DE19638207A1 - Fahrzeugklimaanlage mit Verdunstungsfluid-Kreislauf - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Fahrzeugklimaanlage mit einem Verdunstungsfluid-Kreislauf, der einen Verdunstungs-Wärmeübertrager beinhaltet, in welchem ein Teil des Verdun­ stungsfluids in einen Prozeßluftstrom verdunstet wird. Die erforderliche Verdunstungswärme wird dabei sowohl dem Prozeß­ luftstrom als auch dem nicht verdunstenden Teil des Verdun­ stungsfluids entzogen. Gegenüber Klimaanlagen, die nach dem Prinzip der Kaltdampfkompression mit einem von der Energie des Fahrzeugmotors angetriebenen Kompressor arbeiten, können solche Fahrzeugklimaanlagen wenigstens zeitweise auch bei stehendem Fahrzeug und abgestelltem Motor betrieben werden, ohne daß die Fahrzeugbatterie oder ein anderer Energiespei­ cher zu schnell entladen wird.

Fahrzeugklimaanlagen dieser Art sind in der Offenlegungs­ schrift DE 41 25 993 A1 beschrieben. Bei den dortigen Anord­ nungen wird der durch den Verdunstungs-Wärmeübertrager hin­ durchgeleitete und dadurch abgekühlte und angefeuchtete Luft­ strom als Kühlluftstrom in den Fahrzeuginnenraum geleitet.

In der Offenlegungsschrift DE 42 04 263 A1 ist eine Fahrzeug­ klimaanlage mit einem Verdunstungs-Wärmeübertrager beschrie­ ben, der so ausgelegt ist, daß zugeführtes Wasser in einen ersten, durch ihn hindurchgeführten Luftstrom verdunstet wird, während ein zweiter Luftstrom davon getrennt durch den Wärmeübertrager hindurchgeleitet wird. Die erforderliche Ver­ dunstungswärme wird den verschiedenen Medien im Wärmeübertra­ ger entzogen und führt dadurch auch zur Abkühlung des zweiten Luftstroms. Der erste Luftstrom, der vor seinem Eintritt in den Verdunstungs-Wärmeübertrager durch einen Trockner hin­ durchgeleitet wird, nimmt das verdunstende Wasser auf und wird in die Umgebung außerhalb des Fahrzeuginnenraums abge­ führt. Hingegen wird der zweite, abgekühlte, jedoch nicht mit dem verdunstenden Wasser beaufschlagte Luftstrom als Kühl­ luftstrom in den Fahrzeuginnenraum geleitet.

Bei einer in der deutschen Patentanmeldung Nr. 195 12 048.5 beschriebenen Fahrzeugklimatisierungseinrichtung dient eine verdunstende Fahrzeugaußenhautstruktur als Verdunstungs-Wär­ meübertrager, wobei diese Struktur eine an ihrer Außenseite mit Außenluft anströmbare und mit einem Verdunstungsfluid be­ feuchtbare Verdunstungsschicht sowie eine an deren Innenseite angeordnete, wärmeübertragende Oberflächenstruktur beinhal­ tet, an der vorbeiströmende Fahrzeuginnenraumluft gekühlt werden kann.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstel­ lung einer Fahrzeugklimaanlage der eingangs genannten Art zu­ grunde, die in neuartiger und vorteilhafter Weise eine Küh­ lung eines Fahrzeuginnenraums auch bei abgestelltem Fahrzeug­ motor ermöglicht.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung einer Fahrzeugklimaanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei dieser Klimaanlage beinhaltet der Verdunstungsfluid-Kreislauf zusätzlich zu dem Verdunstungs-Wärmeübertrager ei­ nen davon räumlich entfernt angeordneten Wärmeübertrager, in welchem ein in einen Fahrzeuginnenraum geleiteter Kühlluft­ strom mit dem Verdunstungsfluid in Wärmekontakt steht. Bei dieser Anlage fungiert folglich der Verdunstungsfluid-Kreis­ lauf als Kältemittelkreislauf und damit das Verdunstungsfluid als Kältemittel zur Abkühlung des in den Fahrzeuginnenraum geleiteten Kühlluftstroms an dem entsprechenden Kühlluft­ strom-Verdunstungsfluid-Wärmeübertrager. Durch die räumliche Entkopplung der Abkühlung des Verdunstungsfluids im Verdun­ stungs-Wärmeübertrager einerseits und der Abkühlung des in den Fahrzeuginnenraum geleiteten Kühlluftstroms im Kühlluft­ strom-Verdunstungsfluid-Wärmeübertrager andererseits ist es möglich, den Kühlluftstrom-Verdunstungsfluid-Wärmeübertrager an einer beliebigen, geeignet erscheinenden Stelle, insbeson­ dere innerhalb des Fahrzeuginnenraums, anzuordnen.

Der Kühlluftstrom kann dabei vor seinem Eintritt in diesen Wärmeübertrager als Umluft dem Fahrzeuginnenraum oder als Frischluft dem Außenraum entnommen sein. Er gibt im aktiven Kühlbetrieb der Anlage in dem betreffenden Wärmeübertrager Wärme an das Verdunstungsfluid ab. Diese Wärme wird vom Ver­ dunstungsfluid zum Verdunstungs-Wärmeübertrager transportiert und dort zur Verdunstung eines Teils des Verdunstungsfluids verwendet. Es versteht sich, daß der Verdunstungsfluid-Kreislauf über geeignete Mittel zur Bereitstellung einer aus­ reichenden Verdunstungsfluidmenge besitzt, beispielsweise ei­ nen ausreichend großen Vorratstank und/oder Mittel zur Fluid­ rückgewinnung aus dem Prozeßluftstrom. Die Anlage besitzt ei­ nen vergleichsweise geringen Energiebedarf, da sie ohne Kom­ pressor realisierbar ist. Außerdem wird das Einleiten des mit dem verdunsteten Fluid belasteten Prozeßluftstroms in den Fahrzeuginnenraum vermieden, was Schimmelbildung und Verkei­ mung der Fahrzeuginnenraumluft vorbeugt.

In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 sind der Verdunstungs-Wärmeübertrager außerhalb und der Kühlluftstrom-Verdunstungsfluid-Wärmeübertrager innerhalb des Fahrzeugin­ nenraums angeordnet. Der durch den Wärmekontakt mit dem Ver­ dunstungsfluid abgekühlte Kühlluftstrom steht in diesem Fall sofort im Fahrzeuginnenraum zur Abkühlung desselben zur Ver­ fügung, ohne daß er sich schon in Zuführungsleitungen zum Fahrzeuginnenraum vor Erreichen desselben wieder erwärmen kann.

Bei einer nach Anspruch 3 weitergebildeten Fahrzeugklimaanla­ ge ist zusätzlich ein Luft-Luft-Wärmeübertrager im Prozeß­ luftströmungsweg derart vorgesehen, daß der dem Verdunstungs-Wärmeübertrager zugeführte Prozeßluftstrom von dem bereits durch den Verdunstungs-Wärmeübertrager hindurchgeleiteten und dadurch abgekühlten Prozeßluftstrom vorgekühlt wird.

Bei einer nach Anspruch 4 weitergebildeten Fahrzeugklimaanla­ ge ist eine Trocknereinheit vorgesehen, welche kontinuierlich von außen Zuge führte Frischluft in einen getrockneten Prozeß­ luftstrom konditioniert, der dadurch zur Aufnahme des in ihn verdunstenden Teils des Verdunstungsfluids unabhängig vom Feuchtigkeitsgehalt der Außenluft befähigt ist. Bei geeigne­ ter Systemauslegung verbessert diese Maßnahme zudem den Wir­ kungsgrad der Anlage.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Die einzige Figur zeigt ein Blockdiagramm einer Fahrzeugkli­ maanlage mit einem Verdunstungsfluid-Kreislauf.

Die gezeigte Fahrzeugklimaanlage beinhaltet einen Verdun­ stungsfluid-Kreislauf in Form eines Wasserkreislaufes 1, bei dem Wasser als das Verdunstungsfluid fungiert. Der Wasser­ kreislauf beinhaltet einen Wassertank 2, eine Förderpumpe 3, einen Rückkühler 4 als Verdunstungs-Wärmeübertrager, dem über die Förderpumpe 3 Wasser aus dem Tank 2 zugeführt wird, sowie einen Kühlluftstrom-Verdunstungsfluid-Wärmeübertrager 5, durch den zum einen vom Rückkühler 4 zugeführtes Wasser und zum anderen dazu in Wärmekontakt stehend ein Kühlluftstrom 6 hindurchgeleitet wird, der anschließend in einen Fahrzeugin­ nenraum 7 zur Kühlung desselben eingeleitet wird. Im gezeig­ ten Beispiel ist der Kühlluftstrom 6 als Umluftstrom dem Fahrzeuginnenraum 7 selbst entnommen. Alternativ dazu kann er als Frischluftstrom der Außenluft entnommen sein. Der Kühl­ luftstrom-Verdunstungsfluid-Wärmeübertrager 5 befindet sich bevorzugt an einer geeigneten Stelle im Fahrzeuginnenraum 7, während die übrigen Komponenten des Wasserkreislaufs 1 vor­ zugsweise außerhalb des Innenraums, z. B. im Motorraum, ange­ ordnet sind.

Im Rückkühler 4 wird ein gewisser, geringfügiger Teil des im Wasserkreislauf 1 zirkulierenden Wassers mittels einer her­ kömmlichen Verdunstungsstruktur in einen hindurchgeleiteten Prozeßluftstrom 8 verdunstet. Die erforderliche Verdunstungs­ wärme wird der gesamten Rückkühlerstruktur und damit auch dem hindurchgeleiteten Prozeßluftstrom 8 und dem nicht verdun­ stenden, überwiegenden Teil des hindurchgeführten Wassers entzogen. Das solchermaßen abgekühlte Wasser wird dann dem Kühlluftstrom-Verdunstungsfluid-Wärmeübertrager 5 zugeleitet und nimmt dort Wärme von dem Kühlluftstrom 6 auf, der bei­ spielsweise im Kreuzstrom zur Wasserströmung durch diesen Wärmeübertrager 5 hindurchgeführt wird. Der aus dem Wärme­ übertrager 5 austretende, kalte Kühlluftstrom 6 kühlt dann den Fahrzeuginnenraum 7. Das im Wärmeübertrager 5 erwärmte Wasser wird über den Tank 2 und die Förderpumpe 3 wieder dem Rückkühler 4 zugeleitet.

Im Rückkühler 4 kann der hindurchgeleitete Prozeßluftstrom 8 bis nahe an die Kühlgrenztemperatur abgekühlt werden. Zur Wirkungsgradverbesserung wird der Prozeßluftstrom in speziel­ ler Weise konditioniert, wozu ein Luft-Luft-Wärmetauscher 9 und eine Trocknereinheit 10 vorgesehen sind. Die Trocknerein­ heit 10 stellt einen getrockneten, erwärmten Luftstrom 8a als eingangsseitigen Prozeßluftstrom zur Verfügung. Dieser wird im Luft-Luft-Wärmeübertrager 9 von dem im Rückkühler 4 abge­ kühlten, das verdunstete Wasser beinhaltenden Prozeßluftstrom 8c vorgekühlt, wozu die beiden Luftströmungen beispielsweise im Kreuzstrom getrennt durch den Luft-Luft-Wärmeübertrager 9 geführt werden. Der von der Trocknereinheit 10 kommende, durch diesen Wärmeübertrager 9 hindurchgeleitete Prozeßluft­ strom 8b wird dann in den Rückkühler 4 eingeleitet, während die vom Rückkühler 4 kommende Prozeßluftströmung nach Durch­ tritt durch den Luft-Luft-Wärmeübertrager 9 als Fortluft an die Fahrzeugaußenumgebung abgegeben wird.

Die Trocknereinheit beinhaltet zwei parallel angeordnete Ad­ sorber 11a, 11b, von denen abwechselnd der eine im Adsorpti­ ons- und der andere im Desorptionsbetrieb arbeitet. Dazu kann jedem Adsorber 11a, 11b über einen jeweiligen ersten Einlaß und eine vorgeschaltete, ansteuerbare Frischluftklappe 12a, 12b ein Frischluftstrom Fa, Fb steuerbar zugeführt werden. Der aus dem jeweiligen Adsorber 11a, 11b austretende Luft­ strom 13a, 13b wird über eine jeweils zugehörige Luftleit­ klappe 14a, 14b steuerbar entweder als der eingangsseitige Prozeßluftstrom 8a herangezogen oder als Fortluftstrom 15a, 15b an die Fahrzeugaußenumgebung abgegeben. Über einen jewei­ ligen zweiten Einlaß und eine gemeinsame, vorgeschaltete, an­ steuerbare Luftleitklappe 16 kann in jeweils denjenigen Ad­ sorber, in den momentan keine Frischluft über den anderen Einlaß eingeleitet wird, ein desorbierender Luftstrom 17a, 17b eingeleitet werden, der als heißer Luftstrom dadurch be­ reitgestellt wird, daß in einer vorgeschalteten Heizeinrich­ tung 18 ein dieser zugeführter Frischluftstrom Fc erhitzt wird. Bei der Heizeinrichtung 18 kann es sich insbesondere um eine Brennstoffheizung handeln, die mit dem für den Fahrzeug­ motor verwendeten Kraftstoff als Brennstoff betrieben wird und daher ohne hohe elektrische Energiezufuhr auskommt.

Im Betrieb der Trocknereinheit 10 wird in dem in der Figur mit durchgezogenen Strömungspfeilen veranschaulichten Be­ triebszustand Frischluft Fb über die zugehörige geöffnete Frischluftklappe 12b in den unteren Adsorber 11b eingeleitet und dort getrocknet und dabei erwärmt. Der trockene, warme Luftstrom 13b wird nach Austritt aus diesem Adsorber 11b durch eine entsprechende Stellung der Luftleitklappe 14b als der Prozeßluftstrom 8a verwendet. Gleichzeitig wird die von der Heizeinrichtung 18 gelieferte, erhitzte Frischluft durch eine entsprechende Stellung der zugehörigen Luftleitklappe 16 dem oberen Adsorber 11a zugeführt, dessen direkte Frischluft­ zufuhr durch Schließen der zugehörigen Frischkluftklappe 12a abgesperrt ist. Der heiße und einen relativ niedrigen Feuch­ tegehalt besitzende Desorptionsluftstrom 17a nimmt das in diesem Adsorber 11a in einem vorangegangenen Adsorptionszy­ klus zwischengespeicherte Wasser auf und führt es als Fort­ luftstrom 15a an die Außenumgebung ab. Dieser Desorptionsvor­ gang wird so lange durchgeführt, bis der gewünschte Trocknungsgrad dieses Adsorbers 11a erreicht ist.

Anschließend kann dann der Betriebszustand der Trocknerein­ heit 10 derart umgeschaltet werden, daß der zuvor getrocknete Adsorber 11a nun im Adsorptionsbetrieb arbeitet und der ande­ re, zuvor im Adsorptionsbetrieb betriebene Adsorber 11b ge­ trocknet wird. Dazu werden die drei Luftleitklappen 14a, 14b, 16 in ihre andere Endstellung umgesteuert. Zusätzlich wird die Frischluftklappe 12a für den oberen Adsorber 11a geöff­ net, während diejenige 12b für den unteren Adsorber 11b ge­ schlossen wird. Der sich dann ergebende Luftströmungsverlauf in der Trocknereinheit 10 ist in der Figur gestrichelt wie­ dergegeben. Ersichtlich ermöglicht diese Trocknereinheit 10 einen quasistationären, kontinuierlichen Trocknungsbetrieb.

Die obige Beschreibung des gezeigten Ausführungsbeispiels macht deutlich, daß die erfindungsgemäße Klimaanlage ohne ei­ nen Kompressor auskommt und daher auch längere Zeit bei mit abgestelltem Motor stehendem Fahrzeug betrieben werden kann. Der Bedarf an hochwertiger, d. h. bei abgestelltem Motor im Fahrzeug nur sehr begrenzt vorhandener Energie beschränkt sich auf die relativ geringe Antriebsenergie für die Förder­ pumpe 3 des Verdunstungsfluid-Kreislaufs 1 und die nicht ge­ zeigten Luftgebläse, welche die beschriebenen Luftströme er­ möglichen. Zudem vermeidet die erfindungsgemäße Klimaanlage das Einleiten der mit dem verdunsteten Fluid belasteten Pro­ zeßluftströmung in den Fahrzeuginnenraum. Es versteht sich, daß neben dem gezeigten Beispiel weitere Realisierungen der erfindungsgemäßen Klimaanlage möglich sind, z. B. solche, bei denen statt Wasser ein anderes bekanntes Verdunstungsfluid eingesetzt wird. Des weiteren kann je nach Anwendungsfall auf die Trocknereinheit 10 und/oder den Luft-Luft-Wärmetauscher 9 verzichtet werden. Zudem können die einzelnen Komponenten des Verdunstungsfluid-Kreislaufs 1 je nach Bedarf auch an anderen als den oben explizit erwähnten Positionen am Fahrzeug ange­ ordnet sein.

Claims (4)

1. Fahrzeugklimaanlage mit

• - einem Verdunstungsfluid-Kreislauf (1) mit einem Verdun­ stungs-Wärmeübertrager (4), in welchem ein Teil des Verdunstungsfluids in einen Prozeßluftstrom (8) verdun­ stet wird,
  dadurch gekennzeichnet, daß
• - der Verdunstungsfluid-Kreislauf (1) einen von dem Ver­ dunstungs-Wärmeübertrager (4) räumlich entfernt ange­ ordneten Wärmeübertrager (5) aufweist, in welchem ein in einen Fahrzeuginnenraum (7) geleiteter Kühlluftstrom (6) mit dem Verdunstungsfluid in Wärmekontakt steht.

2. Fahrzeugklimaanlage nach Anspruch 1, weiter dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich der Verdunstungs-Wärmeübertrager (4) außerhalb und der Kühlluftstrom-Verdunstungsfluid-Wärmeübertrager (5) innerhalb des Fahrzeuginnenraums (7) befindet.

3. Fahrzeugklimaanlage nach Anspruch 1 oder 2, weiter ge­ kennzeichnet durch einen Luft-Luft-Wärmeübertrager (9), in welchem ein stromaufwärts des Verdunstungs-Wärme­ übertragers (4) gelegener Abschnitt (8a) des Prozeß­ luftstroms (8) mit einem stromabwärts des Verdunstungs-Wärmeübertragers gelegenen Abschnitt (8c) des Prozeß­ luftstroms in Wärmekontakt steht.

4. Fahrzeugklimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter gekennzeichnet durch eine Trocknereinheit (10) zur Bereitstellung des dem Verdunstungs-Wärmeübertrager (4) zugeführten Prozeßluftstroms (8a) unter Trocknung eines hierzu geführten Frischluftstroms (Fa, Fb), wobei die Trocknereinheit folgende Elemente aufweist:

• - eine Heizeinrichtung (18) zur Erwärmung zugeführter Frischluft (Fc),
• - zwei parallel angeordnete Adsorber (11, 11b) und
• - strömungsleitende Mittel (12a, 12b, 14a, 14b, 16), mit denen umschaltbar zum einen der durch die Heizeinrich­ tung erwärmte Frischluftstrom (17a, 17b) durch den je­ weils einen Adsorber hindurchgeleitet und an die Außen­ umgebung abgeführt und zum anderen ein ungeheizter Frischluftstrom (Fa, Fb) durch den jeweils anderen Ad­ sorber hindurchgeleitet und als Prozeßluftstrom (8a) zum Verdunstungs-Wärmeübertrager (4) bzw. zum vorge­ schalteten Luft-Luft-Wärmeübertrager (9) weitergeleitet wird.