DE202011110325U1

DE202011110325U1 - Luftentfeuchtungseinheit

Info

Publication number: DE202011110325U1
Application number: DE202011110325U
Authority: DE
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2011-09-23
Filing date: 2011-09-23
Publication date: 2013-08-13
Anticipated expiration: 2021-09-24
Also published as: CN103017260A; US20130074528A1; DE102011053906A1; JP2013067379A; JP5627657B2

Abstract

Luftentfeuchtungseinheit (1) einer Kraftfahrzeugklimaanlage für einen kombinierten Kälteanlagen- und Wärmepumpenbetrieb, wobei die Kraftfahrzeugklimaanlage ein Wärmepumpensystem mit einem kältemittelbasierten Heizwärmeübertrager und einen Verdampfer (2) zur Wärmezufuhr von zu konditionierender Luft (3.1) für den Kraftfahrzeuginnenraum an das im Kreislauf geführte Kältemittel umfasst und die Luftentfeuchtungseinheit (1) aus folgenden Komponenten besteht: – einem Luftströmungskanal (4), in dem der Verdampfer (2) angeordnet ist, für die Führung der zu konditionierenden Luft (3.1) über den Verdampfer (2), – einem an der Unterseite des Luftströmungskanals (4) abzweigenden, vertikal orientierten Kondensatwasserableitungskanal (5) für die Ableitung von am Verdampfer (2) kondensiertem Wasser (6.1) aus der zu konditionierenden Luft (3.1), – einer Beheizungseinrichtung (8), die entweder in der Kanalwand (9) des Kondensatwasserableitungskanals (5) integriert oder außerhalb des Kondensatwasserableitungskanals (5) nahe am Kondensatwasserableitungskanal (5) platziert ist, derart, dass die Beheizungseinrichtung (8) in der Lage ist, das Innenvolumen (10) des Kondensatwasserableitungskanals (5) von außen zu beheizen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Luftentfeuchtungseinheit einer Kraftfahrzeugklimaanlage für einen kombinierten Kälteanlagen- und Wärmepumpenbetrieb. Mit der Erfindung ist ein Verfahren zum Entfeuchten von zu konditionierender Luft eines Fahrzeuginnenraums in einer als Wärmepumpe betriebenen Kraftfahrzeugklimaanlage mittels einer solchen Luftentfeuchtungseinheit durchführbar.
Klimaanlagen werden bis heute normalerweise bei Umgebungstemperaturen über 0 °C betrieben. Bei Hybrid- und/oder vollkommen elektrisch betriebenen Fahrzeugen ist eine effektive Heizung notwendig. Dafür werden Wärmepumpensysteme erforscht und entwickelt. Aus Gründen der Effizienz werden die Kältemittelkreisläufe solcher Systeme im Umluftmodus oder im teilweisen Umluftmodus auch bei kalten Umgebungstemperaturen betrieben, die eine Entfeuchtung der Luft vor der Wiederaufheizung erfordern, insbesondere beim Übergang der Jahreszeiten.
Aus der DE 101 63 607 A1 ist eine Klimaanlage für Kraftfahrzeuge mit einer integrierten Wärmepumpe zum Kühlen und Heizen bekannt, in der das Kältemittel in einem Kreislauf umgewälzt wird und welche eine Wärmeübertragung mit der Zuluft für den Innenraum des Fahrzeugs ermöglicht. Mittels der integrierten Wärmepumpe wird Wärme direkt in den Luftstrom für die Fahrzeugkabine eingebracht.
Aus der DE 10 2006 026 359 A1 ist das Problem bekannt, dass Wärmepumpensysteme, die ihre Leistung an die Luft abgeben, häufig nicht die dem Fahrzeuginnenraum zuzuführende Luft gleichzeitig entfeuchten und aufheizen können. Dies hat zur Folge, dass die Klimaanlage eines Fahrzeugs nicht mit Umluft, respektive rezirkulierende Luft aus dem Fahrzeuginnenraum, betrieben werden kann. Die mangelnde Entfeuchtungsfunktion führt schließlich zu einem unerwünschten Scheibenbeschlag. In der DE 10 2006 026 359 A1 ist eine Klimaanlage für den kombinierten Kälteanlagen- und Wärmepumpenbetrieb für Fahrzeuge mit einem Primärkreislauf und einer Sekundärpassage beschrieben. Der Primärkreislauf umfasst dabei die aus einer klassischen Kompressionskältemaschine vorbekannten Bauteile, nämlich einen Kompressor, einen ersten Gaskühler zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die Umgebung, ein Drosselorgan sowie einen Verdampfer zur Abkühlung der dem Fahrzeuginnenraum zuzuführenden Luft. Die Sekundärpassage weist zwei Abschnitte auf, wobei der erste Abschnitt, ausgehend von einem zwischen dem Kompressor und dem ersten Gaskühler platzierten Abzweigpunkt, sich bis zu einem zwischen dem ersten Gaskühler und dem Kompressor platzierten Mündungspunkt erstreckt. Im ersten Abschnitt sind ein zweiter Gaskühler zur Wärmeübertragung vom Kältemittel an die aufzuheizende Luft des Fahrzeuginnenraums sowie ein sich daran anschließendes zweites Drosselorgan platziert. Der zweite Abschnitt der Sekundärpassage erstreckt sich, ausgehend von einem zwischen dem zweiten Gaskühler und dem Kompressor platzierten weiteren Abzweigpunkt, bis zu einem zwischen dem zweiten Gaskühler und dem Kompressor platzierten weiteren Mündungspunkt. Im Wärmepumpenbetrieb werden sowohl die beiden Abschnitte der Sekundärpassage als auch der Primärkreislauf der Klimaanlage vom Kältemittel durchströmt. Zunächst wird zum Erwärmen der dem Fahrzeuginnenraum zugeführten Luft das Kältemittel im Kompressor verdichtet und nachfolgend mittels des aktiven Umschaltventils über den ersten Abschnitt der Sekundärpassage dem zweiten Gaskühler zugeleitet. Im zweiten Gaskühler wird, im Gegensatz zum ersten Gaskühler, die Wärme nicht an die Umgebung abgegeben, sondern zur Erwärmung der Luft des Fahrzeuginnenraums genutzt. In dem an den zweiten Gaskühler sich anschließenden zweiten Drosselorgan wird das Kältemittel vom Kompressionsdruckniveau auf ein Mitteldruckniveau expandiert, wodurch in der Regel ein Zwei-Phasengemisch entsteht. Mittels dieses Mitteldruckniveaus wird das kältemittelseitige Temperaturniveau im Verdampfer geregelt. Einerseits darf zur Verhinderung des Vereisens des Verdampfers das Temperaturniveau im Verdampfer nicht unter 0 °C gesenkt werden, falls die Lufttemperatur vor dem Verdampfer über 0 °C liegt. Andererseits darf zur Verhinderung von plötzlich auftretendem Scheibenbeschlag das Temperaturniveau im Verdampfer nicht über 0 °C liegen, falls die Lufttemperatur vor dem Verdampfer unter 0 °C liegt. In dem Verdampfer wird das Kältemittel teilweise verdampft, wobei die dem Fahrzeuginnenraum zugeführte Luft abgekühlt und entfeuchtet wird. Bei der Entfeuchtung kondensiert das in der zugeführten Luft als Luftfeuchtigkeit enthaltene Wasser am Verdampfer. Das Kondensatwasser der Luftentfeuchtung muss unter allen Temperaturbedingungen aus der Klimaanlage ausgetragen werden können, insbesondere bei Temperaturen unter 0 °C. Dabei kann es aber zum Gefrieren des Wassers im dafür vorgesehenen Kondensatwasserableitungskanal und somit zu einer Behinderung des Abflusses von Kondensatwasser kommen.
Eine Möglichkeit zur Enteisung von Kondensatwasserablaufschläuchen ist aus der JP 08040052 A bekannt. Dabei ist allgemein eine Klimaanlage beschrieben, die einen Ablaufschlauch mit einem Endbereich aufweist, der an einer Kraftfahrzeugkarosserie befestigt ist und mit einer Kühlereinheit in Verbindung steht, während der andere Endbereich so geöffnet ist, dass Kondenswasser aus der Kühlereinheit nach draußen abfließen kann. Konkret ist eine Ablaufschlauchstruktur der Kühleinheit beschrieben, die einen Ablaufschlauch und ein auf der Schlauchinnenwand platziertes Heizelement aufweist. Mit diesem zusätzlichen Heizelement kann der Ablaufschlauch von innen erwärmt werden, wenn das Kondenswasser eine Gefriertemperatur erreicht. Nachteilig an dieser Ablaufschlauchstruktur ist die Verengung des Durchmessers und die Verkleinerung des Schlauchinnenvolumens durch die Beheizungseinrichtung. Des Weiteren bedeckt die Heizeinrichtung nur einen Teil der Schlauchinnenwand, so dass die Beheizung der Schlauchinnenwand nicht gleichmäßig erfolgt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, für eine Kraftfahrzeugklimaanlage, die für einen kombinierten Kälteanlagen- und Wärmepumpenbetrieb ausgebildet ist, eine Luftentfeuchtungseinheit für die dem Fahrzeuginnenraum zugeführte Luft bereitzustellen, mit der unter allen Temperaturbedingungen und in allen Belüftungsmodi eine ausreichende Entfeuchtung der zugeführten Luft gewährleistet ist. Insbesondere soll die Luftentfeuchtungseinheit für eine entsprechende Kraftfahrzeugklimaanlage geeignet sein, die es erlaubt, die Luft für den Fahrzeuginnenraum auch bei hohem Umluftanteil bei unter –10 °C Umgebungstemperatur im Wärmepumpenbetrieb zu heizen, ohne dass es zum Scheibenbeschlag kommt.
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung besteht in einer Luftentfeuchtungseinheit einer Kraftfahrzeugklimaanlage für einen kombinierten Kälteanlagen- und Wärmepumpenbetrieb, wobei die Kraftfahrzeugklimaanlage ein Wärmepumpensystem mit einem kältemittelbasierten Heizwärmeübertrager und einen Verdampfer zur Wärmezufuhr von zu konditionierender Luft für den Kraftfahrzeuginnenraum an das im Kreislauf geführte Kältemittel umfasst und die Luftentfeuchtungseinheit aus folgenden Komponenten besteht:

– einem Luftströmungskanal, in dem der Verdampfer angeordnet ist, für die Führung der zu konditionierenden Luft über den Verdampfer,
– einem an der Unterseite des Luftströmungskanals abzweigenden, vertikal orientierten Kondensatwasserableitungskanal für die Ableitung von am Verdampfer kondensiertem Wasser aus der zu konditionierenden Luft,
– einer Beheizungseinrichtung, die entweder in der Wand des Kondensatwasserableitungskanals integriert oder außerhalb des Kondensatwasserableitungskanals nahe am Kondensatwasserableitungskanal platziert ist, derart, dass die Beheizungseinrichtung in der Lage ist, das Innenvolumen des Kondensatwasserableitungskanals von außen zu beheizen.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Beheizungseinrichtung in Form eines in die Wand des Kondensatwasserableitungskanals eingearbeiteten elektrischen Heizdrahtes mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) ausgebildet.
Die Beheizungseinrichtung kann insbesondere in Form einer in die Kanalwand des Kondensatwasserableitungskanals eingearbeiteten elektrischen Widerstandsheizung mit einem oder mehreren Heizwiderständen ausgebildet sein. Vorzugsweise werden Heizwiderstände mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) angewendet.
Vorteilhaft liegt die Beheizungseinrichtung in Form von in die Wand des Kondensatwasserableitungskanals eingearbeiteten elektrischen Faserelementen mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) vor. Der Kondensatwasserableitungskanal ist dabei vorzugsweise ein aus einem Kunststoff bestehender Schlauch, in den die elektrischen Faserelemente eingewebt oder durch Umspritzen eingearbeitet sind.
Die Beheizungseinrichtung ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung mit einer Steuer- oder Regelvorrichtung verbunden, mit der die Beheizungseinrichtung abhängig von der Umgebungstemperatur über einen konstanten Heizmodus oder über einen durch ein externes Signal gesteuerten Modus betrieben werden kann.
Eine alternative Ausführungsvariante der Erfindung besteht darin, die Hochdruck-Wärmepumpenleitung des Wärmepumpensystems in unmittelbarer Nähe des Kondensatwasserableitungskanals der Kraftfahrzeug-Klimaanlage entlang zu führen, womit die Hochdruck-Wärmepumpenleitung als Beheizungseinrichtung dient.
Mit der Erfindung ist ein Verfahren zum Entfeuchten von zu konditionierender Luft eines Fahrzeuginnenraums in einer als Wärmepumpe betriebenen Kraftfahrzeugklimaanlage mittels einer Luftentfeuchtungseinheit entsprechend einer der oben genannten Ausführungsformen durchführbar, wobei

– die zu konditionierende Luft entlang des Luftströmungskanals den Verdampfer passiert,
– dabei abgekühlt wird und als Luftfeuchte enthaltenes Wasser am Verdampfer kondensiert und in den Kondensatwasserableitungskanal abläuft, und
– bei Unterschreitung der Umgebungstemperatur unter 0 °C die vorzugsweise elektrische Beheizungseinrichtung in einem konstanten Heizmodus oder in einem durch ein externes Signal gesteuerten Heizmodus betrieben wird.

Die Beheizungseinrichtung kann mit Unterbrechung betrieben werden. Es kann in einer Ausführungsvariante des Verfahrens eine direkte Beheizung des Kondensatwasserableitungskanals durch die Beheizungseinrichtung erfolgen. Dabei wird bereits gefrorenes Kondensat geschmolzen. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Luftentfeuchtungseinheit besteht darin, dass der Kondensatwasserableitungskanal bei direktem Anwenden der Beheizungseinrichtung am Umfang des Kondensatwasserableitungskanals beheizt wird. Dabei wird das gefrorene Kondensat an den Entwässerungskanalwänden und damit von der Außenseite her geschmolzen.
Alternativ wird die Beheizungseinrichtung indirekt angewendet. Eine indirekte Anwendung der Beheizungseinrichtung erfüllt die Aufgabe, das Kondensat über 0 °C zu halten. Im Falle einer indirekten Anwendung der Beheizungseinrichtung kann der Verbrauch an elektrischer Leistung gering gehalten werden. Somit wird kein Gefrieren im Kondensatwasserableitungsrohr auftreten. Vorzugsweise wird die Beheizungseinrichtung abhängig von der Umgebungstemperatur über einen konstanten Heizmodus oder einen durch ein externes Signal gesteuerten Modus betrieben.
Das externe Signal ist vorteilhafterweise von Umgebungstemperaturmesswerten und/oder der Umluftklappenposition und/oder Feuchtigkeitsmessungen abhängig.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung. Es zeigt:
1: einen Ausschnitt aus der Kraftfahrzeugklimaanlage im Bereich des Verdampfers.
Die 1 zeigt einen Ausschnitt aus der Kraftfahrzeugklimaanlage mit der Luftentfeuchtungseinheit 1 im Bereich des Verdampfers 2, der der Wärmezufuhr von der zu konditionierenden Luft 3.1 des Fahrzeuginnenraums an das Kältemittel des Wärmepumpensystems dient. Der Verdampfer 2 ist in einem Luftströmungskanal 4 derart platziert, dass einströmende Frischluft 3.1 oder Umluft 3.1 den Verdampfer 2 passieren muss. Dabei strömt die zu konditionierende Luft 3.1 beispielhaft bei 15 °C und 80 % relativer Luftfeuchte durch den Verdampfer 2, wobei nach Passieren des Verdampfers 2 in der entfeuchteten Luft 3.2 die relative Luftfeuchte 97 % und die Temperatur zum Beispiel 3 °C beträgt. Im Bereich des Luftströmungskanals 4 hinter dem Verdampfer 2 ist ein vertikal orientierter Kondensatwasserableitungskanal 5 platziert, in den das flüssige Kondensatwasser 6.1 nach unten abfließen kann. Der Kondensatwasserableitungskanal 5 (Drainage) ist für die Entwässerung der Klimaanlage vorgesehen. Gemäß der Darstellung in 1 ist der Kondensatwasserableitungskanal 5 – in Strömungsrichtung der Luft 3 nachgeschaltet – hinter dem Verdampfer 2 platziert und senkrecht zum Luftströmungskanal 4 und damit zur Strömungsrichtung der zugeführten Luft 3 orientiert. Ein Leitelement 7, das von der Vorderkante der Unterseite des Verdampfers 2 bis zum Einlass des Kondensatwasserableitungskanals 5 verläuft und dabei eine geneigte Ebene bildet, sorgt dafür, dass das am Verdampfer 2 kondensierte Wasser 6.1 schräg nach unten in den Kondensatwasserableitungskanal 5 ablaufen kann.
Bei Umgebungstemperaturen von < 0 °C kann es zum Gefrieren von Teilen 6.2 des aus dem Trocknungsvorgang abgeführten Kondensatwassers kommen.
Die Luftentfeuchtungseinheit 1 weist eine Beheizungseinrichtung 8 auf, die, wie in 1 gezeigt, entweder in der Kanalwand 9 des Kondensatwasserableitungskanals 5 integriert oder außerhalb des Kondensatwasserableitungskanals 5 nahe am Kondensatwasserableitungskanal 5 platziert ist. Dadurch ist die Beheizungseinrichtung 8 in der Lage, das Innenvolumen 10 des Kondensatwasserableitungskanals 5 von außen zu beheizen.
Die in 1 gezeigte Beheizungseinrichtung 8 kann in Form eines in die Kanalwand 9 des Kondensatwasserableitungskanals 5 eingearbeiteten elektrischen Heizdrahtes 8 mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) vorliegen. Eine weitere Variante besteht darin, dass die Beheizungseinrichtung 8 in Form einer in die Kanalwand 9 eingearbeiteten Widerstandsheizung 8 mit einem oder mehreren Heizwiderständen ausgebildet ist. Ebenso kann die Beheizungseinrichtung 8 in Form von in die Kanalwand 9 des Kondensatwasserableitungskanals 5 eingearbeiteten elektrischen Faserelementen 8 mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) ausgebildet sein. Vorzugsweise ist der Kondensatwasserableitungskanal 5 ein aus einem Kunststoff bestehender Schlauch 5, in den die elektrischen Faserelemente 8 eingewebt oder durch Umspritzen eingearbeitet sind.
Bezugszeichenliste

1: Luftentfeuchtungseinheit
2: Verdampfer
3: Luft
3.1: zu konditionierende Luft, einströmende Frischluft/Umluft
3.2: entfeuchtete Luft
4: Luftströmungskanal
5: Kondensatwasserableitungskanal, Schlauch
6.1: Wasser, kondensiertes Wasser, Kondensatwasser
6.2: Teile des Kondensatwassers (bereits vereist)
7: Leitelement
8: Beheizungseinrichtung, elektrische Faserelemente, Heizdraht, Widerstandsheizung
9: Kanalwand
10: Innenvolumen des Kondensatwasserableitungskanals 5

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10163607 A1 [0003]
DE 102006026359 A1 [0004, 0004]
JP 08040052 A [0005]

Claims

Luftentfeuchtungseinheit (1) einer Kraftfahrzeugklimaanlage für einen kombinierten Kälteanlagen- und Wärmepumpenbetrieb, wobei die Kraftfahrzeugklimaanlage ein Wärmepumpensystem mit einem kältemittelbasierten Heizwärmeübertrager und einen Verdampfer (2) zur Wärmezufuhr von zu konditionierender Luft (3.1) für den Kraftfahrzeuginnenraum an das im Kreislauf geführte Kältemittel umfasst und die Luftentfeuchtungseinheit (1) aus folgenden Komponenten besteht: – einem Luftströmungskanal (4), in dem der Verdampfer (2) angeordnet ist, für die Führung der zu konditionierenden Luft (3.1) über den Verdampfer (2), – einem an der Unterseite des Luftströmungskanals (4) abzweigenden, vertikal orientierten Kondensatwasserableitungskanal (5) für die Ableitung von am Verdampfer (2) kondensiertem Wasser (6.1) aus der zu konditionierenden Luft (3.1), – einer Beheizungseinrichtung (8), die entweder in der Kanalwand (9) des Kondensatwasserableitungskanals (5) integriert oder außerhalb des Kondensatwasserableitungskanals (5) nahe am Kondensatwasserableitungskanal (5) platziert ist, derart, dass die Beheizungseinrichtung (8) in der Lage ist, das Innenvolumen (10) des Kondensatwasserableitungskanals (5) von außen zu beheizen.
Luftentfeuchtungseinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizungseinrichtung (8) in Form eines in die Kanalwand (9) des Kondensatwasserableitungskanals (5) eingearbeiteten elektrischen Heizdrahtes (8) mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) ausgebildet ist.
Luftentfeuchtungseinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizungseinrichtung (8) in Form einer in die Kanalwand (9) des Kondensatwasserableitungskanals (5) eingearbeiteten elektrischen Widerstandsheizung (8) mit einem oder mehreren Heizwiderständen ausgebildet ist.
Luftentfeuchtungseinheit (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizungseinrichtung (8) in Form von in die Kanalwand (9) des Kondensatwasserableitungskanals (5) eingearbeiteten elektrischen Faserelementen (8) mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) ausgebildet ist.
Luftentfeuchtungseinheit (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensatwasserableitungskanal (5) ein aus einem Kunststoff bestehender Schlauch (5) ist, in den die elektrischen Faserelemente (8) eingewebt oder durch Umspritzen eingearbeitet sind.
Luftentfeuchtungseinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizungseinrichtung (8) mit einer Steuer- oder Regelvorrichtung verbunden ist, mit der sie abhängig von der Umgebungstemperatur über einen konstanten Heizmodus oder einen durch ein externes Signal gesteuerten Modus betrieben werden kann.
Luftentfeuchtungseinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beheizungseinrichtung (8) in Form der Hochdruckwärmepumpenleitung des Wärmepumpensystems besteht, indem diese in der Nähe des Kondensatwasserableitungskanals (5) entlanggeführt ist.