DE19806654A1 - Klimaanlage für Fahrzeuge - Google Patents
Klimaanlage für FahrzeugeInfo
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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).
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).
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 (6)
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19806654A DE19806654A1 (de) | 1998-02-18 | 1998-02-18 | Klimaanlage für Fahrzeuge |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19806654A DE19806654A1 (de) | 1998-02-18 | 1998-02-18 | Klimaanlage für Fahrzeuge |
Publications (1)
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