DE19839002A1 - Im Kältekreis integriertes Heizsystem - Google Patents

Abstract

Heizungs- und Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges mit einem vom Kühlmittel des Motors beaufschlagbaren Heizwärmetauscher und mit einem im Kältemittelkreislauf der Klimaanlage angeordenten Kompressor zur Verdichtung eines gasförmigen Kältemittels, wobei der Heizwärmetauscher 3 neben dem vom Kühlmittel durchflossenen Tauscherbereich 6 einen separaten Tauscherbereich 7 für das aufgeheizte Kältemittel aufweist, der über eine auf der Druckseite des Kompressors 8 aus dem Kältemittelkreislauf abzweigende Bypassleitung 14 mit aufgeheiztem Kältemittel beaufschlagbar ist, wobei die Bypassleitung 14 nach dem Durchlaufen des Heizwärmetauschers 3 auf der Saugseite des Kompressors 8 wieder in den Kältemittelkreislauf mündet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizungs- und Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges mit einem vom Kühlmittel des Motors beaufschlagbaren Heizwärmetauscher und mit einem im Kältemittelkreislauf der Klimaanlage angeordneten Kompressor zur Verdichtung eines gasförmigen Kältemittels.

Moderne, auf besonders gute Energienutzung ausgelegte Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen erzeugen mitunter weniger Abwärme, als für Komfortzwecke insbesondere für die Beheizung des Innenraumes benötigt wird. Bei derartigen Fahrzeugen ist es bekannt, Zusatzheizungen einzusetzen, die den fehlenden Wärmebedarf decken. Als Zusatzheizungen sind vor allem Kraftstoffheizungen oder elektrisch betriebene Heizungen bekannt. Außerdem ist es bekannt, vorhandene Klimaanlagen zur Heizung einzusetzen, wobei das durch den Kompressor komprimierte heiße Kältemittel aus dem Kältemittelkreislauf über eine Bypaßleitung abgezweigt und durch einen Wärmetauscher geführt wird. Dieser Wärmetauscher ist wie auch der vom Kühlmittel durchflossene Heizwärmetauscher im Strom der auszublasenden Luft angeordnet und erwärmt diese bei Bedarf.

Nachteilig an dem bekannten System ist zunächst der hohe Einbau- und Kostenaufwand, der mit der Integration zweier hintereinander angeordnete Wärmetauscher einhergeht. So bedürfen letztere Wärmetauscher eines großen Einbauraumes und bieten dabei der durchströmenden Luft einen hohen Widerstand.

Der erhöhte Widerstand führt dazu, daß für den Luftstrom erzeugenden Ventilator mehr Leistung erforderlich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Heizungs- und Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges so auszulegen, daß bei geringem Bauraum eine Zusatzheizung geschaffen wird, mit welcher der in den Fahrzeuginnenraum geleitete Luftstrom effektiv aufheizbar ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Heizungs- und Klimaanlage nach Anspruch 1 gelöst.

Dadurch daß der Heizwärmetauscher nicht nur durch das Kühlmittel des Verbrennungsmotors sondern zusätzlich noch über eine auf der Druckseite des Kompressors aus dem Kältemittelkreislauf abzweigende Bypaßleitung mit aufgeheiztem Kältemittel beaufschlagbar ist, kann die Beheizung des Luftstromes in einem einzigen Wärmetauscher erfolgen. Dieser Wärmetauscher kann in der Startphase des Motors, solange das Kühlwasser kalt ist, mit aufgeheiztem Kältemittel durchströmt werden und dann auf den normalen Kühlmittelbetrieb umstellen. Die Steuerung des Kühl- bzw. Kältemittelstromes erfolgt dabei durch regelbare Ventile in den Leitungen.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist der Heizwärmetauschers neben der vom Kühlmittel durchflossenen Leitung eine separate Leitung für das aufgeheizte Kältemittel auf. In dieser Form können die Leitungen an die besonderen Bedürfnisse des flüssigen Kühlmittels und des gasförmigen Kältemittels angepaßt und die Austauschtemperatur des Heizwärmetauschers über die separat einstellbaren Flüsse im Kühlmittelkreislauf und im Kältemittelkreislauf eingestellt werden. Je nach Kühlmittel- bzw. Kältemitteltemperatur können die Ströme gleichzeitig oder zeitlich verschoben in den Heizwärmetauscher geleitet werden.

Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Heizungs- und Klimaanlage ist, daß die im Kraftfahrzeug verfügbare Wärmemenge optimal zur Aufheizung der Luft eingesetzt werden kann. Gleichzeitig läßt sich das erfindungsgemäße System auf einfache Weise so auslegen, daß die Geräusche minimiert werden.

Insgesamt zeichnet sich das System wegen der Reduzierung der notwendigen Bauteile durch eine hohe Zuverlässigkeit und durch geringe Bereitstellungskosten aus. Bei guter Anpassung der Geometrie des Heizwärmetauschers läßt sich ein geringer Luftwiderstand bei effektiver Wärmeübertragung erreichen, so daß der für die Erzeugung des Luftstromes nötige Energieverbrauch klein gehalten werden kann. Vorteilhaft ist auch, daß sich das erfindungsgemäße System für alle Arten von Klimaanlagen, beispielsweise für wasserseitig- oder luftseitig gesteuerte Anlagen und alle Arten von Kältemitteln einsetzen läßt. Beispielsweise kann das System ohne Probleme in Klimaanlagen vorgesehen sein, die CO₂ statt der herkömmlichen Kältemittel einsetzen.

Vorteilhafterweise wird das Kältemittel über ein steuerbares 3-Wege-Ventil aus dem Kältemittelkreislauf abzweigt und der Bypaßleitung zugeführt. Dabei ist es vorteilhaft, nach der Abzweigung ein Gasexpansionsventil in der Bypaßleitung vorzusehen, um eine Überhitzung des Kompressors zu vermeiden. Über die Einstellung des vorteilhafterweise im Durchfluß einstellbaren oder regelbaren Expansionsventiles läßt sich die Temperatur des gasförmigen Kältemittels in der Bypaßleitung einstellen. Wenn zudem der Fluß im Kühlmittelkreislauf durch ein Kühlmittelventil einstellbar ist, läßt sich die Temperatur im Heizwärmetauscher unter effektiver Nutzung der vorhanden Wärmemenge optimal einstellen.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Heiz- Klimaanlage ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Die Figur zeigt ein thermodynamisches Zusatzheizsystem, das eine Klimaanlage 1 und eine Heizanlage 2 aufweist. Beide Systeme sind über einen gemeinsamen Heizwärmetauscher 3, der in diesem Ausführungsbeispiel all Doppelkammerwärmetauscher ausgebildet ist, gekoppelt. Der Heizungsanlage 2 wird das Kühlwasser des nicht dargestellten Verbrennungsmotors über die Kühlmittelleitung 4 zugeführt, wobei der Fluß des Kühlmittels durch ein Kühlmittelventil 5 einstellbar, das bei Bedarf geschlossen werden kann. Der Doppelkammerwärmetauscher 3 weist einerseits einen Kühlmitteltank 6 und andererseits einen Tank 7 für das gasförmige Kältemittel mit den jeweils zugeordneten nicht dargestellten Wärmetauscherrohren auf. Das über die Kühlmittelleitung 4 zugeführte warme Kühlwasser durchströmt die Kühlmittelseite des Heizwärmetauschers, bevor es nunmehr abgekühlt dem Motor rückgeführt wird.

Die Klimaanlage 2 weist alle Komponenten einer bekannten Klimaanlage auf und dient im Bedarfsfall der Kühlung des Fahrzeuginnenraumes. In ihrem Kreislauf befinden sich als Herzstück der Kompressor 8, der das komprimierte Kältemittel über eine Druckleitung 9 einem Kondensator 10 zuführt. Hinter dem Kondensator ist eine Sammler/Trockner-Einheit 11 angeordnet, in der das Kältemittel für die Expansion in einem nachfolgenden einstellbaren Expansionsventil 12 aufbereitet wird. Das Kältemittel wird schließlich dem Verdampfer 13 zugeführt, der die Kühlung des Luftstromes herbeiführt.

Erfindungsgemäß zweigt hinter dem Kompressor auf dessen Druckseite von der Druckleitung 9 eine Bypaßleitung 14 ab, die mit dem vom Kompressor 8 aufgeheizten Kältemittel beaufschlagbar ist. Für die Abzweigung ist ein 3-Wege-Ventil 15 vorgesehen, das in die Druckleitung 9 eingebaut ist. Das 3-Wege-Ventil 15 ist mittels eines Antriebes schaltbar.

Durch das 3-Wege-Ventil 15 ausgekoppelt wird das heiße Kältemittel über die Bypaßleitung 14 einem stufenlos einstellbaren Gasexpansionsventil 16 zugeführt, über das die Temperatur des Kältemittels vor Eintritt in den Heizwärmetauscher 3 regelbar ist. Das je nach Bedarf abgekühlte Kältemittel gelangt über die Bypaßleitung 14 auf die Kältemittelseite des Doppelkammerwärmetauschers 3 in den Tank 7 für das gasförmige Kältemittel. Nach dem Durchlaufen des Heizwärmetauschers 3 mündet die Bypaßleitung 14 auf der Saugseite des Kompressors 8 in den Kältemittelkreislauf. Um einen Fluß des Kältemittels in den Verdampfer 13 zu vermeiden, ist in dem Kältemittelkreislauf ein Rückschlagventil 17 eingebaut, das in Richtung des Verdampfers 13 sperrt.

Claims (8)

1. Heizungs- und Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges mit einem vom Kühlmittel des Motors beaufschlagbaren Heizwärmetauscher und mit einem im Kältemittelkreislauf der Klimaanlage angeordneten Kompressor zur Verdichtung eines gasförmigen Kältemittels, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwärmetauscher (3) zusätzlich über eine auf der Druckseite des Kompressors (8) aus dem Kältemittelkreislauf abzweigende Bypaßleitung (14) mit aufgeheiztem Kältemittel beaufschlagbar ist, wobei die Bypaßleitung (14) nach dem Durchlaufen des Heizwärmetauschers (3) auf der Saugseite des Kompressors (8) wieder in den Kältemittelkreislauf mündet.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwärmetauschers (3) neben dem vom Kühlmittel durchflossenen Tauscherbereich (6) einen separaten Tauscherbereich (7) für das aufgeheizte Kältemittel aufweist.

3. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypaßleitung (14) über ein steuerbares 3-Wege-Ventil (15) vom Kältemittelkreislauf abzweigt.

4. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Bypaßleitung (14) ein Gasexpansionsventil (16) angeordnet ist.

5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasexpansionsventil (16) einstellbar oder regelbar ist.

6. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluß im Kühlmittelkreislauf durch ein Kühlmittelventil (5) einstellbar ist.

7. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Austauschtemperatur des Heizwärmetauschers (3) über den Fluß im Kühlmittelkreislauf und den Fluß im Kältemittelkreislauf einstellbar ist.

8. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Kältemittelkreislauf zwischen der einmündenden Bypaßleitung (14) und dem Verdampfer (13) ein Rückschlagventil (17) angeordnet ist.