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Klimaanlage zur Kühlung und Heizung von Kraftfahrzeugen Die Erfindung
bezieht sich auf eine Klimaanlage zur Kühlung und Heizung von Kraftfahrzeugen, im
wesentlichen bestehend aus einem Kompressor, einem Wärmeaustauscher im Innenraum
des Fahrzeuges, einem Wärmeaustauscher außerhalb des Fahrzeuginnenraumes, einer
Expansionseinrichtung und einem diese Teile verbindenden, geschlossenen Rohrleitungssystem,
wobei der die Wärmeaustauscher durchfließende Kältemittelstrom entsprechend der
Kühlung oder Heizung des Kraftfahrzeuges umkehrbar ist.
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Die als sogenannte Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen bekannten Einrichtungen
werden hauptsächlich nur zur Kühlung des Kraftfahrzeuginnenraumes verwendet. Bei
solchen Klimaanlagen wird das in dampfförmigem Zustand in den Kompressor eintretende
Kältemittel in diesem verdichtet. Dieser verdichtete, überhitzte Kältemitteldampf
wird in der Kühlphase der Klimaanlage von dem Kompressor zu dem außerhalb des Fahrzeuginnenraumes
angeordneten Wärmeaustauscher (Verflüssiger) gefördert, in dem er unter Abgabe von
Wärme in den flüssigen Zustand übergeht. Von hier gelangt das flüssige Kältemittel
zu einem Expansionsventil, das das unter Druck stehende flüssige Kältemittel entspannt
in den mit der Saugseite des Kompressors verbundenen, im Fahrzeuginnenraum angeordnetenWärmeaustauscher
(Verdampfer) eintreten läßt. Hier verdampft das Kältemittel, wobei es die dazu notwendige
Verdampfungswärme dem Fahrzeuginnenraum entzieht, diesen also kühlt.
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Um diese Klimaanlagen nun auch als Heizung verwenden zu können, wird
der die Wärmeaustauscher durchfließende Kältemittelstrom über eine an sich bekannte
Steuer- oder Regeleinrichtung umgekehrt, wobei das in der Kühlphase verwendete Expansionsventil
über eine Bypaß-Leitung mit einem weiteren Expansionsventil umgangen wird. In der
Heizphase der Klimaanlage wird also das Kältemittel in dem im Fahrzeuginnenraum
befestigten Wärmeaustauscher unter Wärmeabgabe (Heizung) verflüssigt, und der außerhalb
des Fahrzeuginnenraumes angeordnete Wärmeaustauscher wird zur Verdampfung des Kältemittels
benutzt, das hier die für die Verdampfung notwendige Wärme aufnehmen muß. Bei Außentemperaturen
um und unter 0° C läuft der Kreisprozeß bei so niedrigen Temperaturen ab, daß einerseits
eine Vereisung des außerhalb des Fahrzeuginnenraumes angeordneten Wärmeaustauschers
eintritt und andererseits der im Fahrzeuginnenraum befestigte Wärmeaustauscher keine
spürbare Wärme mehr abgeben ; kann. Dies hat zur Folge, daß eine derartige Klimaanlage
bei niedriger Außentemperatur, also dann, wenn eine zusätzliche Heizung notwendig
wäre, nicht mehr in ausreichendem Maß zur Heizung bzw. als Zusatzheizung des Fahrzeuginnenraumes
verwendbar ist.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde; eine Klimaanlage zur
Kühlung und Heizung von Kraftfahrzeugen zu schaffen, die auch noch bei Temperaturen
um oder unter 0° C als Heizung funktionsfähig ist. Diese Aufgabe wird bei der eingangs
genannten Klimaanlage erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der außerhalb des Fahrzeuginnenraumes
angeordnete Wärmeaustauscher aus mindestens zwei aus Rohren bestehenden Kältemitteldurchläufen
gebildet ist, von denen in der Kühlphase der Klimaanlage mindestens ein Rohr zur
Verflüssigung des Kältemittels verwendet wird und die in der Heizphase der Klimaanlage
nacheinander vom Kältemittel durchströmt werden, und daß die in der Heizphase die
Expansion des Kältemittels bewirkende Einrichtung nach dem ersten Durchlauf des
Kältemittels durch den äußeren Wärmeaustauscher wirksam ist.
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Dies hat zur Folge, daß in der Heizphase der Klimaanlage der erste
Kältemitteldurchlauf des äußeren Wärmeaustauschers, der sich vor der Entspannungseinrichtung
befindet; zur Verflüssigung des Kältemittels verwendbar ist und daß die hier gewonnene
Verflüssigungs- oder Kondensationswärme zur Aufheizung des durch die Expansionseinrichtung
entspannten Kältemitteldampfes verwendbar ist. Durch eine derartige Ausbildung wird
gleichzeitig eine Vereisung des außerhalb des Fahrzeuginnenraumes angeordneten Wärmeaustauschers
verhindert. Dieser äußere Wärmeaustauscher ist aus .zwei parallel zueinander verlaufenden
Rohren gebildet, die über Dreiwege-Magnetventile in der Kühlphase im Gleichstrom
und in der Heizphase der Klimaanlage im `Gegenstrom vom Kältemittel durchflossen
werden.
An Hand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele näher
erläutert. Dabei zeigt F i g. 1 den Kreislauf des Kältemittels in der Kühlphase
der Klimaanlage, F i g. 2 den Kreislauf des Kältemittels in der Heizphase der Klimaanlage,
F i g. 3 eine vereinfachte Darstellung einer anderen Ausbildung des außerhalb des
Fahrzeuginnenraumes angeordneten Wärmeaustauschers in der Kühlphase der Klimaanlage
und F i g. 4 den Wärmeaustauscher gemäß F i g. 3 in der Heizphase der Klimaanlage.
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Von einem Kompressor 1, der beispielsweise über einen Keilriemen von
dem Motor des Kraftfahrzeuges angetrieben wird, wird das in dampfförmigem Zustand
angesaugte Kältemittel unter Aufnahme von Wärme verdichtet. Dieser Kompressor 1
fördert in der Kühlphase der Klimaanlage gemäß den in F i g. 1 eingezeichneten Pfeilen
den überhitzten Kältemitteldampf durch eine Rohrleitung 2 und 2 ä mit zwei umschaltbaren
Dreiwege-Magnetventilen 3 und 4 zu einem außerhalb des Fahrzeuginnenraumes, z. B.
im Luftansaugachacht des der Motorkühlung dienenden Gebläses angeordneten Wärmeaustauscher
5. Dieser Wärmeaustauscher 5 besteht beispielsweise aus einem mäanderförmig gebogenen
Rohr 5 a, das über seine gesamte Länge mit einer wendelförmig um das Rohr 5 a angeordneten
und mit diesem durch Lötung verbundenen Drahtrippe versehen ist.
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In diesem Wärmeaustauscher 5 wird der überhitzte Kältemitteldampf
durch die Motorkühlluft abgekühlt, der unterhalb der Sättigungstemperatur mit weiterer
Abkühlung allmählich in den flüssigen Zustand übergeht. Das Kältemittel verläßt
den Wärmeaustauscher in flüssigem Zustand. Durch die Rohrleitung 6 gelangt nun das
flüssige Kältemittel über einen Sammler 7 und eine Trockenpatrone 8 zu einem Expansionsventil
9, das das unter Druck stehende flüssige Kältemittel entspannt und über ein umschaltbares
Dreiwege-Magnetventil 10 in einen im Kraftfahrzeuginnenraum befestigten Wärmeaustauscher
11 eintreten läßt.
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Dieser Wärmeaustauscher 11 ist beispielsweise ebenfalls aus einem
mäanderförmig gebogenen Rohr 11 a gebildet, das über seine gesamte Länge mit einer
wendelförmig angeordneten Rippe versehen ist. Das entspannte Kältemittel nimmt in
dem Wärmeaustauscher 11 bis zum Erreichen der Sättigungstemperatur Wärme, sogenannte
Verdampfungswärme, auf, die dem Innenraum des Kraftfahrzeuges entzogen wird. Von
diesem Wärmeaustauscher 11 wird der geringfügig überhitzte Kältemitteldampf durch
die Rohrleitungen 12 und 13 und über ein umschaltbares Dreiwege-Magnetventil
14 wieder vom Kompressor 1 angesaugt. In der Heizphase der Klimaanlage
gemäß F i g. 2 werden die Dreiwege-Magnetventile 3, 4,10
und 14 umgeschaltet,
und der Kompressor 1 fördert den verdichteten, überhitzten Kältemitteldampf entsprechend
den eingezeichneten Pfeilen durch das umgeschaltete Dreiwege-Magnetventil 3 und
die Rohrleitung 12 in den im Fahrzeuginnenraum befestigten Wärmeaustauscher 11.
Hier wird der überhitzte Kältemitteldampf abgekühlt und dadurch der Innenraum des
Kraftfahrzeuges erwärmt bzw. geheizt.
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Der abgekühlte, jedoch noch vollkommen trockene Kältemitteldampf gelangt
nun über das umgeschaltete -Dreiwege-Magnetventil 10 und durch die Rohrleitung 15
zu dem außerhalb des Fahrzeuginnenraumes angeordneten Wärmeaustauscher 5, dessen
Rohr 5 ca in der Kühlphase der Klimaanlage in umgekehrter Richtung vom Kältemittel
durchflossen wird. In diesem Wärmeaustauscher 5 wird der Kältemitteldampf weiter
abgekühlt, und sobald die Sättigungstemperatur des Kältemittels unterschritten wird,
setzt der Verflüssigungsvorgang ein. Die dabei gewonnene Wärme wird, wie weiter
unten erläutert, wieder verwendet. Das Kältemittel verläßt den Wärmeaustauscher
5 in vollkommen flüssigem Zustand und strömt durch die Rohrleitung 2 a, das umgeschaltete
Dreiwege-Magnetventil 4, eine Rohrleitung 16, einen weiteren Sammler 17 und eine
Trockenpatrone 18 zu einem Expansionsventil 19, das den gleichen Aufbau wie das
Expansionsventil 9 besitzt.
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Das Expansionsventil 19 läßt das flüssige Kältemittel entspannt
in den außerhalb des Fahrzeuginnenraumes angeordneten Wärmeaustauscher 5 eintreten.
Dieser Wärmeaustauscher 5 besitzt zu diesem Zweck beispielsweise ein weiteres, mäanderförmig
gebogenes Rohr 5 b, das parallel zu dem Rohr 5 a angeordnet ist und den gleichen
Durchflußquerschnitt besitzt und zur besseren Wärmeübertragung mit demselben verbunden
ist. In diesem Rohr 5 b des Wärmeaustauschers 5, das in bezug auf das Rohr
5 a im Gegen= Strom vom Kältemittel durchflossen wird, nimmt das entspannte
Kältemittel Wärme, und zwar die bei der Verflüssigung des Kältemittels in dem Rohr
5 a frei gewordene Wärme, auf, so daß vollkommen gesättigter und gegebenenfalls
geringfügig überhitzter Kältemitteldampf den Wärmeaustauscher 5 verläßt, der durch
eine Rohrleitung 20 und das umgeschaltete Dreiwege-Magnetventil 14 wieder
vom Kompressor 1 angesaugt wird. Durch die Ausbildung des außerhalb des Fahrzeuginnenraumes
angeordneten Wärmeaustauschers 5 mit zwei parallel zueinander verlaufenden Rohren
5 a und 5 b ist sichergestellt, daß auch bei niedrigen Außentemperaturen
in der Heizphase der Klimaanlage im außerhalb des Fahrzeuginnenraumes angeordneten
Wärmeaustauscher 5 eine einwandfreie Verdampfung des Kältemittels erfolgen kann.
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Das Rohr 5 b kann beispielsweise auch als Kapillarrohr ausgebildet
werden. Dadurch kann das Expansionsventil 19 in der Rohrleitung 16 entfernt werden.
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Der in F i g. 3 und 4 dargestellte, außerhalb des Fahrzeuginnenraumes
angeordnete Wärmeaustauscher 21 besteht ebenfalls aus zwei mäanderförmig gebogenen,
parallel zueinander verlaufenden Rohren 22 und 23, die in nicht dargestellter Weise
ebenfalls mit wendelförmig angeordneten Rippen versehen sind und gleichen Durchflußquerschnitt
besitzen. Diese beiden Rohre 22 und 23 sind an ihren Enden über je ein Dreiwege-Umschaltventil
24 und 25 miteinander verbunden. Dadurch ist es möglich, daß in der
Kühlphase der Klimaanlage gemäß F i g. 3 beide Rohre 22 und 23 in gleicher Strömungsrichtung
von dem durch die-Rohrleitung 2 a eintretenden dampfförmigen Kältemittel durchflossen
werden, das dieselben dann durch die Rohrleitung 6 in flüssigem Zustand verläßt.
Dadurch kann der Wärmeaustauscher 21, der in der Kühlphase der Klimaanlage sowohl
die überhitzungsals auch die Verflüssigungswärme des Kältemittels abführen muß,
was für seine Dimensionierung ausschlaggebend ist, wesentlich kleiner ausgebildet
wer: den.
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In der Heizphase der Klimaanlage gemäß F i g. 4 werden die beiden
Dreiwege-Magnetventile 24 und 25
umgeschaltet, und das durch die
Rohrleitung 15 in das Rohr 23 des Wärmeaustauschers 21 eintretende dampfförmige
Kältemittel verläßt den Wärmeaustauscher 21 über die Rohrleitung 2 a in flüssigem
Zustand. Wie bereits oben erwähnt, wurde der größte Teil der Überhitzungswärme in
dem inneren Wärmeaustauscher 11 abgeführt, so daß in dem Wärmeaustauscher
21 lediglich nur noch die Verflüssigungswärme abgeführt werden muß. Über
die Rohrleitung 16 strömt dann das flüssige Kältemittel wieder in den Wärmeaustauscher
21, jedoch unter Benutzung des Rohres 22 ein und verläßt denselben in dampfförmigem
Zustand durch die Rohrleitung 20. In der Heizphase der Klimaanlage werden also die
beiden Rohre 22 und 23 des Wärmeaustauschers 21 im Gegenstrom vom Kältemittel durchflossen.
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Es ist selbstverständlich möglich, die Rohre im äußeren Wärmeaustauscher
so anzuordnen, daß dieselben in der Heizphase der Klimaanlage im Gleichstrom durchflossen
werden.