DE19746773A1 - Klimatisierungsvorrichtung für Fahrzeuge mit einer Heizschleife, die einen Verstellkompressor umfaßt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Klimatisierungsvorrich­ tung für den Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs, um­ fassend einen Kältemittelkreislauf, der einen ersten Strang, der einen Verdampfer mit einem nachfolgenden Kompressor enthält, einen zweiten Strang, der einen Kondensator enthält, und einen dritten Strang ohne Kondensator umfaßt, wobei der zweite und dritte Strang parallel zueinander angeordnet sind, so daß sie zusammen mit dem ersten Strang eine Kühlschleife, die außerdem ein erstes Druckminderventil enthält, das zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer ein­ gefügt ist, bzw. eine Erwärmungsschleife bilden, wo­ bei die Vorrichtung darüber hinaus Mittel, um in den Fahrgastraum einen Luftstrom einzuleiten, an dem ein Wärmeaustausch mit dem Verdampfer erfolgt ist, und Umschaltmittel umfaßt, die vorgesehen sind, um das aus dem ersten Strang austretende Kältemittel entwe­ der in den zweiten Strang, wodurch eine Betriebsart mit Kühlung des Luftstroms herbeigeführt wird, oder in den dritten Strang einzuleiten, wodurch eine Be­ triebsart mit Erwärmung des Luftstroms herbeigeführt wird.

Derartige Vorrichtungen werden in der FR-A-2 717 126 und in der FR-A-2 731 952 beschrieben.

In bestimmten Klimatisierungsvorrichtungen für Fahr­ zeuge ist der Kompressor mit verstellbarem Hubvolumen ausgeführt, das heißt, daß das bei jeder Umdrehung angesaugte Kältemittelvolumen verstellbar ist. Die Einstellung des Hubvolumens des Kompressors ermög­ licht eine Anpassung des Kältemitteldurchsatzes an die Erfordernisse der Kälteerzeugung und/oder einen Ausgleich der Veränderungen der Drehzahl des An­ triebsmotors des Fahrzeugs, der auch den Kompressor antreibt.

Die auf dem Markt vorhandenen Kompressoren mit ver­ stellbarem Hubvolumen oder Verstellkompressoren um­ fassen im allgemeinen integrierte Regelungsmechanis­ men, die insbesondere die Werte des Kältemitteldrucks im Kältemittelkreislauf regeln.

Diese Regelungsmechanismen würden im Erwärmungsbe­ trieb keine korrekte Funktionsweise einer Vorrichtung der Art, auf die sich die Erfindung bezieht, gewähr­ leisten. So kann insbesondere beim Einschalten einer Klimatisierungsvorrichtung der im Kältemittelkreis­ lauf herrschende Druck hoch ausfallen, beispielsweise in einer Größenordnung von 10 bar. Unter Berücksich­ tigung dieses hohen Drucks stellt der Kompressor sein Hubvolumen auf den Höchstwert ein, um den Druck zu verringern. Anschließend wird das Hubvolumen so regu­ liert, daß der Druck auf einen Sollwert, zum Beispiel 3 bar eingestellt wird, um eine Vereisung des Ver­ dampfers zu verhindern. Im Falle einer Klimatisie­ rungsvorrichtung mit Heizschleife beträgt beim Ein­ schalten der Vorrichtung im Erwärmungsbetrieb der Druck des Kältemittels, der von der Außentemperatur abhängig ist, beispielsweise 1,4 bar bei einer Tempe­ ratur von -20°C. Das herkömmliche Verfahren zur Rege­ lung des Hubvolumens des Kompressors würde dieses Hubvolumen auf seinen Minimalwert einstellen, was zur Folge hätte, daß der Kältemitteldurchsatz und die Heizeffizienz sehr niedrig ausfallen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Klima­ tisierungsvorrichtung mit Heizschleife und einen Ver­ stellkompressor miteinander vereinbar zu machen.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Vor­ richtung der eingangs genannten Art und sieht vor, daß der Kompressor mit verstellbarem Hubvolumen aus­ geführt ist und daß Steuerungsmittel vorgesehen sind, um eine spezifische Steuerung des Hubvolumens des Kompressors zu gewährleisten, wenn die Umschaltmittel das Kältemittel im dritten Strang zirkulieren lassen.

Die Veränderung des Hubvolumens des Kompressors kann natürlich ihre übliche Funktion erfüllen, wenn das Kältemittel im zweiten Strang zirkuliert, das heißt in der Betriebsart mit Luftkühlung.

Nach zusätzlichen oder alternativen wahlweisen Merk­ malen der Erfindung ist folgendes vorgesehen:

• - Die Steuerungsmittel wirken so, daß sie den Maxi­ malwert des Hubvolumens des Kompressors zumindest beim Einschalten der Vorrichtung im Erwärmungsbetrieb vorgeben.
• - Die besagten Steuerungsmittel wirken so auf den Kompressor ein, daß ein Mechanismus benutzt wird, den dieser umfaßt, um den Maximalwert des Hubvolumens vorzugeben.
• - Die besagten Steuerungsmittel wirken auf den Kom­ pressor ein, indem sie ein in diesen eingebautes Re­ gelventil überbrücken.
• - Die besagten Steuerungsmittel wirken auf den Kom­ pressor ein, indem sie direkt auf ein in diesen ein­ gebautes Regelventil einwirken.
• - Die besagten Steuerungsmittel wirken so, daß sie den Maximalwert des Hubvolumens des Kompressors vor­ geben, solange die Vorrichtung im Erwärmungsbetrieb läuft.
• - Die besagten Steuerungsmittel wirken, zumindest nach Ablauf einer Übergangszeit nach dem Einschalten der Vorrichtung im Erwärmungsbetrieb, so, daß sie das Hubvolumen des Kompressors, und demzufolge den Durch­ satz des Kältemittels in der Erwärmungsschleife, in Abhängigkeit vom Heizbedarf regeln.
• - Es sind Mittel vorgesehen, um Kältemittel aus dem zweiten Strang zur Erwärmungsschleife und/oder umge­ kehrt zu übertragen, so daß die Menge des in der Er­ wärmungsschleife zirkulierenden Kältemittels, und demzufolge der Massedurchsatz dieses Kältemittels, in Abhängigkeit vom Heizbedarf geregelt wird.
• - Die Steuerungsmittel benutzten einen Temperaturfüh­ ler für einen Luftstrom, der durch den Verdampfer ge­ strömt ist, um das Hubvolumen des Kompressors so ein­ zustellen, daß die besagte Temperatur auf einen gewünschten Wert gebracht oder auf diesem Wert gehal­ ten wird.

Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der nachstehenden Beschreibung eingehender dargelegt, wo­ bei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird, deren einzige Figur eine schematische Darstellung ei­ nes Kältemittelkreislaufs einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für die Klimatisierung und Heizung des Fahrgastraums eines Fahrzeugs zeigt, der aus dem in der FR-A-2 731 952 beschriebenen Kreislauf abgeleitet ist.

Die Bestandteile des Kreislaufs sind in drei Strängen 1, 2 und 3 verteilt, die in zwei Verbindungspunkten A und B aneinander angeschlossen sind. Der Strang 1 enthält einen Kompressor 4 mit verstellbarem Hubvolu­ men, der das Kältemittel darin vom Punkt A zum Punkt B umlaufen läßt, und einen Verdampfer 5, der vor dem Kompressor angeordnet ist. Der Strang 2 enthält, auf der Strecke vom Punkt B zum Punkt A, einen Kondensa­ tor 6, eine Flasche 7, ein Rückschlagventil 8 und ein Druckminderventil 10. Im Strang 3 ist ein zweites Druckminderventil 14 angeordnet. Im Strang 1 ist ein erstes Dreiwegeventil 11 eingefügt, so daß zwei sei­ ner Anschlüsse 11-1 und 11-2 mit dem Auslaß des Ver­ dampfers 5 bzw. mit dem Einlaß des Kompressors 4 in Verbindung stehen. Ein zweites Dreiwegeventil 12 ist am Verbindungspunkt B angeordnet, so daß seine drei Anschlüsse 12-1, 12-2 und 12-3 an das hintere Ende des ersten Strangs, das heißt an den Auslaß des Kom­ pressors 4, an das vordere Ende des zweiten Strangs, das heißt an den Einlaß des Kondensators 6, bzw. an das vordere Ende des dritten Strangs, das heißt an den Einlaß des Druckminderventils 14, angeschlossen sind. Ein vierter Strang 13, der keine Bauteile ent­ hält, verbindet schließlich den dritten Anschluß 11-3 des Magnetventils 11 mit einem Zwischenpunkt C des Strangs 2, der zwischen dem Anschluß 12-2 und dem Kondensator 6 angeordnet ist.

Die Magnetventile 11 und 12 werden in koordinierter Form durch eine Steuereinheit 15 gesteuert, so daß drei verschiedene Konfigurationen des Kreislaufs her­ beigeführt werden. In einer ersten Konfiguration stellt jedes dieser Ventile eine Verbindung seiner mit den Nummern 1 und 2 bezeichneten Anschlüsse her. Das Kältemittel zirkuliert dann in einer geschlosse­ nen Schleife, die durch die Stränge 1 und 2 gebildet wird, während der Strang 3 und der Strang 13 durch die Ventile 12 bzw. 11 abgesperrt sind. Diese Schlei­ fe funktioniert wie ein herkömmlicher Klimatisie­ rungskreislauf, wobei das Kältemittel im Verdampfer 5 unter Aufnahme von Wärme vom flüssigen Zustand in den gasförmigen Zustand und im Kondensator 6 unter Abgabe von Wärme vom gasförmigen Zustand in den flüssigen Zustand übergeht. Die im Verdampfer 5 aufgenommene Wärme kann direkt oder indirekt in einen Luftstrom aufgenommen werden, der in den Fahrgastraum des Fahr­ zeugs einzuleiten ist. Der Kältemitteldruck kann durch eine entsprechende Veränderung des Hubvolumens des Kompressors 4 geregelt werden.

In der veranschaulichten Konfiguration stellt das We­ geventil 11 ebenfalls eine Verbindung seiner An­ schlüsse 1 und 2 her, wohingegen das Wegeventil 12 diesmal eine Verbindung seiner Anschlüsse 1 und 3 herstellt. Das Kältemittel zirkuliert daher in einer geschlossenen Schleife, die durch die Stränge 1 und 3 gebildet wird, während der Strang 2 und der Strang 13 durch die Ventile 12 bzw. 11 abgesperrt sind. Das Kältemittel strömt daher durch den Kompressor 4, den Verdampfer 5 und das Druckminderventil 14. Da es nicht mehr durch den Kondensator strömt, bleibt es ständig im gasförmigen Zustand. Der Verdampfer 5 er­ füllt dabei keine Verdampferfunktion mehr, sondern er arbeitet nur noch als Wärmetauscher, indem er die Ab­ leitung eines großen Teils der Wärme ermöglicht, die durch die Kompression des Kältemittels im Kompressor 4 erzeugt wird. Diese Wärme kann für die Heizung des Fahrgastraums verwendet werden, wenn der Verbren­ nungsmotor des Fahrzeugs kalt ist. Da das umlaufende Kältemittel eine Temperatur aufweist, die über der Umgebungstemperatur liegt, kann insbesondere ein in den Fahrgastraum einzuleitender Luftstrom direkt durch den Kontakt mit dem Verdampfer erwärmt werden.

In einer nicht veranschaulichten dritten Konfigurati­ on stellen die Wegeventile eine Verbindung zwischen den Anschlüssen 11-3 und 11-2 einerseits und zwischen den Anschlüssen 12-1 und 12-3 andererseits her. Der Einlaß des Kompressors ist daher, über den Strang 13, mit dem normalen Einlaß 6-1 des Kondensators 6 ver­ bunden, aus dem er Kältemittel im gasförmigen Zustand ansaugen kann. Dieses Kältemittel zirkuliert an­ schließend im Strang 3, kann jedoch nicht vom Punkt A aus zum Kondensator zurückströmen, was vor allem mit dem Vorhandensein des Rückschlagventils 8 zusammen­ hängt. Das Kältemittel gelangt dann in den Verdampfer 5, wo es sich ansammelt, wobei das Wegeventil 11 kei­ ne Verbindung zwischen dem Auslaß des Verdampfers und dem Einlaß des Kompressors herstellt. Dadurch vergrö­ ßert sich die Kältemittelmasse, die nach der Einstel­ lung der Konfiguration entsprechend der Figur in den Strängen 1 und 3 zirkuliert.

Umgekehrt kann die erste Konfiguration kurzzeitig hergestellt werden, damit der Kompressor Kältemittel in den Kondensator drücken kann, wodurch die Kälte­ mittelmasse, die sich nach der Rückkehr zu der in der Figur dargestellten Konfiguration in Umlauf befindet, entsprechend verringert wird.

Erfindungsgemäß wirkt die Steuereinheit 15 außerdem auf den Kompressor 4 ein, wenn sich der Kreislauf in der veranschaulichten Konfiguration befindet. Diese Einwirkung kann insbesondere zur Folge haben, daß der Maximalwert des Hubvolumens beim Einschalten der Vor­ richtung vorgegeben wird, um eine Erhöhung des Drucks des Kältemittels bei niedriger Temperatur zu ermögli­ chen. Um den Maximalwert des Hubvolumens vorzugeben, kann die Steuereinheit 15 auf den dazu im Kompressor vorgesehenen Mechanismus einwirken, indem sie bei­ spielsweise ein Regelventil überbrückt oder direkt darauf einwirkt. Das maximale Hubvolumen kann durch die Steuereinheit 15 während der gesamten Funktions­ dauer der Vorrichtung im Erwärmungsbetrieb aufrecht­ erhalten werden. In diesem Fall erfolgt die eventuel­ le Einstellung der Wärmeabgabe in Abhängigkeit vom jeweiligen Bedarf ausschließlich durch eine entspre­ chende Änderung der in der Heizschleife zirkulieren­ den Kältemittelmenge über die Steuerung der Ventile 11 und 12, um kurzzeitig die erste Konfiguration und/oder die dritte Konfiguration einzustellen, die vor­ stehend beschrieben wurden. Nach einer Anfangszeit mit Sperrung des Hubvolumens kann die Steuereinheit 15 diesen außerdem so einstellen, daß die Wärmeabgabe für den Heizbetrieb optimiert wird. Die Veränderung des Hubvolumens des Kompressors kann mit der, wie vorstehend beschriebenen, Veränderung der in der Er­ wärmungsschleife enthaltenen Kältemittelmenge kombi­ niert werden, um den Einstellungsbereich der Wärmeab­ gabe zu erweitern. Es können unterschiedliche Eingabeparameter durch die Steuereinheit 15 verwendet werden, um das Hubvolumen des Kompressors 4 zu steu­ ern. Dabei kann das Hubvolumen beispielsweise so ein­ gestellt werden, daß die Temperatur des Luftstroms, der durch den Verdampfer 5 geströmt ist, auf einen gewünschten Wert gebracht oder auf diesem Wert gehal­ ten wird.

Als Variante können das Wegeventil 11 und der Strang 13 entfallen, was zu einem Kreislauf führt, der den in der FR-A-2 717 126 beschriebenen Kreisläufen, ab­ gesehen vom verstellbaren Hubvolumen des Kompressors, entspricht. Ein solcher Kreislauf ermöglicht keine Kältemittelübertragung vom zweiten Strang in die Heizschleife, um den Massedurchsatz des in dieser Schleife zirkulierenden Kältemittels zu erhöhen. Die­ ses Ergebnis wird dann ausschließlich durch die Ein­ stellung des Hubvolumens des Kompressors unter der Einwirkung der Steuereinheit 15 herbeigeführt. Die Änderung des Massedurchsatzes des in der Erwärmungs­ schleife zirkulierenden Kältemittels erzeugt eine schnellere Wirkung auf die Wärmeleistung, wenn sie durch die Verstellung des Hubvolumens des Kompressors herbeigeführt wird, als wenn sie durch eine Umfüllung von Kältemittel erfolgt, was vor allem darauf zurück­ zuführen ist, daß sie keine Unterbrechung der Zirku­ lation des Kältemittels in dieser Schleife erfordert.

Claims (9)

1. Klimatisierungsvorrichtung für den Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Kältemittel­ kreislauf, der einen ersten Strang (1), der einen Verdampfer (5) mit einem nachfolgenden Kompressor (4) enthält, einen zweiten Strang (2), der einen Konden­ sator (6) enthält, und einen dritten Strang (3) ohne Kondensator umfaßt, wobei der zweite und dritte Strang parallel zueinander angeordnet sind, so daß sie zusammen mit dem ersten Strang eine Kühlschleife, die außerdem ein erstes Druckminderventil (10) ent­ hält, der zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer eingefügt ist, bzw. eine Erwärmungsschleife (1, 3) bilden, wobei die Vorrichtung darüber hinaus Mittel, um in den Fahrgastraum einen Luftstrom einzuleiten, an dem ein Wärmeaustausch mit dem Verdampfer erfolgt ist, und Umschaltmittel (11, 12) umfaßt, die vorgese­ hen sind, um das aus dem ersten Strang austretende Kältemittel entweder in den zweiten Strang, wodurch eine Betriebsart mit Kühlung des Luftstroms herbei­ geführt wird, oder in den dritten Strang einzuleiten, wodurch eine Betriebsart mit Erwärmung des Luftstroms herbeigeführt wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kompressor (4) mit ver­ stellbarem Hubvolumen ausgeführt ist und daß Steue­ rungsmittel (15) vorgesehen sind, um eine spezifische Steuerung des Hubvolumens des Kompressors zu gewähr­ leisten, wenn die Umschaltmittel (11, 12) das Kälte­ mittel im dritten Strang zirkulieren lassen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuerungsmittel (15) so wirken, daß sie den Maximalwert des Hubvolu­ mens des Kompressors (4) zumindest beim Einschalten der Vorrichtung im Erwärmungsbetrieb vorgeben.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die besagten Steue­ rungsmittel so auf den Kompressor einwirken, daß ein Mechanismus benutzt wird, den dieser umfaßt, um den Maximalwert des Hubvolumens vorzugeben.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die besagten Steue­ rungsmittel auf den Kompressor einwirken, indem sie ein in diesen eingebautes Regelventil überbrücken.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die besagten Steue­ rungsmittel auf den Kompressor einwirken, indem sie direkt auf ein in diesen eingebautes Regelventil ein­ wirken.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die be­ sagten Steuerungsmittel so wirken, daß sie den Maxi­ malwert des Hubvolumens des Kompressors vorgeben, so­ lange die Vorrichtung im Erwärmungsbetrieb läuft.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die be­ sagten Steuerungsmittel, zumindest nach Ablauf einer Übergangszeit nach dem Einschalten der Vorrichtung im Erwärmungsbetrieb, so wirken, daß sie das Hubvolumen des Kompressors, und demzufolge den Durchsatz des Kältemittels in der Erwärmungsschleife, in Abhängig­ keit vom Heizbedarf regeln.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um Kältemittel aus dem zweiten Strang zur Erwärmungsschleife und/oder umge­ kehrt zu übertragen, so daß die Menge des in der Erwärmungsschleife zirkulierenden Kältemittels, und demzufolge der Massedurchsatz dieses Kältemittels, in Abhängigkeit vom Heizbedarf geregelt wird.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungsmittel einen Temperaturfühler für einen Luftstrom benutzen, der durch den Verdampfer geströmt ist, um das Hubvolumen des Kompressors so einzustellen, daß die besagte Temperatur auf einen gewünschten Wert gebracht oder auf diesem Wert gehal­ ten wird.