DE3841321C2 - Klimaanlage für Kraftfahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage für Kraftfahrzeuge nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Bei derartigen Klimaanlagen wird die aus dem Fahrgastraum abzuführende Wär­ me in einem Kondensator auf die Außenluft übertragen, der vor dem Kühler des Motors angeordnet ist. Diese Anordnung führt bei modernen Personenkraftwagen mit niedrigeren Stirn­ flächen zu thermischen Problemen sowohl für die Klimaanlage als auch für die Motorkühlung.

Aus der DE 35 33 596 A1 ist eine Klimaanlage bekannt gewor­ den, bei der Außenluft über einen Schraubenkompressor ange­ saugt und verdichtet einem Wärmetauscher zugeführt wird. Von Wärmetauscher gelangt die gekühlte Luft auf eine Entspan­ nungsseite einer Kühlturbine, um dann als klimatisierte Luft der Kabine zugeführt zu werden. Diese Anordnung kann aber die erwähnten Probleme bei modernen Personenkraftwagen mit niedrigeren Stirnflächen nicht beheben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage mit vereinfachtem Aufbau zu schaffen, bei welcher nachteilige Auswirkungen auf die Motorkühlung entfallen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmalskombination des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen der Anordnungen nach den An­ sprüchen 1 und 2 möglich.

Bei nicht hermetisch dichten Fahrgasträumen ist es zweckmä­ ßig, zur Förderung der Frischluft bzw. Abluft ein Hilfsge­ bläse an entsprechender Stelle vorzusehen.

Die Anlage wird weiter vereinfacht und deren Wirkungsgrad weiter verbessert, wenn, wie bekannt, auch die durch den Fahrgastraum führende wärmeaufnehmende Strecke des Kaltluft­ kreislaufs offen ausgeführt, d. h., unmittelbar durch die Luft im Fahrgastraum gebildet ist.

Für den Verdichter und/oder die Entspannungsmaschine werden Maschinen vorgeschlagen, die nach dem Prinzip eines Spiral­ verdichters oder eines Drehkolbenverdichters arbeiten. Der­ artige Maschinen zeichnen sich durch einen höheren Wirkungs­ grad als die bekannten Flügelzellenverdichter und Turbinen aus. Dieser Gesichtspunkt ist sowohl bei Klimaanlagen nach einem der Ansprüche 1 oder 2, als auch bei den bekannten Klimaanlagen der gattungsmäßigen Art von besonderer Bedeu­ tung, weil eine Verbesserung des Wirkungsgrades von Verdich­ ter und/oder Entspannungsmaschine eine überproportionale Verbesserung der Leistungszahl ergibt.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeich­ nung schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Be­ schreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 das erste und Fig. 2 das zweite Ausführungsbeispiel. In den Fig. 3 und 4 sind die T-s-Diagramme der beiden Ausführungsbeispiele dargestellt. Die Fig. 5 und 6 zeigen je einen Schnitt durch einen Spiralverdichter und einen sogenannten Wankel- Lader, bzw. Drehkolbenverdichter.

Die Klimaanlage nach Fig. 1 dient zur Kühlung eines durch strichlierte Linien angedeuteten Fahrgastraumes 10 und hat einen nach dem Joule-Prinzip arbeitenden Kaltluftkreislauf 12, der über einen Verdichter 14, eine Entspannungsmaschine 16 und einen inneren Wärmetauscher 18 führt. Der Verdichter 14 und die gleichachsig dazu angeordnete Entspannungsmaschi­ ne 16 haben einen gemeinsamen, vorzugsweise variierbaren An­ trieb 20, der von der Kurbelwelle der Maschine abgeleitet oder beispielsweise als Abgasturbine ausgeführt sein kann. Der Kaltluftkreislauf 12 führt ferner über eine wärmeaufneh­ mende offene Luftstrecke im Fahrgastraum 10, die an einem Lüftungsgitter 22 beginnt und an einem Einlaßstutzen 24 ei­ nes Abluftgebläses 26 endet. Schließlich führt der Kaltluft­ kreislauf 12 über eine wärmeabgebende Außenluftstrecke, die an einem Abluftauslaß 28 beginnt und an einem Frischluftein­ laß 30 endet.

Der Frischlufteinlaß 30 ist mit dem Eingang a des Verdich­ ters 14 verbunden, dessen Ausgang b mit dem Eingang c des wärmeabgebenden Primärteils 32 des inneren Wärmetauschers 18 verbunden ist. Der Aus­ gang d des Primärteils 32 ist mit dem Eingang e der Entspannungsma­ schine 16 verbunden, deren Ausgang f zum Lüftungsgitter 22 im Fahr­ gastraum 10 führt. Vom Abluftgebläse 26 führt eine Leitung zum Ein­ gang g eines wärmeaufnehmenden Sekundärteils 34 des inneren Wärme­ tauschers 18, dessen Ausgang h mit dem Abluft-Ausgang 28 verbunden ist.

Die Funktion der Anlage nach Fig. 1 ist nachstehend anhand des in Fig. 3 dargestellten Temperatur-Entropie-Diagramms erläutert.

Der Verdichter 14 und das Abluftgebläse 26 bewegen die angesaugte Luft in Richtung der in Fig. 1 eingezeichneten Pfeile durch den Kaltluftkreislauf 12 hindurch. Im Verdichter 14 wird die Luft vom normalen Atmosphärendruck p₀ adiabatisch auf das Druckniveau p₁ verdichtet, wobei sich die Luft erwärmt. Im Diagramm nach Fig. 3 entspricht dieser Vorgang der ansteigenden Linie a-b, wobei die Punkte a und b die Temperaturen T und Entropie-Inhalte s am Eingang a und Ausgang b des Verdichters 14 wiedergeben. Vom Ausgang b des Verdichters 14 strömt die Luft unter Wärmeabgabe durch den Wärmetau­ scher 18 hindurch zu dessen Ausgang d, welcher Vorgang sich in Fig. 3 durch die abfallende Gleichdrucklinie b-d darstellt. Am Ausgang d des Wärmetauschers 18 ist die Temperatur der verdichteten Luft an­ nähernd auf das Temperaturniveau am Eingang g des Wärmetauschers 18 abgesunken.

Vom Wärmetauscher 18 gelangt die verdichtete Luft zur Entspannungs­ maschine 16, in der sie adiabatisch auf den Ausgangsdruck p_o ent­ spannt und dabei gemäß Linie d-f in Fig. 3 weiter abgekühlt wird. Die zweimal abgekühlte Luft durchströmt nun den Fahrgastraum 10, wo­ bei sie gemäß Linie f-g Wärme aus dem Fahrgastraum 10 aufnimmt und diesen dadurch kühlt. Im Sekundärteil 34 des Wärmetauschers 18 nimmt die Luft die in dessen Primärteil 32 abgegebene Wärme auf und er­ fährt dabei eine Zustandsänderung gemäß Linie g-h in Fig. 3. In diesem Zustand gelangt die über die Außentemperatur erwärmte Abluft nach außen, wo sie sich gemäß Linie h-a auf das Außentempera­ tur-Niveau abkühlt.

Das System nach den Fig. 1 und 3 arbeitet mit Überdruck im wärme­ abgebenden Bereich des Wärmetauschers 18. Dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 2 und 4 liegt dagegen ein mit Unterdruck arbeiten­ des System zugrunde, wie nachfolgend näher erläutert ist.

Ein durch strichpunktierte Linien angedeuteter Fahrgastraum 40 wird über einen Kaltluftkreislauf 42 gekühlt, der über einen Verdichter 44, eine Entspannungsmaschine 46 und einen inneren Wärmetauscher 48 führt. Der Verdichter 44 und die Entspannungsmaschine 46 sind mit einem gemeinsamen Antrieb 50 versehen. Der Kaltluftkreislauf 42 hat ferner eine wärmeaufnehmende offene Luftstrecke im Fahrgastraum 40, die an einem Lüftungsgitter 52 beginnt und an einer Abzugsöffnung 54 endet. Schließlich führt der Kaltluftkreislauf 42 über eine wärmeab­ gebende Außenluftstrecke, die an einem Abluft-Auslaß 58 beginnt und an einem Frischluft-Einlaß 60 endet. Dieser ist über ein Frisch­ luft-Gebläse 61 mit dem Eingang k des wärmeabgebenden Primärteils 62 des Wärmetauschers 48 verbunden, von dessen Ausgang 1 eine Leitung zum Lüftungsgitter 52 im Fahrgastraum 40 führt. Die Abzugsöffnung 54 im Fahrgastraum 40 ist mit dem Eingang m der Entspannungsmaschine 46 verbunden, von deren Ausgang n eine Leitung zum Eingang o des wärme­ aufnehmenden Sekundärteils 64 des Wärmetauschers 48 führt. Der Aus­ gang p des Sekundärteils 64 ist an den Eingang q des Verdichters 44 angeschlossen, dessen Ausgang r in den Abluft-Auslaß 58 führt.

Bei der Anlage nach Fig. 2 wird die Luft gemäß den eingezeichneten Pfeilen im umgekehrten Sinn durch den Kaltluftkreislauf als bei der Anlage nach Fig. 1 bewegt. Das Gebläse 61 drückt die Frischluft etwa mit dem Atmosphärendruck p₀ durch den Primärteil 62 des Wärmetauschers 48 hindurch, wobei die Luft gemäß Linie k-l in Fig. 4 bei etwa gleichbleibendem Druck Wärme abgibt und sich unter die Außentemperatur abkühlt. Im Fahrgastraum 40 nimmt die Luft Abwärme auf, wobei sich ihr Zustand gemäß Linie l-m in Fig. 4 ändert. In der Entspannungsmaschine 46 wird danach die Luft adiabatisch auf den Unterdruck p₁ entspannt, wobei sie sich gemäß Linie m-n auf eine Temperatur, die erheblich unter der Außentemperatur liegt, abkühlt. Auf dem Weg von der Entspannungsmaschine 46 zum Verdichter 44 nimmt die Luft im Wärmetauscher 48 Wärme aus der zuströmenden Frischluft auf und wird schließlich im Verdichter 44 unter weiterer Temperatur­ erhöhung auf den Ausgangsdruck p₀ zurückgebracht.

Bei beiden Ausführungsbeispielen erübrigt sich ein externer Wärme­ tauscher (Kondensator) wodurch die Anlage entsprechend vereinfacht wird. Die Verdichter 14, 44 und/oder die Entspannungsmaschinen 16, 46 können vorteilhaft als Maschinen ausgebildet sein, die nach dem Prinzip eines Spiralverdichters arbeiten. Bei einer solchen in Fig. 5 dargestellten Maschine führt ein Einlaßstutzen 70 in einen Einlaß 72 eines ersten Arbeitsraumes und in einen Einlaß 74 eines zweiten Arbeitsraumes. Die schwarz eingezeichneten Spiralen 76, 78 gehören zum kreisenden Läufer des Verdichters, in dessen Zentrum die Aus­ trittsöffnung für die Luft angebracht ist.

Die Verdichter 14, 44 und Entspannungsmaschinen 16, 46 können jedoch mit gleichem Vorteil nach Art eines in Fig. 6 dargestellten Drehkol­ benverdichters ausgebildet sein. Bei einer solchen Maschine drehen sich in einem Gehäuse 80 zwei Drehkolben 81 und 82 in einer solchen Weise, daß das von Gehäuse 80, Kolben 81 und 82 eingeschlossene Vo­ lumen 85 so bewegt wird, daß Luft von einem Einlaßstutzen 83 zu ei­ nem Auslaßstutzen 84 gelangt.

Claims (6)

1. Klimaanlage für Kraftfahrzeuge mit einem im Kaltluft­ kreislauf angeordneten Verdichter, der Außenluft ansaugt und verdichtet, mit einem inneren Wärmetauscher, dessen Primär­ teil die verdichtete Luft zugeführt ist und in dem die ver­ dichtete Luft Wärme abgibt, und einer Entspannungsmaschine, die die vom Wärmetauscher zugeführte, verdichtete Luft unter weiterer Wärmeabgabe entspannt und der Fahrzeugkabine zu­ führt, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärteil (34) des Wärmetauschers (18) eingangsseitig mit dem Ausgang (24) der durch den Fahrgastraum (10) führenden Strecke des Kaltluft­ kreislaufs (12) und ausgangsseitig mit der Außenluft verbun­ den ist, daß der Verdichter (14) und die Entspannungsmaschi­ ne (16) einen gemeinsamen Antrieb (20) aufweisen, und daß der Kaltluftkreislauf (12) nach dem Joule-Prozeß arbeitet.

2. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ausgang (24) der über den Fahrgastraum (10) führenden Strecke des Kaltluftkreislaufs (12) und dem Eingang (g) des wärmeaufnehmen­ den Sekundärteils (34) des inneren Wärmetauschers (18) ein Abluftge­ bläse (26) vorgesehen ist.

3. Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auch die durch den Fahrgastraum (10, 40) führende wärmeaufnehmende Strecke des Kaltluftkreislaufs (12, 42) offen aus­ geführt, d. h. unmittelbar durch die Luft im Fahrgastraum (10, 40) gebildet ist.

4. Klimaanlage für Kraftfahrzeuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (14, 44) und/oder die Entspannungsmaschine (16, 46) nach dem Prinzip eines Spiralverdichters arbeitet.

5. Klimaanlage für Kraftfahrzeuge nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichter (14, 44) und/oder die Entspannungsmaschine (16, 46) nach dem Prinzip eines Drehkolbenverdichters arbeitet.

6. Klimaanlage für Kraftfahrzeuge nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb variierbar ist.