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Regelgerät für Heiz- und Kühleinrichtungen in Klimaanlagen, vorzugsweise
für Heiz- und Kühleinrichtungen in Kraftfahrzeugen Die Erfindung betrifft ein Regelgerät
für Heiz- und Kühleinrichtungen in Klimaanlagen, vorzugsweise für Heiz- und Kühleinrichtungen
in Kraftfahrzeugen.
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Bei Einrichtungen der genannten Art treten im allgemeinen bei der
Regelung kleiner Wärmemengen große Schwierigkeiten auf. So bringt beispielsweise
bei Fahrzeugen mit wassergekühlten Motoren eine geringe kontinuierliche durch einen
Wärmetauscher strömende Warmwassermenge schon eine relativ Große Heizleistung. Eine
genaue Regelung der Heizleistung von der Warmwasserseite her erfordert deshalb eine
sehr feinstufige Abstimmung der Durchflußmenge. Durch ein normales Ventil ist die
zu fordernde feinstufige Abstimmung der Durchflußmenge nicht möglich. Eine Abhilfe
durch Vergrößerung des Betätigungsweges im ersten C)ffnungsabschnitt des Ventils
erfordert einen verhältnismäßig großen Aufwand und ist daher unbefriedigend.
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Eine geeignete Lösung besteht darin, daß der Warmwasserstrom durch
den Heizkörper in bestimmten Abständen unterbrochen wird. Der Erfindung liegt daher
die Aufgabe zugrunde, eine Regeleinrichtung zu schaffen, um einen bestimmten, vorwählbaren
Temperaturzustand durch Zu- bzw. Abschaltung von Heiz- oder Kühlmitteln automatisch
aufrechtzuerhalten. Demgemäß besteht die Erfindung im wesentlichen darin, daß bei
einem Regelgerät für Heiz- und Kühleinrichtungen in Klimaanlagen, vorzugsweise für
Heiz- und Kühleinrichtungen in Kraftfahrzeugen, ein elektronischer Schalter in Abhängigkeit
von der Differenz zwischen einer vorwählbaren und einer gemessenen Temperatur Steuermittel
für Wärme- oder Kältezufuhr betätigt. Durch diese automatische Regelung der Durchflußzeiten
im Verhältnis zu den Unterbrechungszeiten kann die Heizleistung beliebig reguliert
werden. Die relativ große Trägheit eines Wärmetauschers wirkt sich dabei insofern
günstig aus, als größere Schwankungen der Lufttemperatur im Wärmetauscher-Austritt
vermieden werden. Bei der erfindungsgemäßen Abschaltregelung tritt die Steuerung
allerdings nicht erst in Tätigkeit, wenn ein Sollwert erreicht oder überschritten
wird, vielmehr wirkt sich jede Änderung der gemessenen Temperatur bzw. jede Veränderung
des Sollwertes auf den zeitlichen Verlauf der Abschaltregelung aus, so daß ein Pendeln
um einen vorgegebenen Wert vermieden wird.
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Die Steuerorgane des Regelgeräts, z. B. ein Magnetventil für die Warmwasserzufuhr
zum Wärmetauscher und eine Kupplung zum Kompressor der Kälteanlage, werden von einem
elektronischen Schalter betätigt. Die Schaltbefehle an die Steuerorgane werden dabei
ausschließlich elektrisch übermittelt. Der elektronische Schalter arbeitet in Abhängigkeit
von einem Mess- und Vorwahlgerät, welches eine temperaturabhängige Brückenschaltung
oder einen Multivibratör mit temperaturabhängigem Spannungsteiler enthält. Die Anpassung
der Schaltimpulsfolge an die Änderung der Regelgröße geschieht über den elektronischen
Schalter, an dessen Ausgang sich ein Steuerrelais und ein Arbeitsrelais befinden,
wobei unter Umständen ein und dasselbe Relais Steuer- und Arbeitsrelais gleichzeitig
sein kann. Die Impulsfolge des elektronischen Schalters ist von dem Grad der Verstimmung
abhängig. Im Falle eines Multivibrators beeinflußt der im Spannungsteiler befindliche
Temperaturfühler und Vorwähler den Multivibrator, der einen Kondensator auf- und
entlädt, welcher seinerseits wieder bei einem bestimmten Ladezustand den elektronischen
Schalter erregt.
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Für den Fall, daß das erfindungsgemäße Regelgerät für Heiz- und Kühleinrichtungen
in Kraftfahrzeugen Verwendung findet, sind Mittel vorzusehen, die eine Kompensation
der Betriebsspannungsschwankungen bewirken, Da nämlich das Regelgerät in diesem
Fall von der Kraftfahrzeugbatterie gespeist wird und diese nicht immer denselben
Ladungszustand aufweist, ist es wichtig, daß die Arbeitsweise des Regelgerätes durch
die in relativ weiten Grenzen schwankende Betriebsspannung nicht beeinflußt wird.
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Da das Regelgerät auf Temperaturunterschiede an- -spricht, muß darauf
geachtet werden, daß nur der Temperaturfühler temperaturempfindlich ist, während
die übrige Schaltung und die verwendeten Schaltelemente selbst temperaturunempfindlich
aufgebaut sein müssen oder durch geeignete Schaltmaßnahmen gegenüber Temperatureinflüssen
kompensiert sind. -
Das erfindungsgemäße Regelgerät stellt ein Bauelement
dar, welches bei Heiz- und Kühleinrichtungen, vorzugsweise für Kraftfahrzeuge, in
mannigfacher Weise Anwendung finden kann.
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Wirkungsweise und weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand
der Zeichnung, welche schematisch ein Ausführungsbeispiel dargestellt, näher erläutert.
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Für das erste Ausführungsbeispiel sei ein Kraftfahrzeug mit Heiz-
und Kühleinrichtungen vorausgesetzt, das einen wassergekühlten Motor besitzt. Die
Temperaturregelung kann dabei durch wahlweises Schalten auf »Heizen« und »Kühlen«
der Temperaturwahleinrichtung erfolgen.
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Befinden sich der Wärmetauscher 1 der Heizanlage und der Verdampfer
2 der Kühlanlage sehr nahe beieinander, so daß sie einen gemeinsamen Luftführungskanal
zum Wageninnern 3 haben, dann ist der Temperaturfühler am Austritt der Luft aus
dem gemeinsamen Luftführungskanal angeordnet, da hier die größten Temperaturschwankungen
auftreten. Sind, wie in der Zeichnung dargestellt, Wärmetauscher 1 und Verdampfer
2 derart weit voneinander entfernt, daß sie keinen gemeinsamen Luftaustritt haben,
so wird je ein Temperaturfühler 4 am Luftaustritt 5 des Wärmetauschers 1 und ein
Temperaturfühler 6 am Luftaustritt 7 des Verdampfers angeordnet. Wird bei warmem
Motor 8 die Einrichtung auf »Heizen« geschaltet und der Temperaturwähler 9 auf einen
bestimmten Sollwert eingestellt, dann ergibt sich folgender Regelvorgang: a) Das
Regelgerät 10, ein Magnetventil 11, welches den Zugang des warmen Kühlwassers zum
Wärmetauscher 1 absperrt, der Motor 12 für das Gebläse des Wärmetauschers und die
Betätigungseinrichtung 14 für die Luftklappen 15 erhalten Strom.
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b) Das Gebläse 12 des Wärmetauschers 1 läuft mit der niedersten Drehzahl
(eine höhere Drehzahl kann nach Wunsch von Hand eingeschaltet werden), die Frischluftklappe
15 wird geöffnet, die Umluftklappe 17 geschlossen. Die Betätigung der Klappen 15
und 17 kann elektromagnetisch, hydraulisch oder pneumatisch erfolgen.
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c) Die Länge der Öffnungszeiten gegenüber den Zeiten, in denen das
Magnetventil 11 für die Zufuhr von Warmwasser zum Wärmetauscher 1 geschlossen
ist, hängt ab von Differenz zwischen der Temperatur, welche durch den Temperaturfühler
gemessen wird und den vorgewählten Sollwert. Wenn die vorgewählte Temperatur erreicht
ist, wird das Magnetventil geschlossen. An Stelle eines Magnetventils kann auch
ein Stellmotor betätigt werden, welcher ein Ventil stetig öffnet bzw. schließt.
Die Länge der öffnungs- und Schließzeiten hängt vom Wärmebedarf ab. Eine weitere
Möglichkeit besteht darin, daß ein Stellmotor ein Ventil schrittweise öffnet und
schrittweise schließt, wobei die Länge der Schritte vom Wärmebedarf abhängt.
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Wird bei kaltem Motor 8 die Einrichtung auf »Heizen« geschaltet, so
dürfen die vorher unter a) genannten Bauelemente des Heizsystems zunächst keinen
Strom erhalten, da sonst wegen des noch fehlenden Warmwassers vom Motor 8 her nur
kalte Luft in das Fahrzeuginnere 3 geblasen werden würde. Aus diesem Grund befindet
sich im Kühlwasserkreislauf ein Thermostat 18, der einen Schalter betätigt, welcher
den Stromkreis erst schließt, wenn das Kühe wasser eine gewisse Mindesttemperatur
erreicht hat. Der weitere Ablauf des Regelvorganges vollzieht sich dann in der vorher
beschriebenen Weise.
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Wird die Einrichtung auf »Kühlen« geschaltet und der Temperaturwähler
9 auf einen bestimmten Sollwert eingestellt, so ergibt sich folgender Regelvorgang:
a) Das Regelgerät 10, die Magnetkupplung 19 des Kompressors 20; der Motor
21 für das Gebläse 22 des Verdampfers 23 und die Betätigungseinrichtung 14, 16 für
die Luftklappen 15 und 17 erhalten Strom.
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b) Das Gebläse 22 des Verdampfers 23 läuft mit der niedrigsten Drehzahl
(eine höhere Drehzahl kann nach Wunsch von Hand eingeschaltet werden), die Frischluftklappe
15 wird geschlossen, die Umluftklappe 17 geöffnet. Die Betätigung kann,. wie vorher
schon erwähnt, elektromagnetisch, hydraulisch oder pneumatisch erfolgen.
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c) Die Laufzeiten des Kompressors 20 gegenüber seinen Ruhezeiten hängt
von der Differenz zwischen der Temperatur, welche durch den Temperaturfühler 6 gemessen
wird und dem vorgewählten Sollwert ab. Wenn die vorgewählte Temperatur erreicht
ist, wird die Magnetkupplung 19 des Kompressors 20 abgeschaltet. An Stelle einer
Magnetkupplung kann auch eine hydraulische Kupplung oder eine Viskositätskupplung
verwendet werden, wodurch eine stetige Regelung ähnlich wie bei der Regelung des
Wärmetauschers erreicht werden kann.
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Das Regelgerät 10 umfaßt die Temperaturfühler 4
und 6,
die mit den Widerständen 24 und 25 des Betriebszustandswählers (Kühlen, Heizen)
und dem Sollwertgeber 9 verbunden sind und das Meß- und Einstellgerät 26 bilden,
sowie eine Temperatur- und Spannungskompensationsstufe 27, an die die Stromquelle,
beispielsweise die Kraftfahrzeugbatterie 28 angeschlossen ist. Bei einem bestimmten
Ausführungsbeispiel steuert ein Multivibrator 29, dessen Frequenz von der Verstimmung
der aus den Widerständen 4, 6, 24 und 25 gebildeten Brücke abhängig ist, gegebenenfalls
unter Zwischenschaltung einer Verstärkerstufe 30 den elektronischen Schalter 31.
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Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes kann die Temperaturregelung
auch durch Betätigung nur eines Schalters bei wassergekühlten Motoren erfolgen.
In diesem Fall bekommt, beim Einschalten des Zündschlosses, der gesamte Regelkreis
Strom. Die Gebläse des Wärmetauschers 12 und des Verdampfers 22 werden über einen
im Kühlwasserkreislauf befindlichen Thermostaten 18 beim Erreichen einer
vorher bestimmten Temperatur des Kühlwassers mit ihrer niedrigsten Drehzahl eingeschaltet
oder jedes Gebläse wird erst eingeschaltet, wenn das zugehörige Heiz- oder Kühlelement
anspricht, wobei es nur so lange läuft, bis ein Umschalten auf das andere Element
stattfindet. Höhere Drehzahlen können, wie beim vorher beschriebenen Ausführungsbeispiel,
nach Wunsch von Hand eingeschaltet werden. Ist die gewählte Solltemperatur höher
als die im Fahrzeuginneren 3 gemessene, dann wird die Frischluftklappe 15 geöffnet,
die Umluftklappe 17 geschlossen und der Heizungs-Wärmetauscher 1 nach Öffnen des
Magnetventils 11 von heißem Wasser durchströmt. Ist die Solltemperatur niederer
als im Fahrzeuginnern, dann wird die Frischluftklappe 15 geschlossen, die Umluftklappe
17 geöffnet und der
Kältekompressor 20 eingeschaltet. Zur Vermeidung
eines dauernden Zuschaltens eines der beiden -Bedienungsorgane, nämlich entweder
des Magnetventils 11 oder der Kompressorkupplung 19 ist eine gewisse Schaltverzögerung
erforderlich. Diese wird entweder durch die Trägheit des Temperaturfühlers 4 bzw.
6 oder durch ein zusätzliches Verzögerungsglied im Temperaturregler erreicht. Die
jeweilig geeignete Schaltdifferenz kann bereits beim Einbau des Gerätes in das Fahrzeug
festgelegt werden.
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Bei der Temperaturregelung durch wahlweises Schalten auf »Heizen«
und »Kühlen« und bei der Temperaturregelung durch Betätigung nur eines Schalters
ist eine Schalterstellung »Lüften« vorgesehen, bei welcher bei geöffneter Frischluftklappe
15 und Umluftklappe 17 die gesamte Temperaturregelanlage abgeschaltet wird, und
nur die Gebläse 12 und 21 laufen. Das Magnetventil 11 bleibt geschlossen,
so daß der Wasserdurchfluß durch den Wärmetauscher 11 unterbrochen ist, und die
Kompressorkupplung 19 bleibt ebenfalls in ausgerücktem Zustand.
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Befinden sich jedoch der Wärmetauscher 1 der Heizanlage und der Verdampfer
2 der Kühlanlage sehr nahe beieinander, so daß sie einen gemeinsamen Luftführungskanal
zum Wageninnern 3 besitzen, so wird bei der Schalterstellung »Lüften« nur die Frischluftklappe
15 geöffnet, die gesamte Temperaturregelanlage abgeschaltet und das Gebläse 12 eingeschaltet.
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Während bei den bisher erläuterten Ausführungsbeispielen erwärmtes
Kühlwasser als wärmeabgebendes Medium vorausgesetzt wurde, ist es jedoch ersichtlich,
daß die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist. So läßt sich
auch eine Temperaturregelung bei Fahrzeugen mit luftgekühltem Motor ohne weiteres
erreichen. Die Heizanlage luftgekühlter Motoren unterscheidet sich in der Regel
von der Heizanlage wassergekühlter Motoren nur dadurch, daß als wärmeabgebendes
Medium nicht das Kühlwasser, sondern die erwärmte Kühlluft des Motors oder heiße
Abgase dienen. Ein diesen Medien entsprechend gestalteter Wärmetauscher überträgt
die Wärme an die Frischluft für die Heizung. Als Steuerorgan für das wärmeabgebende
Medium kommt in diesem Falle natürlich kein Magnetventil, sondern beispielsweise
eine Jalousie in Frage. Im übrigen unterscheidet sich die Regeleinrichtung nicht
von der eines wassergekühlten Motors, so daß auch das Regelgerät in gleicher Weise
verwendbar ist. Ein die Temperatur des wärmeabgebenden Mediums messender Thermostat
sorgt für die Abschaltung der Heizanlage, falls beim Anfahren noch keine nutzbare
Wärme zur Verfügung steht.
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Neben der Feinregelung mit Hilfe des erfindungsgemäßen Regelgerätes
ist auch eine Grobregelung durch Einschalten einer höheren Drehzahlstufe für die
Gebläse des Wärmetauschers bzw. des Verdampfers durchführbar. Bei höheren Gebläsedrehzahlen
bzw. bei höherem Luftdurchsatz wird die Heiz- bzw. Kühlleistung der Regeleinrichtung
erhöht. Dabei ist jedoch zu beachten, daß für das Einschalten einer höheren Gebläsedrehzahl
nicht nur die erhöhte Heiz- bzw. Kühlleistung ausschlaggebend ist. Auch der erhöhte
Luftzug und unter Umständen eine größere Geräuschbelästigung spielen eine Rolle.
Aus diesem Grunde läuft im Normalbetrieb ein Gebläse bei Ingangsetzung der Heiz-
bzw. Kühleinrichtung zunächst nur mit der niedersten Drehzahl. Eine höhere Drehzahl
kann dann, wie vorhergehend erläutert, nach Wunsch von Hand eingeschaltet werden.