DE19806654A1

DE19806654A1 - Klimaanlage für Fahrzeuge

Info

Publication number: DE19806654A1
Application number: DE19806654A
Authority: DE
Inventors: Frank Obrist
Original assignee: Obrist Engineering GmbH
Current assignee: Obrist Engineering GmbH
Priority date: 1998-02-18
Filing date: 1998-02-18
Publication date: 1999-08-19

Description

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage zum Heizen und Kühlen des Fahrgastraumes eines durch eine Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Fahrzeuges, mit einem ersten, eine Umwälzpumpe und mindestens einen Wärmetauscher aufweisenden Kanalnetz für die Zirkulation eines Wärmeträgers zur Ableitung von Wärme aus der Verbrennungskraftmaschine sowie zur Heizung des Fahr gastraumes und mit einem zweiten, einen regelbaren Kompressor, mehrere Wärmetauscher und mindestens eine Expansionsein richtung aufweisenden, eine Kreislaufströmung ermöglichenden Kanalnetz für die Zirkulation eines anderen Wärmeträgers, wo bei einer der Wärmetauscher des zweiten Kanalnetzes ein Kli matisierungswärmetauscher ist, indem dieser in einem zu dem Fahrgastraum führenden Belüftungskanal angeordnet ist.

Bei Klimaanlagen der genannten Art bildet das zweite Kanal netz in der Regel eine Zusatzausrüstung zu der in jedem Kraftfahrzeug vorhandenen, durch Kühlwasser der Verbrennungs kraftmaschine betriebenen Anlage zur Heizung des Fahrgast raumes, so daß der für die Kühlung vorgesehene Klimatisie rungswärmetauscher mit entsprechendem Raumbedarf zusätzlich zu dem grundsätzlich vorhandenen, für die Heizung vorgesehe nen Klimatisierungswärmetauscher in dem zum Fahrgastraum füh renden Belüftungskanal angeordnet ist und für beide Kanalnet ze jeweils eine Regeleinrichtung vorgesehen ist. Die Anord nung der Klimatisierungswärmetauscher in Strömungsrichtung der Belüftung hintereinander führt zu entsprechend großem Raumbedarf, folglich zu erhöhtem konstruktiven Aufwand und außerdem zu erhöhtem Strömungswiderstand des Belüftungsstro mes.

Die durch das erste Kanalnetz der bekannten Klimaanlage er folgende Klimatisierung durch Heizen hat den schwerwiegenden Nachteil, daß bei Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine deren Wärme erst nach ausreichender Erwärmung des Motorkühl wassers und somit zu spät zur Verfügung steht, um vereiste Scheiben des Fahrgastraumes vor Start des Fahrzeuges abzu tauen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Klimaanlage zum Heizen und Kühlen zu finden, die beim Heizen sofort nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine aus kaltem Zustand eine hohe Wärmeleistung zur Verfügung stellt. Dabei soll sie mit verhältnismäßig geringem Raumbedarf und verringertem konstruktiven und regeltechnischem Aufwand verbunden sein.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, in dem zweiten Kanalnetz mindestens ein durch eine Regelein richtung umschaltbarer Strömungsverteiler angeordnet ist, durch dessen Umschaltung jeweils der Strömungsweg für einen von zwei Betriebskreisläufen des Kanalnetzes zur wahlweisen Beheizung oder Kühlung des Fahrgastraumes gebildet wird, in welchem der Klimatisierungswärmetauscher und die mindestens eine Expansionseinrichtung angeordnet sind, wobei in Strö mungsrichtung an den Kompressor anschließend eine Verzwei gung für beide alternative Betriebskreisläufe vorgesehen ist, derart, daß in einem ersten der Betriebskreisläufe der Kli matisierungswärmetauscher in Strömungsrichtung hinter dem Kompressor folgt und in einem zweiten Betriebskreislauf der Klimatisierungswärmetauscher in Strömungsrichtung hinter ei nem Abwärmetauscher zur Abführung von Wärme an die Umgebung außerhalb des Fahrzeuges und hinter der mindestens einen Ex pansionseinrichtung angeordnet ist, wobei in dem ersten Be triebskreislauf in Strömungsrichtung hinter der mindestens einen Expansionseinrichtung ein Wärmetauscher vorgesehen ist, in dem der andere Wärmeträger in Wärmeaustausch mit einer Wärmequelle steht.

Vorzugsweise dient die Verbrennungskraftmaschine bzw. deren Kühlsystem jeweils als Wärmequelle, indem beide Kanalnetze durch einen beiden gemeinsamen Wärmetauscher miteinander ge koppelt sind.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese im folgen den anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein schematische Darstellung der Klimaanlage mit ih ren beiden Kanalnetzen, wobei zum Kühlen der zweite Betriebskreislauf des zweiten Kanalnetzes eingeschal tet ist,

Fig. 2 eine Darstellung der Klimaanlage nach Fig. 1, wobei zum Heizen der erste Betriebskreislauf des zweiten Kanalnetzes eingeschaltet ist,

Fig. 3 ein Druck-Enthalpiediagramm für CO₂ als Wärmeträger, mit einer Darstellung des ersten Betriebskreislaufes beim Heizen sowie mit einer Strichliniendarstellung des ersten Betriebskreislaufes bei Leerlaufregelung des Kompressors.

Die Darstellungen der Klimaanlage in den Fig. 1 und 2 nach Art eines Fließdiagrammes zeigen in ihrem unteren Teil das erste Kanalnetz 1, das im wesentlichen dem üblichen Kühlsystem ei ner Verbrennungskraftmaschine 2 entspricht. Im oberen Teil der Darstellung ist das zweite Kanalnetz 3 zu sehen, das für die Zirkulation von phasenweise flüssigem und phasenweise gasförmigem Kohlendioxyd (CO₂) vorgesehen ist.

Das zweite Kanalnetz 3 läßt sich durch die gemeinsame Um schaltung von z. B. zwei als Dreiwegeventile ausgeführten Strömungsverteilern 4 und 5 wahlweise mit einem ersten oder zweiten Betriebskreislauf 6 und 7 betreiben, die in den Fig. 1 und 2 durch die dickeren Linien gekennzeichnet sind.

Der zweite Betriebskreislauf 6 ist auf an sich bekannte Wei se (WO 90/07683) als Kühlkreislauf ausgeführt, indem in Strö mungsrichtung hintereinander ein Kompressor 8, ein Wärmetau scher 9, mindestens eine z. B. als Expansionsventil ausgeführ te Expansionseinrichtung 10, 11 und ein Klimatisierungswärme tauscher 12 angeordnet sind. Vorzugsweise ist in dem Kreis lauf 6 zusätzlich ein Zwischenwärmetauscher 13 vorgesehen, der zur Wärmeableitung aus dem im Kompressor 8 erhitzten CO₂-Wärmeträger beiträgt und somit die Wirkung des Wärmetauschers 9 unterstützt. Weiterhin erfolgt die Expansion des Wärmeträ gers beispielsweise zweistufig in zwei Expansionseinrich tungen 10, 11, zwischen denen ein Flüssigkeitssammler 14 an geordnet ist. Die Regelung des Füllungsgrades dieses unter mittlerem Druck stehenden Sammlers 14 kann zur Pufferung und Regelung der Leistung dieses Betriebskreislaufes 6 dienen. Als Kompressor (8) eignet sich ein Taumelscheibenkompressor mit regelbarer Hubbewegung seiner Kolben, wie durch die Pa tentliteratur (z. B. EP 0 809 027, Audi AG, et al) bekannt ist.

Die Kälteleistung des zweiten Betriebskreislaufes 6 wird am Klimatisierungswärmetauscher 12 zur Verfügung gestellt, der in Wärmeaustausch mit Luft steht, die durch ein nichtdarge stelltes Gebläse in Richtung der Pfeile 16 und damit zu dem Fahrgastraum des Kraftfahrzeuges gefördert wird. Ein z. B. in diesem Luftstrom angeordnet er Temperaturfühler 17 ist über eine durch die Strichlinie 18 angedeutete Signalleitung mit einer Regelvorrichtung 19 verbunden, die aufgrund des zusätz lichen Signales einer elektronischen Sollwertregelung u. a. die Leistung des Kompressors 8 regelt. Die Vorgabe für die Sollwertregelung erfolgt durch den Benutzer des Kraftfahr zeuges.

Aufgrund der Erfindung ermöglicht diese Temperaturregelung nicht nur eine Regelung der Kälteleistung, sondern auch eine Regelung der Heizleistung der Klimaanlage, so daß ein stufen loser Übergang zwischen Kühlen und Heizen möglich ist.

Vorzugsweise hat der Kompressor 8 eine feste, d. h. kupplungs lose Antriebsverbindung mit der Verbrennungskraftmaschine 2, wofür seine Leistung durch Veränderung der Hubweite seiner Kolbenbewegungen bis auf Null regelbar ist. Falls bei Betrieb des zweiten Betriebskreislaufes 6 über seine Nulleistung hi naus durch die Regelvorrichtung 19 eine Heizleistung gefor dert wird, so bewirkt diese eine Umschaltung der beiden Strömungsverteiler 4, 5 aus der in Fig. 1 gezeigten Durchlaß position in die in Fig. 2 gezeigte Durchlaßposition und folg lich eine Umschaltung von dem zweiten Betriebskreislauf 6 auf den in Fig. 2 durch dickere Linien gezeigten ersten Betriebs kreislauf 7.

Bei Umschaltung auf den ersten Betriebskreislauf 7 werden zwei zuvor unbenutzte Teile 20 und 21 des Kanalnetzes 3 zugeschal tet und statt dessen ein Teil 22 des Kanalnetzes 3 abgeschal tet. Der Netzteil 20 beginnt an der Verzweigungsstelle 23 und endet an dem Strömungsverteiler 4. Der zugehörige zweite Netzteil 21 beginnt an dem Strömungsverteiler 5 und endet vor dem Kompressor 8. Der abgeschaltete Netzteil 22 beginnt an der Verzweigungsstelle 23 und endet an dem Strömungsverteiler 5.

Die Umschaltung der Strömungsverteiler 4, 5 hat eine Umkehr der Strömungsrichtung durch die Expansionseinrichtungen 10, 11 und durch den Klimatisierungswärmetauscher 12 zur Folge, die einer Umschaltung auf einen Wärmepumpenkreislauf ent spricht. Somit beheizt der den Kompressor 8 verlassende, er hitzte Wärmeträger den Klimatisierungswärmetauscher 12 und folglich denselben Wärmetauscher 12, der zuvor die Kältelei stung für die Kühlung des Fahrgastraumes abgegeben hat.

Da die Wärmeerzeugung durch Kompression des Wärmeträgers im Kompressor 8 nahezu trägheitslos erfolgt, steht bei Umschal tung zwischen beiden Betriebskreisläufen die Kühl- oder Heiz leistung am Klimatisierungswärmetauscher sofort bzw. inner halb weniger Sekunden zur Verfügung.

Die für den Wärmepumpenbetrieb, d. h. den ersten Betriebs kreislauf 7 erforderliche Wärmezufuhr erfolgt über einen für diesen Betrieb mit dem Netzteil 21 zugeschalteten Wärmetau scher 24, der in Wärmetausch mit einer Wärmequelle steht, die in bevorzugter Ausführungsform der Erfindung durch die Ver brennungskraftmaschine 2 direkt oder deren Kühlkreislauf ge bildet ist.

Das erste Kanalnetz 1 hat auf an sich bekannte Weise zwei Netzteile 25, 26, die durch ein Thermostatventil 27 miteinan der verbunden sind. In der Aufwärmphase der Verbrennungs kraftmaschine ist der den Kühler 28 aufweisende Netzteil 26 durch das Thermostatventil 27 abgesperrt, so daß die in dem Netzteil 25 vorgesehene Pumpe 29 das Kühlmedium nur durch den somit kurzgeschlossenen Netzteil 25 fördert. In diesem ist der Wärmetauscher 24 des zweiten Kanalnetzes 3 vorgesehen, um für dessen ersten Betriebskreislauf 7 die Wärmequelle zu bil den. Für die räumliche Position des Wärmetauschers 24 inner halb des Netzteiles sind in Abhängigkeit von der jeweiligen Gestaltung des Motorraumes des Kraftfahrzeuges und der Ge staltung der Verbrennungskraftmaschine zahlreiche konstrukti ve Ausführungsformen möglich, einschließlich einer direkten Einbeziehung in die Konstruktion der Verbrennungskraftmaschi ne.

Für den Einsatz des ersten Betriebskreislaufes bzw. des Wär mepumpenbetriebs auch in Aufwärmphasen der Verbrennungskraft maschine, wenn diese stark abgekühlt ist und z. B. ein Tem peraturniveau von nur -20°C (-4°F) hat, empfiehlt sich die Verwendung von CO₂ als Wärmeträger bzw. eines Wärmeträ gers oder Wärmeträgergemischs mit vergleichbaren physikali schen Eigenschaften, so daß durch Kompression und Expansion hierfür ausreichend große Temperaturdifferenzen erzielbar sind.

Ein Beispiel für Verfahrensbedingungen im ersten Betriebs kreislauf 7 beim Aufheizen bei kalter Verbrennungskraftma schine von -20°C (-4°F) ist in dem Druck-Enthalpie-Dia gramm der Fig. 3 durch das Diagramm I dargestellt. Dabei sind die verschiedenen Positionen im Kanalnetz 3 und die zugehö rigen Verfahrenzustände im Druck-Enthalpie-Diagramm auf glei che Weise durch A bis D bezeichnet. Entsprechend ist bei spielsweise der Druck- und Temperaturzustand an der Position A in Strömungsrichtung vor dem Kompressor 8 im Druck-Enthal pie-Diagramm ebenfalls mit A bezeichnet. A' bezeichnet in Fig. 3 die Schnittstelle der Linie von D nach A mit der Kurve der Zustandsänderung von flüssig zu dampfförmig und ist somit charakteristisch für die Verdampfungstemperatur bei dem die sem Beispiel entsprechenden Druck des Kühlmediums CO₂.

Beispiel beim Heizen bei kalter Verbrennungskraftmaschine nach Diagramm I der Fig. 3:

Umgebungstemperatur: -20°C (253°K, -4°F),
A: 14 bar, -25°C (248°K, -13°F),
B: 110 bar, +150°C (423°K, +302°F),
C: 110 bar, +30°C (303°K, +86°F),
D: 14 bar, -30°C (243°K, -4°F).

Da somit der CO₂-Wärmeträger nach Verlassen des Wärmetau schers, d. h. bei A, eine Temperatur von -25°C hat, kann er bereits bei einer Temperatur des Kühlmediums der Verbren nungskraftmaschine von -20°C aus diesem Wärme aufnehmen. Diese steht nach Kompression des CO₂-Wärmeträgers im Kompres sor 8 im Klimatisierungswärmetauscher 12 bei einer Temperatur von 150°C sofort bzw. wenige Sekunden nach Start der kalten Verbrennungskraftmaschine 2 zur Verfügung. Da die Verbren nungskraftmaschine 2 den Kompressors 8 antreibt, nimmt diese aufgrund ihrer elektronischen Regelung auch im Leerlauf ent sprechend mehr Energie auf, so daß in ihrem Kühlmedium mehr Wärme zur Verfügung gestellt wird, um im Wärmetauscher 24 an den CO₂-Wärmeträger übertragen zu werden. So ergibt sich bei spielsweise beim Antrieb des Kompressors mit 3 kW eine Wär meabgabe von der Verbrennungskraftmaschine 2 an ihr Kühlme dium von ca. 4 kW und am Klimatisierungswärmetauscher 12 eine Heizleistung von 7 kW.

Bei zunehmender Erwärmung des Kühlmediums der Verbrennungs kraftmaschine und nachlassendem Wärmebedarf zur Beheizung des Fahrgastraumes kann die Leistung des Kompressors 8 zunehmend bis nahezu auf Null zurückgeregelt werden, so daß er nur noch die Aufgabe hat, den Druckverlust zu kompensieren, der beim Zirkulieren des Wärmeträgers im Betriebskreislauf 7 ent steht. Durch dieses Zirkulieren, ohne Kompression und Expan sion, wird die vom Kühlmedium der Verbrennungskraftmaschine 2 im Wärmetauscher 24 an den CO₂-Wärmeträger übertragene Wärme zum Klimatisierungswärmetauscher 12 gefördert. Der Druckver lust für dieses kompressionslose Zirkulieren beträgt z. B. 6 bar, und es ergibt sich ein Zustandsverlauf von A bis c ent sprechen dem Diagramm 11 der Fig. 3. Der Zustand nach Position C ist aufgrund fehlender Expansion an den Ventilen 10, 11 identisch mit demjenigen an der Position D des Kanalnetzes 3. Bei solcher Zirkulation ergeben sich entsprechend Diagramm II folgende Zustandswerte:

A: 62 bar, +80°C (353°K, 176°F),
B: 68 bar, +89°C (362°K, 192°F),
C/D: 65 bar, +30°C (303°K, 86°F).

Falls die Klimaanlage auch eine Regelung der Luftfeuchtigkeit im Fahrgastraum ermöglichen soll, so kann dies auf an sich bekannte Weise durch Kühlen und Auskondensieren von Wasser aus dem Belüftungsstrom 17 erfolgen, jedoch ist in diesem Fall zur anschließenden Erwärmung auf die gewünschte Tempe ratur ein zusätzlicher Heizwärmetauscher 31 erforderlich, der die Wärme vom Wärmeträger des Kühlsystems der Verbrennungs kraftmaschine 2, d. h. vom ersten Kanalnetz 1 erhält. Dieser läßt sich durch einen geregelten Strömungsverteiler 32 zu schalten.

Claims

1. Klimaanlage zum Heizen und Kühlen des Fahrgastraumes eines durch eine Verbrennungskraftmaschine (2) angetriebenen Fahr zeuges, mit einem ersten, eine Umwälzpumpe (28) und minde stens einen Wärmetauscher aufweisenden Kanalnetz (1) für die Zirkulation eines Wärmeträgers zur Ableitung von Wärme aus der Verbrennungskraftmaschine (2) sowie zur Heizung des Fahr gastraumes und mit einem zweiten, einen regelbaren Kompressor (8), mehrere Wärmetauscher (9, 12) und mindestens eine Expan sionseinrichtung (10, 11) aufweisenden, eine Kreislaufströmung ermöglichenden Kanalnetz (3) für die Zirkulation eines ande ren Wärmeträgers, wobei einer der Wärmetauscher des zweiten Kanalnetzes (3) ein Klimatisierungswärmetauscher (12) ist, indem dieser in einem zu dem Fahrgastraum führenden Belüf tungskanal (16) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zweiten Kanalnetz (3) mindestens ein durch eine Regel einrichtung (19) umschaltbarer Strömungsverteiler (4, 5) ange ordnet ist, durch dessen Umschaltung jeweils der Strömungsweg für einen von zwei Betriebskreisläufen (6, 7) des Kanalnetzes (3) zur wahlweisen Beheizung oder Kühlung des Fahrgastraumes gebildet wird, in welchem der Klimatisierungswärmetauscher (12) und die mindestens eine Expansionseinrichtung (10, 11) angeordnet sind, wobei in Strömungsrichtung an den Kompressor (8) anschließend eine Verzweigung (23) für beide alternative Betriebskreisläufe (6, 7) vorgesehen ist, derart, daß in ei nem ersten der Betriebskreisläufe (7) der Klimatisierungswär metauscher (12) in Strömungsrichtung hinter dem Kompressor (8) folgt und in einem zweiten Betriebskreislauf (6) der Kli matisierungswärmetauscher (12) in Strömungsrichtung hinter einem Abwärmetauscher (9) zur Abführung von Wärme an die Um gebung außerhalb des Fahrzeuges und hinter der mindestens einen Expansionseinrichtung (10, 11) angeordnet ist, wobei in dem ersten Betriebskreislauf (7) in Strömungsrichtung hinter der mindestens einen Expansionseinrichtung (10, 11) ein Wärme tauscher (24) vorgesehen ist, in dem der andere Wärmeträger in Wärmeaustausch mit einer Wärmequelle (1, 2) steht.

2. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Kanalnetze (1, 3) durch einen gemeinsamen Wärmetauscher (24) miteinander gekoppelt sind, so daß die Verbrennungs kraftmaschine (2) die Wärmequelle für den Wärmeaustausch des ersten Betriebskreislaufs (7) des zweiten Kanalnetzes (3) bildet.

3. Klimaanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein gegenüber dem Kühler (28) der Verbrennungskraftmaschine (2) kurzgeschlossener Kühlwasserkreislauf (25) des ersten Ka nalnetzes (1) durch einen Wärmetauscher (24) geführt ist, der in Wärmeaustausch mit dem zirkulierenden, anderen Wärmeträger des zweiten Kanalnetzes (3) steht.

4. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Regelung der Temperatur in dem mit dem Klimatisierungswärmetauscher (12) in Wärmeaustausch stehenden Belüftungsstrom (16) ein Temperaturfühler (17) vor gesehen ist, der über eine Signalleitung (18) mit einer Re geleinrichtung (19) verbunden ist, die den Massestrom des Kompressors (8) sowie die Umschaltung der Strömungsverteiler (4, 5) regelt.

5. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß der Wärmeträger des zweiten Kanalnetzes (3) aus CO₂ besteht oder einen Anteil von CO₂ aufweist.

6. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, daß für die Regelung der Luftfeuchtigkeit im Fahrgastraum in Strömungsrichtung des Belüftungsstromes (17) hinter dem Klimatisierungswärmetauscher (12) ein Heizwärme tauscher (31) angeordnet ist, der vom Wärmeträger des ersten Kanalnetzes (1) zur Kühlung der Verbrennungskraftmaschine (2) durchströmt ist.