DE19953512C1

DE19953512C1 - Klimaanlage für den Innenraum von Fahrzeugen

Info

Publication number: DE19953512C1
Application number: DE1999153512
Authority: DE
Inventors: Ullrich Hesse
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1999-11-06
Filing date: 1999-11-06
Publication date: 2000-10-12
Anticipated expiration: 2019-11-07
Also published as: JP2001163042A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage für den Innenraum von Fahrzeugen mit einer als Kältemaschine eingesetzten Stirling-Maschine und einer diese antreibenden Antriebseinheit und ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Duplex-Stirling-Maschine (1) eingesetzt wird, die aus einem Stirling-Antriebsteil (11) und einem Stirling-Kühlerteil (12) besteht, und die im Stirling-Antriebsteil (11) erzeugte mechanische Leistung im Normalbetrieb zum Antrieb des Stirling-Kühlerteils (12) dient. Besonders vorteilhaft wird die Duplex-Stirling-Maschine als Doppel-Schrägscheiben-Stirling-Maschine realisiert, die je eine von außen regelnd einstellbare Schrägscheibe (13, 14) für den Stirling-Antriebsteil (11) und den Kühlerteil (12) hat. Der Kühlerteil (12) kann auch als Zuheizer oder Standheizer im energetisch günstigen Wärmepumpenbetrieb eingesetzt werden. Mit einer mechanischen Leistung des Stirling-Antriebsteils (11) aufnehmenden Elektromaschine (20) lässt sich Strom erzeugen, oder die Elektromaschine (20) kann im elektromotorischen Betrieb zum Start des Stirling-Antriebs (11) und dem Schnellstart des Kühlers (12) verwendet werden, bis der Antriebsteil (11) ausreichend Leistung abgibt (Figur).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage für den Innenraum von Fahrzeugen mit einer als Kältemaschine eingesetzten Stirlingmaschine und einer diese antreibenden Antriebs einheit.

Eine derartige Klimaanlage ist aus der DE 43 36 712 A1 bekannt. Die Antriebseinheit der Stirlingmaschine der bekannten Klimaanlage bildet ein Fahrzeugmotor, so dass diese Klimaanlage nur arbeitet, wenn der Fahrzeugmotor betrieben wird.

Dasselbe gilt für eine aus der DE 41 32 939 A1 bekannte Klimaanlage für den Innenraum eines Elektrofahrzeugs. Dort ist durch Umkehr des Drehsinns einer primär als Kältemaschine arbeitenden Stirlingmaschine der Prozess ablauf umkehrbar, so dass alternativ sowohl geheizt als auch gekühlt werden kann.

Darüber hinaus ist es aus DE 197 45 167 A1 bekannt, eine Stirlingmaschine als Antrieb eines elektrische Energie erzeugenden Generators zu verwenden und außerdem der Antrieb dieser Stirlingmaschine von einem Brenner. Aus 19th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Volume 3 "Advanced Energy Systems-Their Role in our Future", San Francisco, California, USA, 19.-24. August 1984 ist das Konzept einer Duplex-Stirlingmaschine bekannt, bei der eine Stirlingmaschine als Antriebs einheit einen als Wärmepumpe arbeitenden Stirling- Kühlerteil antreibt. Duplex-Stirlingmaschinen für die Anwendung im Fahrzeug sind aber noch nicht vorgeschlagen worden.

Zukünftige Fahrzeugklimaanlagen sollten mit umwelt verträglicheren Kältemittel als mit dem derzeit ver wendeten R134a arbeiten. Als umweltverträglichere Alternativen kommen vor allem sogenannte natürliche Kältemittel in Frage, die ohnehin in der Atmosphäre vorhanden sind. Ferner sind für die Erhöhung des Komforts Zusatzfunktionen wie Standkühlung, Standheizung, Zusatz heizung und die Erzeugung zusätzlicher elektrischer Energie gewünscht, um z. B. eine Fahrzeugbatterie aufzu laden. Dies erfordert eine vom Antriebsmotor des Fahrzeugs unabhängige Betriebsweise der Klimaanlage.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine motorunabhängige multifunktionale Klimaanlage für den Innenraum von Fahrzeugen mit gleichzeitiger Erzeugung elektrischer Energie so zu ermöglichen, dass ein Kühl/Heizprozess unter Verwendung eines umweltverträglichen Kältemittels ablaufen kann.

Diese Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

Gemäß einem wesentlichen Aspekt setzt die erfindungs gemäße Klimaanlage für den Innenraum von Fahrzeugen eine Duplex-Stirlingmaschine ein, die aus einem Stirling- Antriebsteil und einem Stirling-Kühlerteil besteht, wobei die im Stirling-Antriebsteil erzeugte mechanische Leistung im Normalbetrieb zum Antrieb des Stirling- Kühlerteils dient. Darüber hinaus kann mechanische Leistung an eine mit dem Stirling-Antriebsteil gekoppelte Elektromaschine zur Stromerzeugung abgegeben werden. Die Elektromaschine kann optional im elektromotorischen Betrieb zum Start des Stirling-Antriebsteils und zum Schnellstart des Kühlers verwendet werden, bis der Stirling-Antriebsteil ausreichend Leistung abgibt. Bei hinreichender Batteriekapazität und -Leistungsfähigkeit der Fahrzeugbatterie ist optional auch ein elektrischer Antrieb des Stirling-Kühlers möglich.

Besonders vorteilhaft ist ein Doppel-Schrägscheiben konzept für die Duplex-Stirlingmaschine, die je eine von außen regelnd einstellbare Schrägscheibe für Antriebsteil und Kühlerteil aufweist.

Der Stirling-Kühlerteil kann auch als Zuheizer oder Standheizvorrichtung im energetisch günstigen Wärme pumpenbetrieb eingesetzt werden.

Für den Normalbetrieb der Duplex-Stirlingmaschine wird Kraftstoff als einzig ausreichende Energiequelle im Fahrzeug für einen vom Antriebsmotor unabhängigen Betrieb verwendet.

Mit den Funktionen "Kühlen", "Heizen", "Erzeugen elektrischer Energie jeweils im Stand und im Fahrbetrieb" ist eine umfassende Multifunktionalität der erfindungs gemäßen Klimaanlage gegeben.

Die Erzeugung ausreichender Stand- und Zusatzheizleistung erfolgt über den energetisch günstigen Wärmepumpen prozess. Dies gelingt bei einem Stirlingprozess auch bei extrem tiefen Außentemperaturen mit hinreichender Leistung, was mit einem konventionellen Kaltdampf- Klimaprozess mit dem Kältemittel R134a nicht einfach möglich ist, da dessen Leistung mit abnehmender Außentemperatur ebenfalls deutlich abnimmt.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Klimaanlage wird in der nachfolgenden Beschreibung beschrieben, die Bezug auf die einzige Figur nimmt.

Die Figur zeigt eine Duplex-Stirlingmaschine 1, die als Doppel-Schrägscheibenmaschine ausgeführt ist und je eine von außen regelnd einstellbare Schrägscheibe 13, 14 für den Stirling-Antriebsteil 11 und den Stirling-Kühlerteil 12 aufweist, wobei diese Doppel-Schrägscheiben-Stirling maschine 1 bei der erfindungsgemäßen Fahrzeugklimaanlage bevorzugt verwendbar ist. Die Schrägscheibe 13 des Antriebsteils ist mechanisch mit Axialkolben 15 und 16 gekoppelt, während die Schrägscheibe 14 des Kühlerteils 12 mit Axialkolben 17 und 28 gekoppelt ist. Das axial bewegliche Glied 19 ist mit dem Läufer 20 einer in sonstigen Details nicht dargestellten Elektromaschine verbunden. Der Stirling-Antriebsteil 11 wird mittels Kraftstoff über einen (nicht dargestellten) Brenner beheizt. Die vom Antriebsteil 11 erzeugte mechanische Leistung dient zum Antrieb des Kühlerteils 12 im Normalbetrieb der Fahrzeugklimaanlage. Darüber hinaus kann mechanische Leistung über den Läufer 20 an die Elektromaschine zur Stromerzeugung abgegeben werden. Die Elektromaschine kann gegebenenfalls auch im elektro motorischen Betrieb für den Start des Stirling-Antrieb teils 11 und zum Schnellstart des Kühlers 12 verwendet werden, bis der Stirling-Antriebsteil 11 ausreichend Leistung abgibt. Bei hinreichender Batteriekapazität und/oder Leistungsfähigkeit des Bordnetzes ist optional auch ein elektrischer Antrieb des Stirling-Kühlerteils 12 möglich. Der Stirling-Kühlerteil 12 kann auch als Zu heizer oder Standheizer im energetisch günstigen Wärme pumpenbetrieb eingesetzt werden.

Claims

1. Klimaanlage für den Innenraum von Fahrzeugen mit einer als Kältemaschine eingesetzten Stirling-Maschine und einer diese antreibenden Antriebseinheit, dadurch gekennzeichnet, dass eine Duplex-Stirlingmaschine (1) eingesetzt wird, die aus einem Stirling-Antriebsteil (11) und einem Stirling-Kühlerteil (12) besteht, und die im Stirling-Antriebsteil (11) erzeugte mechanische Leistung im Normalbetrieb zum Antrieb des Stirling-Kühlerteils (12) dient.

2. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stirling-Antriebsteil (11) mit Kraftstoff über einen Brenner beheizt wird.

3. Klimaanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stirling-Kühlerteil (12) als Standheizvorrichtung im Wärmepumpenbetrieb umschaltbar ist.

4. Klimaanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stirling-Kühlerteil (12) wahlweise auf einen elektrischen Antrieb umschaltbar ist.

5. Klimaanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit dem Stirling- Antriebsteil (11) gekoppelte Elektromaschine (20) vorgesehen ist.

6. Klimaanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (20) im elektromotorischen Betrieb betreibbar ist und beim Start des Stirling- Antriebsteils (11) und Schnellstart des Kühlerteils (12) so lange arbeitet, bis der Stirling-Antriebsteil (11) ausreichend Leistung abgibt.

7. Klimaanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromaschine (20) im Generatorbetrieb zur Stromerzeugung betreibbar ist.

8. Klimaanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Duplex-Stirlingmaschine (1) eine Doppel-Schrägscheibenmaschine ist.

9. Klimaanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Duplex-Stirlingmaschine je eine von außen regelnd einstellbare Schrägscheibe für den Stirling- Antriebsteil (11) und den -Kühlerteil (12) aufweist.

10. Klimaanlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stirling-Kühlerteil (12) mit einem Kältemittel aus der Atmosphäre arbeitet.