DE19630431A1 - Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage für ein Kraft­ fahrzeug der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Gattung.

Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen umfassen zur Abkühlung der in den Fahrgastraum eingeleiteten Luft üblicherweise einen Kältemittelkreis, in dem ein Kältemittelverdampfer, ein Expansionsventil, ein Kondensator, ein Kompressor so­ wie ein Flüssigkeitsbehälter angeordnet sind. Derartige Klimaanlagen sind beispielsweise in DE-Zeitschrift "MOT" 1987 Heft 15, Seiten 84-92 beschrieben.

Beim Betrieb des Kältemittelkreises wird mittels des Kom­ pressors das Kältemittel, beispielsweise R134a unter ho­ hem Druck dem Kondensator zugeführt, in dem die Umwand­ lung der gasförmigen in die flüssige Phase erfolgt. Die­ ses verflüssigte Kältemittel wird durch den Flüssigkeits­ behälter geführt und gelangt unter Zwischenschaltung ei­ nes Expansionsventils zu dem Verdampfer, dessen Rohre vom Kältemittel durchströmt werden. Die andere Seite der rohrförmigen Wärmetauschwände sowie gegebenenfalls ober­ flächenvergrößernder Rippen werden von einem mittels ei­ nes Gebläses erzeugten Luftstrom beaufschlagt. Aufgrund des dem Verdampfer vorgeschalteten Expansionsventils und des dem Verdampfer nachgeordneten Kompressors herrscht in dem Verdampfer ein Saugdruck, so daß das Kältemittel in den Rohren des Verdampfers von der flüssigen in die gas­ förmige Phase übergeht und durch diese Verdampfung eine Abkühlung der Wärmetauschflächen bewirkt. Die durch den Verdampfer strömende Luft wird dadurch abgekühlt, wobei ein Teil der in der Luft enthaltenen Feuchtigkeit sich an den kalten Wärmetauschflächen niederschlägt und als Kon­ denswasser abgeleitet wird. Zum Auffangen und Ableiten des Kondenswassers wird üblicherweise eine Auffangwanne vorgesehen, aus der das Kondenswasser abgeleitet wird und an der Unterseite des Fahrzeugs austritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Klimaan­ lage für ein Kraftfahrzeug der im Oberbegriff des An­ spruchs 1 genannten Gattung derart weiterzubilden, daß auf einfache Weise die Kälteleistung gesteigert wird.

Diese Aufgabe wird durch eine Klimaanlage mit den Merkma­ len des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die Verdunstung von Wasser an den Wärmetauschflä­ chen wird eine Absenkung der Temperatur der Wärmetausch­ flächen erreicht, so daß dem Kältemittel in den Rohren des Wärmetauschers Wärme entzogen wird und damit auch die Temperatur des Kältemittels sinkt. Da die Verdunstung des Wassers auf einem der Temperatur des kondensierten Kälte­ mittels entsprechenden Temperaturniveau erfolgt, handelt es sich um einen isothermen Prozeß. Auf diese Weise ist es ohne weiteres möglich, den Leistungsverlust am Ver­ dampfer, der durch die Kondenswasserbildung entsteht, zu kompensieren.

Für die Anordnung der Wärmetauschflächen zur Verdunstung sind mehrere Möglichkeiten gegeben. So können beispiels­ weise diese Wärmetauschflächen an dem Kondensator selbst ausgebildet sein, wobei vorzugsweise der einem Kondensa­ torauslaß des Kältemittels benachbarte Bereich in Be­ tracht kommt. Bei einem Kondensator mit horizontalen Wär­ metauscherrohren und einem in dem Kondensator gebildeten Strömungsweg, der am oberen Ende des Wärmetauschers be­ ginnt und an dessen Unterseite endet, werden die der Un­ terseite benachbarten Rohre und gegebenenfalls ober flä­ chenvergrößernde Mittel als Wärmetauschflächen zur Ver­ dunstung ausgebildet. Es ergibt sich damit in bevorzugter Weise eine Unterkühlzone, in der möglicherweise noch exi­ stierende Restmengen gasförmiger Anteile kondensieren.

Die Wärmetauschflächen zur Verdunstung können jedoch auch in einem separaten Wärmetauscher vorgesehen sein. Dabei besteht die Möglichkeit, diesen Wärmetauscher zwischen dem Kompressor und dem Kondensator oder auch stromab des Kondensators anzuordnen. Darüber hinaus besteht die Mög­ lichkeit, den mit den Wärmetauschflächen zur Verdunstung versehenen Wärmetauscher baulich mit dem Kondensator zu vereinigen.

Die isotherme Erhöhung der Kälteleistung ist abhängig von der Menge des verdunsteten Wassers. Hierauf nehmen neben der Temperatur des Kältemittels, das den Wärmetauscher durchströmt, auch das Volumen des die Wärmetauschflächen beaufschlagenden Luftstroms, dessen Feuchtigkeitsgrad und die Dicke des Wasserfilmes auf den Wärmetauschflächen Einfluß. Um das Wasser möglichst gleichmäßig als dünnen Film auf die Wärmetauschflächen aufzutragen, ist es von Vorteil, daß mindestens eine Sprühvorrichtung vorgesehen ist, welche die Wärmetauschflächen großflächig mit Wasser benetzt. In besonderer Weise umfaßt die Sprühvorrichtung mehrere Sprühdüsen, die bezüglich des Sprühwinkels verän­ derbar sind. Auf diese Weise kann die Größe der benetzten Flächen dem jeweiligen Bedarf der Verdunstung und der daraus resultierenden Kälteleistung variiert werden. Au­ ßerdem ist es möglich, durch entsprechende Mittel den Durchsatz des Wassers, das von der Sprühvorrichtung von einem Verteilerboden abgegeben wird, zu verändern. So kann beispielsweise das Wasser in zeitlich veränderbaren Intervallen aufgesprüht werden, wobei die Intervalle in Abhängigkeit mehrerer Parameter bemessen werden können.

Eine besondere Ausgestaltung der Wärmetauschflächen zur Verdunstung besteht darin, daß die Wärmetauschflächen mit einem saugfähigen Material überzogen beziehungsweise be­ schichtet sind. Durch geeignete Wasserzuführung kann die­ ses saugfähige Material ständig mit der benötigten Was­ sermenge versorgt werden, damit eine für einen möglichst guten Verdunstungsgrad bemessene Befeuchtung erfolgt.

Zweckmäßigerweise ist unterhalb des Verdampfers eine Auf­ fangwanne für an Wärmetauschflächen des Verdampfers sich bildendes Kondenswasser angeordnet. Ebenso ist es zweck­ mäßig, unterhalb des Wärmetauschers mit den Wärmetausch­ flächen zur Verdunstung eine Sammelschale für abtropfen­ des Wasser anzuordnen. Das in der Auffangwanne und/oder der Sammelschale gesammelte Wasser wird vorzugsweise mit­ tels einer Pumpe abgesaugt und den Wärmetauschflächen für die Verdunstung zugeführt. Auf diese Weise wird das am Verdampfer ohnehin anfallende Kondenswasser einer Nutzung zugeführt und die nicht verdunstete Wassermenge wieder verwendet. An Stelle der Verwendung des Kondenswassers oder auch zusätzlich zu dieser Maßnahme kann ein als Was­ serreservoir dienender Behälter vorgesehen sein, aus dem bedarfsweise Wasser entnommen und den Wärmetauschflächen für die Verdunstung zugeführt wird. Der Wärmetauscher mit den Wärmetauschflächen zur Verdunstung des Wassers ist vorzugsweise als ein Rohrbündel aus mehreren im wesentli­ chen horizontal verlaufenden Rohren ausgebildet. Als al­ ternative Ausführung kann auch ein Rippenrohr-Wärmeüber­ träger vorgesehen sein. Der Luftstrom zur Verdunstung des aufgesprühten Wassers tritt im Kreuzstrom ebenfalls hori­ zontal zwischen den Mantelflächen der Wärmetauscherrohre hindurch.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Klimaanlage sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Kraftfahrzeug­ klimaanlage mit Verdunstungseinrichtung,

Fig. 2 eine Ausführungsvariante zu Fig. 1,

Fig. 3 einen Rohrbündelwärmetauscher als Verdunstungsküh­ ler.

Der in Fig. 1 gezeigte Kältemittelkreis 1 umfaßt einen Verdampfer 2, ein Expansionsventil 5, einen Kondensator 4 sowie einen Kompressor 3. Dem Kondensator 4 ist ein Kon­ densatorlüfter 6 zugeordnet, der zur Erzeugung oder Un­ terstützung eines Luftstromes durch den Kondensator 4 dient. Außerdem ist ein Verdampfergebläse 7 vorgesehen, das einen Luftstrom durch den Verdampfer 2 erzeugt. Un­ terhalb des Verdampfers 2 befindet sich eine Auffangwanne 8, in der Kondenswasser, das sich an den kühlen Wärme­ tauschflächen des Verdampfers bildet und nach unten ab­ läuft oder abtropft, gesammelt wird. Der Kondensator 4 ist mit Wärmetauschflächen zur Verdunstung von Wasser versehen. Um das Wasser auf die Wärmetauschflächen zur Verdunstung aufzutragen, ist eine Befeuchtungseinrichtung 10 vorgesehen, der das in der Auffangwanne 8 gesammelte Kondenswasser mittels einer Pumpe 9 zugeführt wird.

Beim Betrieb des Kältemittelkreises, das heißt bei ange­ triebenem Kompressor 3 wird in den vom Kältemittel durch­ strömten Rohrkanälen des Verdampfers 2 ein Saugdruck er­ zeugt, da das Expansionsventil 5 als Drossel wirkt. Durch den im Verdampfer 2 herrschenden Saugdruck wird Kältemit­ tel verdampft, das heißt das Kältemittel geht vollständig von der flüssigen in die gasförmige Phase über. Durch diese Phasenumwandlung sinkt die Temperatur der Wärme­ tauschflächen des Verdampfers 2, so daß der mittels des Verdampfergebläses 7 durch den Verdampfer 2 geführte Luftstrom abgekühlt wird. Die in diesem Luftstrom enthal­ tene Feuchtigkeit wird zum großen Teil aufgrund der Tem­ peraturabsenkung auskondensiert, wobei durch geeignete Maßnahmen das Kondenswasser nach unten abgeleitet wird, um in der Auffangwanne 8 gesammelt zu werden. Der Kom­ pressor 3 verdichtet das gasförmige Kältemittel, das von der Hochdruckseite des Kompressors in gasförmigem Zustand dem Kondensator 4 zugeführt wird. Im Kondensator erfolgt die Phasenumwandlung, wobei das gasförmig in den Konden­ sator eintretende Kältemittel vollständig kondensiert wird und in flüssigem Zustand aus dem Kondensator 4 aus­ tritt. Durch die Kondensation wird eine erhebliche Wärme­ menge abgegeben, die mittels des vom Kondensatorlüfter 6 erzeugten Luftstromes abgeführt wird. Zur weiteren Tempe­ raturreduzierung des Kältemittels innerhalb des Kondensa­ tors 4 ist der Kondensator mit Wärmetauschflächen zur Verdunstung von Wasser ausgestaltet, wobei dieses Wasser mittels der Befeuchtungseinrichtung 10 als dünner Film auf die Wärmetauschflächen aufgebracht wird. Da der Kon­ densationsprozeß auf einem entsprechenden Temperaturni­ veau abläuft, sind die Wärmetauschflächen ebenfalls warm, so daß die als dünner Film aufgetragene Wassermenge auf den warmen Wärmetauschflächen sowie aufgrund des den Kon­ densator 4 durchströmenden Luftstromes sofort verdunstet. Durch diese Verdunstung wird eine Kälteleistung erzeugt, die zusätzlich zu der Abkühlung durch den Luftstrom zu einer weiteren Temperaturabsenkung des Kältemittels führt.

In der Fig. 2 ist ein Kältemittelkreis 1 dargestellt, der bezüglich des Kompressors 3, des Verdampfers 2 und des Expansionsventils 5 demjenigen der Fig. 1 entspricht. Dieser Kältemittelkreis umfaßt einen Kondensator 4′, des­ sen Wärmetauschflächen von einem Luftstrom beaufschlagt werden, die jedoch nicht zur Verdunstung von aufgetrage­ nem Wasser dienen. Zur Verdunstung des Wassers ist ein Verdunstungswärmetauscher 11 vorgesehen, dem eine Sprüh­ vorrichtung 12 zugeordnet ist, mittels welcher die Wärme­ tauschflächen mit einer für den Verdunstungsprozeß geeig­ neten Wassermenge benetzt werden. Sekundärseitig wird der Verdunstungswärmetauscher von einem Luftstrom beauf­ schlagt, der mittels eines in Fig. 2 nicht dargestellten Gebläses erzeugt wird. Dabei kann es sich beispielsweise um eine gemeinsames Gebläse sowohl für den Luftstrom durch den Kondensator 4′ als auch für den Verdunstungs­ wärmetauscher 11 handeln. Zusätzlich ist in Fig. 2 noch ein Wasserreservoir 13 dargestellt, wobei der das Wasser aufnehmende Behälter mit der Saugseite der Pumpe 9 ver­ bunden ist. Es kann dabei zweckmäßig sein, dem Wasserre­ servoir 13 lediglich die Wassermenge zu entnehmen, die für den Verdunstungsprozeß nicht aus dem gesammelten Vo­ lumen von Kondenswasser gedeckt werden kann.

Die Fig. 3 zeigt einen als Rohrbündelwärmetauscher ausge­ bildeten Verdunstungswärmetauscher 11. Dabei erstrecken sich horizontal verlaufende Rohre 16 von einem Verteil­ raum 17, in den das Kältemittel von dem Kondensator 4′ kommend eintritt, bis zu einem Sammelraum 18, aus dem das Kältemittel zu dem Expansionsventil geführt wird. Die Au­ ßenseite der Rohre 16 wird von einem Luftstrom beauf­ schlagt, der ebenfalls horizontal, jedoch quer zur Längs­ richtung der Rohre 16 durch den Verdunstungswärmetauscher 11 tritt. Über dem aus den Rohren 16 gebildeten Rohrbün­ del befindet sich die Sprühvorrichtung 12, die aus einer Vielzahl von an einem Verteilrohr 15 angeordneten Sprüh­ düsen 14 gebildet ist. Diese Sprühdüsen 14 sorgen für ei­ ne Benetzung der Oberfläche der Rohre 16 mit feinen Was­ sertröpfchen, die auf die Oberfläche der Rohre 16 auf­ treffen und dort umgehend verdampfen. Unterhalb der das Rohrbündel bildenden Rohre 16 befindet sich eine Sammel­ schale 19 für herabtropfendes Wasser im Falle einer nicht vollständigen Verdunstung der mittels der Sprühdüsen 14 aufgetragenen Wassermenge. An der Sammelschale 19 ist ei­ ne Rücklaufleitung 20 angeschlossen, die mit der Saug­ seite der in Fig. 2 gezeigten Pumpe 9 in Verbindung steht.

Claims (13)

1. Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug mit einem einen Verdampfer (2), ein Expansionsventil (5), einen Kon­ densator (4, 4′) und einen Kompressor (3) umfassen­ den Kältemittelkreis (1), dadurch gekennzeichnet, daß im Hochdruckabschnitt des Kältemittelkreises (1) ein Wärmetauscher (4, 11) mit Wärmetauschflächen vorgesehen ist, an denen Was­ ser mittels eines die Wärmetauschflächen beaufschla­ genden Luftstromes (1) verdunstet wird.

2. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschflächen an dem Kondensator (4) vorgesehen sind.

3. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschflächen an einem dem Kondensator (4′) in Strömungsrichtung des Kältemittelkreises (1) nachgeordneten Wärme­ tauscher (11) gebildet sind.

4. Klimaanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (4′) und der Wärmetauscher (11) baulich vereinigt sind.

5. Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Sprüh­ vorrichtung (10, 12) vorgesehen ist, welche die Wär­ metauschflächen großflächig mit Wasser benetzt.

6. Klimaanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprühvorrichtung (12) mehrere Sprühdüsen (14) umfaßt, die bezüglich des Sprühwinkels veränderbar sind.

7. Klimaanlage nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, durch die der Durchsatz des Wassers veränderbar ist.

8. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschflächen mit einem saugfähigen Material überzogen beziehungs­ weise beschichtet sind.

9. Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Verdamp­ fers (2) eine Auffangwanne (8) für an Wärmetausch­ flächen des Verdampfers (2) sich bildendes Kondens­ wassers angeordnet ist.

10. Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Wärme­ tauschers (11) mit den Wärmetauschflächen zur Ver­ dunstung eine Sammelschale (19) für abtropfendes Wasser angeordnet ist.

11. Klimaanlage nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pumpe (9) vorgese­ hen ist, mittels der das Kondenswasser aus der Auf­ fangwanne (8) und/oder Tropfwasser aus der Sammel­ schale (19) den Wärmetauschflächen für die Verdun­ stung zuführbar ist.

12. Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein als Wasserreservoir (13) dienender Behälter vorgesehen ist, aus dem be­ darfsweise Wasser entnommen und den Wärmetauschflä­ chen für die Verdunstung zugeführt wird.

13. Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (11) mit den Wärmetauschflächen zur Verdunstung des Was­ sers ein Rohrbündel aus mehreren im wesentlichen ho­ rizontal verlaufenden Rohren (16) umfaßt.