobei die beiden Teil-Wärmeübertrager (8, 9) des ersten Wärmeübertragers (4) unabhängig voneinander in folgenden Betriebsarten arbeiten können: – Kühlbetrieb – Heizbetrieb – Undurchströmter Betrieb.
Heiz-/Klimaanlage (1) nach Anspruch 2, wobei die Teil-Wärmeübertrager (4, 5) jeweils einen Fluideingang und einen Fluidausgang (12–19) aufweisen und dass die Fluideingänge und die Fluidausgänge (12–19) jeweils über ein Schaltventil (A, B, C, D) mit den Fluidleitungen (20–26) des Heiz-/Klimakreislaufs verbunden sind.