DE19503453C2 - Klimaanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Im Zusammenhang mit Klimaanlagen ist es - beispielsweise aus der Druckschrift "Die Kälte- und Klimatechnik", 11/1991, Sei­ ten 846ff - grundsätzlich bekannt, Luft als Kältemittel ein­ zusetzen. Dabei wird die Luft zunächst komprimiert und gleichzeitig bzw. nachfolgend gekühlt, um die bei der Kom­ pression der Luft auftretende Erwärmung rückgängig zu machen, so daß komprimierte Luft bei vergleichsweise niedriger Tempe­ ratur zur Verfügung steht. Sodann durchströmt die Luft eine Expansionsmaschine, um einerseits einen Teil der für die Kom­ pression der Luft notwendigen Energie in Form mechanischer Arbeit zurückzugewinnen und andererseits die Luft durch Ex­ pansion und Arbeitsleistung abzukühlen. Im Ergebnis steht dann am Ausgang des Aggregates deutlich kältere und feuchtere Luft als am Eingang zur Verfügung.

Aus der DE-OS 26 26 162 ist es bekannt, als Kompressions- und Expansionsmaschine eine einzige Rotationskolbenmaschine in Form eines Wankelaggregates anzuordnen, dessen Rotationskol­ ben auf einem Teil seines Umlaufweges als Kompressor und auf dem anderen Teil seines Umlaufweges als Expansionsmaschine arbeitet.

Die Druckschrift "Commercial Car Journal", 1977, Seite 107ff zeigt eine prinzipiell gleichartige Anordnung mit ei­ ner rotierenden Flügelzellenanordnung, bei der die Flügelzel­ len auf einem Teil ihres Umlaufweges als Kompressor und auf einem anderen Teil des Umlaufweges als Expansionsmaschine wirkt.

Gemäß der US 2 020 923 sowie der DE-OS 27 01 686 können so­ wohl der Kompressor als auch die Expansionsmaschine als Hub­ kolbenaggregate mit gemeinsamer Kurbelwelle ausgebildet sein. Gemäß dieser Druckschriften sind die den Kolben zugeordneten Zylinder in Reihen angeordnet, wobei Kompressor und Expansi­ onsmaschine deutlich unterschiedliche Zylinderblöcke aufwei­ sen.

Die JP 06323658 A zeigt eine entsprechende Anlage mit V-Anordnung der Hubkolbenaggregate.

Die internationale Patentklassifikation, Ausgabe 1994, läßt erkennen, daß Kraft- und Arbeitsmaschinen in Form-von Hubkol­ benmaschinen mit V-Anordnung der Zylinder notorisch bekannt sind.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, bei einer Klimaanlage der eingangs angegebenen Art, insbesondere bei Einsatz in Kraft­ fahrzeugen, einerseits einen störungsfreien Kühlbetrieb im Sommer und andererseits einen dauerhaften Heizbetrieb im Win­ ter zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.

Aufgrund der Erfindung wird beim Heizbetrieb auch bei sehr kalten Außentemperaturen eine Vereisung des Wasserabscheiders vermieden.

Sowohl der Kompressor als auch die Expansionsmaschine können als Verdrängermaschinen ausgebildet sein, vorzugs­ weise derart, daß die Verdränger von Kompressor und Expansionsmaschine zu einem gemeinsamen Bauteil zusammen­ gefaßt sind und/oder mit einer gemeinsamen Kurbelwelle od. dgl. antriebsmäßig verbunden sind.

Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele verwiesen, die anhand der Zeichnung beschrieben werden.

Dabei zeigt

Fig. 1 ein schematisiertes Schnittbild einer ersten Aus­ führungsform, bei der der Kompressor und die Expansionsmaschine jeweils durch Kolben- Zylinder- Aggregate gebildet werden, die in V-Anordnung einer gemeinsamen Kurbelwelle zugeordnet sind, und

Fig. 2 ein Schnittbild einer abgewandelten Ausführungs­ form, bei der der Kompressor und die Expansions­ maschine ein gemeinsames nach dem Wankel-Prinzip arbeitendes Aggregat bilden.

Gemäß Fig. 1 sind in zwei V-förmig zueinander angeordneten Zylindern 1 und 2 zwei Kolben 3 und 4 verschiebbar ange­ ordnet, die über Pleuelstangen 5 und 6 mit einer Kröpfung einer Kurbelwelle 7 antriebsmäßig verbunden sind. Entsprechend dem V-Winkel der Zylinder 1 und 2 arbeiten die Kolben 3 und 4 beim Umlauf der Kurbelwelle 7 mit einer gewissen Phasenver­ schiebung. Wenn die Kurbelwelle 7 im Uhrzeigersinne umläuft, erreicht der Kolben 3 zeitlich vor dem Kolben 4 den jeweiligen oberen Totpunkt, während der Kolben 4 zeitlich vor dem Kolben 3 den unteren Totpunkt erreicht.

Am Zylinder 1 ist ein durch ein Flatterventil 8 gesteuerter Einlaß 9 angeordnet, wobei das Flatterventil 8 so ausgebildet ist, daß im wesentlichen nur eine Luftströmung in den Zylin­ der 1 ermöglicht wird.

Außerdem ist der Zylinder 1 mit einem Auslaß 10 verbunden, welcher ebenfalls durch ein Flatterventil 11 gesteuert wird, welches so ausgebildet ist, daß im wesentlichen nur eine Luftströmung in Auslaßrichtung ermöglicht und ein Rückschlag zum Zylinder 1 verhindert wird. Der Auslaß 10 ist mit der Eingangsseite eines Wärmetauschers 12 verbunden, dem ein Kühlgebläse 13 zugeordnet sein kann. Ausgangsseitig ist der Wärmetauscher 12 mit dem Zylinder 2 verbunden, welcher des weiteren einen Auslaß 14 besitzt, der durch den Kolben 4 gesteuert wird, d. h. der Innenraum des Zylinders 2 kommu­ niziert nur dann mit dem Auslaß 14, wenn der Kolben 4 eine Lage nahe seines unteren Totpunktes hat.

An den Auslaß 14 schließt ein Wasserabscheider 15 an, durch den aus dem Zylinder 2 kommende Luft nach außen austritt.

Diese Anordnung funktioniert in folgender Weise, wobei von einem Drehsinn der Kurbelwelle 7 im Uhrzeigersinne ausge­ gangen wird.

Beim Abwärtshub des Kolbens 3 strömt frische Luft über das Flatterventil 8 in den Zylinder 1. Diese Luft wird beim nachfolgenden Aufwärtshub des Kolbens 3 über das Flatter­ ventil 11 zum Wärmetauscher 12 hin ausgeschoben, wobei die Luft gleichzeitig komprimiert wird. Dabei wird das Maximum der Kompression erreicht, wenn der mit den beiden Pleuelstangen 5 und 6 der beiden Kolben 3 und 4 verbundene Kurbelzapfen der Kurbelwelle 7 in Fig. 1 seine obere Lage auf der Winkelhalbierenden der Zylinderlaufbahnen erreicht. Dies beruht darauf, daß der Zylinder 2 ständig mit dem Wärmetauscher 12 kommuniziert.

Die komprimierte Luft im Wärmetauscher 12 wird mittels des Kühlgebläses gekühlt, so daß die bei der Kompression auf­ tretende Erwärmung rückgängig gemacht wird.

Beim Abwärtshub des Kolbens 4 wird die Luft im Wärmetau­ scher 12 sowie im damit kommunizierenden Zylinder 2 expan­ diert, wobei dieser Abwärtshub des Kolbens 4 durch den Druck der komprimierten Luft unterstützt wird, d. h. die komprimierte Luft leistet mechanische Arbeit. Aufgrund der Expansion sowie der geleisteten mechanischen Arbeit wird die Luft abgekühlt, so daß vergleichsweise kalte Luft in den Wasserabscheider 15 einströmt, sobald der Kolben 4 eine seiner unteren Endlage angenäherte Position einnimmt und den Auslaß 14 freigibt.

Innerhalb des Wasserabscheiders 15 gibt die gekühlte Luft in grundsätzlich bekannter Weise aufgrund der geringen Temperatur kondensierenden Wasserdampf ab und verläßt danach den Wasserabscheider 15.

Bei der Kühlung eines Innenraumes, beispielsweise eines Fahrzeuges, sind sowohl der Einlaß 9 als auch der Auslaß 14 bzw. der Ausgang des Wasserabscheiders 15 mit dem zu kühlen­ den Innenraum verbunden, so daß die Innenraumluft ständig im Kreislauf nach Art eines "Umluftbetriebes" durch das Kühlaggregat geleitet wird. Der Wärmetauscher 12 wird zweckmäßigerweise vom Kühlgebläse 13 mit Außenluft beauf­ schlagt.

Gegebenenfalls kann das dargestellte Aggregat auch zu Heizzwecken verwendet werden. In diesem Falle wird die Luft eines zu beheizenden Innenraumes mittels des Geblä­ ses 13 über den Wärmetauscher 12 geleitet, um die Abwärme des Wärmetauschers 12 zur Erwärmung des Innenraumes zu nutzen. Der Einlaß 9 sowie der Auslaß 14 bzw. der Ausgang des Wasserabscheiders 15 kommunizieren dann mit der Außen­ luft, wobei bei geringeren Temperaturen der Außenluft gegebenenfalls dafür Sorge getragen werden muß, daß der Wasserabscheider 15 nicht einfrieren kann. Deshalb kann es in diesem Falle zweckmäßig sein, den Auslaß 14 unter Umgehung des Wasserabscheiders 15 direkt mit der Außen­ luft zu verbinden.

Die Anordnung nach Fig. 2 unterscheidet sich von der An­ ordnung nach Fig. 1 im wesentlichen nur dadurch, daß die Zylinder 1 und 2 sowie die Kolben 3 und 4 durch ein Wankel- Aggregat mit dem Gehäuse 16 und dem Rotor 17 ersetzt ist, dessen Umfangsflächen taschenlos ausgebildet sind. Außerdem kann das Flatterventil 8 im Einlaß 9 entfallen, da der in der linken Hälfte des Gehäuses 16 gebildete Kompressions­ raum 18 beim Umlauf des Rotors 17 durch eine Rotorkante gegenüber dem Einlaß 9 abgesperrt wird.

Die Funktion der Anordnung der Fig. 2 ist gegenüber der Anordnung der Fig. 1 unverändert. Beim Umlauf des Rotors 17 wird über den Einlaß 9 in die linke Seite des Gehäuses 16 eingeströmte Luft unter Kompression in den Wärmetauscher 12 verdrängt, wobei das Maximum der Kompression jeweils dann erreicht ist, wenn der Rotor 17 eine der Lage in der Fig. 2 entsprechende Position einnimmt.

Bei der weiteren Drehung des Rotors 17 wird dann die aus dem Wärmetauscher 12 kommende und in die als Expansionsmaschine arbeitende rechte Hälfte 19 des Gehäuses 16 einströmende Luft zunehmend expandiert, wobei der Druck der komprimierten Luft die Drehung des Rotors unterstützt. Dementsprechend wird die Luft durch Expansion und Leistung mechanischer Arbeit abgekühlt.

Sowohl bei der Ausführungsform nach Fig. 1 als auch bei der Ausführungsform nach Fig. 2 kann vorgesehen sein, daß die Kolben 3 und 4 bzw. der Rotor 17 trocken laufen, so daß die durch das jeweilige Aggregat geführte Luft keinerlei Schmiermitteldämpfe od. dgl. aufnehmen kann.

Claims (5)

1. Klimaanlage, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit nach Art einer Wärmepumpe arbeitendem Kühl- und Heizaggregat, welches mit Luft als Kühl- bzw. Wärmeträgermedium arbeitet, indem ein einlaßseitig mit der Atmosphäre verbundener Kompressor druck­ seitig über einen von komprimierter Luft durchströmten Wärme­ tauscher mit einer Eingangsseite einer Expansionsmaschine verbunden ist, in der die komprimierte Luft unter Leistung mechanischer Arbeit, die zum Antrieb des Kompressors beitra­ gen kann, unter Abkühlung expandiert und einem Auslaß zuge­ führt wird, der mit einem zu kühlenden Innenraum verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die gekühlte Luft beim Kühlbetrieb vor Eintritt in den Innenraum einen Wasserabscheider (15) durchströmt und beim Heizbetrieb, bei dem am Wärmetauscher (12) anfallende Wärme zur Beheizung des Innenraumes herangezogen wird, unter Umge­ hung des Wasserabscheiders (15) direkt nach außen zur Außen­ luft geführt wird.

2. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Kompressor als auch die Expansionsmaschine als Hubkolbenaggregate (1, 3; 2, 4) ausgebildet sind.

3. Klimaanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder der beiden Hubkolbenaggregate V-förmig zu­ einander angeordnet und die Kolben antriebsmäßig mit einer einzigen Kurbelwelle verbunden sind.

4. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kompressor und Expansionsmaschine zu einem Wankel- Aggregat (16, 17) zusammengefaßt sind.

5. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß trocken laufende Kolben (3, 4, 17) angeordnet sind.