DE4117338A1 - Klimaanlage, insbesondere fuer fahrzeuge, nach dem sorptionsprinzip - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage, insbesondere für Fahrzeuge, nach dem Sorptionsprinzip, mit zumindest zwei beheizbaren Sorptionsbehältern sowie einem mit diesen über Arbeitsmittel-Leitungen verbundenen Verdampfer für das Sorptions-Arbeitsmittel. Das technologische Umfeld ist in der DE 33 42 985 C2 beschrieben.

Eine nach einem Sorptionsprinzip arbeitende Klimaanlage nutzt den Effekt, daß das in einem Sorptionsbehälter be­ findliche Sorptionsmittel ein Arbeitsmittel begierig auf­ nimmt. In dieser sog. Sorptionsphase verändert das in einem externen Behälter befindliche flüssige Arbeitsmit­ tel seinen Aggregatzustand und gelangt in dampfförmigem Zustand in den Sorptionsbehälter. Mit diesem Wechsel des Aggregatzustandes, der in einem als Wärmetauscher ausge­ bildeten Verdampfer erfolgt, wird der Umgebung des Ver­ dampfer-Wärmetauschers Wärme entzogen. Ein durch den Ver­ dampfer-Wärmetauscher geführter Luftstrom wird hierbei abgekühlt und kann zur Klimatisierung eines Fahrzeuges herangezogen werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Sorptionsmittel ein Zeolith und das Arbeitsmittel Wasser bzw. Wasserdampf.

Nachdem das in einem Sorptionsbehälter befindliche Sorp­ tionsmittel die maximale Menge von Arbeitsmittel aufge­ nommen hatte, muß dieses Arbeitsmittel durch Erhitzen des Sorptionsmittels wieder ausgetrieben und dem externen Sammelbehälter zugeführt werden. Das Erhitzen erfolgt durch Beheizen des Sorptionsbehälters, wobei die Beheizung elektrisch und/oder mittels eines Wärmeträger­ kreislaufs erfolgen kann. Da bei einer Fahrzeug-Klimaan­ lage der geschilderte Prozeß möglichst kontinuierlich ab­ laufen soll, sind zumindest zwei Sorptionsbehälter vorge­ sehen. Jeweils abwechselnd erfolgt in einem der beiden Sorptionsbehälter der Sorptionsprozeß, während aus dem Sorptionsmittel des anderen Sorptionsbehalters das Ar­ beitsmittel ausgetrieben wird. Dabei muß das ausgetrie­ bene Arbeitsmittel kontinuierlich wieder verflüssigt wer­ den.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, an einer Klimaanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 Maßnahmen aufzuzei­ gen, mit Hilfe derer sicher und auf einfache Weise das ausgetriebene Arbeitsmittel kontinuierlich verflüssigt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß die Ar­ beitsmittel-Leitungen über einen gegenseitigen Wärmetau­ scher führen. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

Erfindungsgemäß erfolgt ein Wärmetausch zwischen dem in den ersten Sorptionsbehälter einströmenden und dem aus dem zweiten Sorptionsbehälter ausgetriebenen Arbeitsmit­ tel. Dieser Wärmetausch fördert die Kondensation des er­ hitzten, ausgetriebenen Arbeitsmittels. Zum verbesserten Wärmeübergang zwischen den beiden Arbeitsmittel-Leitungen sind diese bereichsweise einem Wärmetauscher ähnlich an­ geordnet bzw. führen direkt über einen gegenseitigen Wär­ metauscher. Unter Ausnutzung der jeweiligen Arbeitsmit­ tel-Aggregatzustände baut eine derartige Klimaanlage be­ sonders kompakt, wenn der Verdampfer im wesentlichen geo­ dätisch oberhalb der im wesentlichen nebeneinander ange­ ordneten Sorptionsbehälter und/oder der Wärmetauscher der Arbeitsmittel-Leitungen im wesentlichen geodätisch ober­ halb des Verdampfers angeordnet ist. Auch mit den Merkma­ len des Anspruchs 4 nutzt eine erfindungsgemäße Klimaan­ lage, die jeweiligen unterschiedlichen Aggregatzustände des Arbeitsmittels, wobei der Verdampfer zugleich die Funktion des Sammelbehälters für das verflüssigte Ar­ beitsmittel übernimmt. Anspruch 5 beschreibt hierfür eine einfache Schaltungsanordnung.

Anhand eines lediglich prinzipiell dargestellten Ausfüh­ rungsbeispieles wird die Erfindung im folgenden näher be­ schrieben, wobei Fig. 1 eine Frontansicht und Fig. 2 eine Seitenansicht zeigt. Erfindungswesentlich können dabei sämtliche näher bezeichneten Merkmale sein.

Einem Fahrzeuginnenraum 1 soll mittels eines Gebläses 2 gemäß Pfeilrichtung 3 ein klimatisierter Luftstrom zuge­ führt werden. Hierfür verlaufen stromab des Gebläses 2 drei Luftkanäle 4a, 4b, 4c, die jeweils im Fahrzeug-In­ nenraum 1 münden.

Im Luftkanal 4a und im Luftkanal 4b ist jeweils ein luft­ durchströmter, beheizbarer Sorptionsbehälter 5a, 5b ange­ ordnet, während sich im Luftkanal 4c ein von Luft durch­ strömbarer Verdampfer-Wärmetauscher 6 befindet. Stromab des Verdampfers 6 befindet sich eine als Verschlußorgan 7c für den Luftkanal 4c ausgebildete Klappe, während die Luftkanäle 4a, 4b jeweils von einem klappenartigen Ver­ schlußorgan 7a, 7b verschlossen werden können. Zwischen den Sorptionsbehältern 5a und 5b sowie den nachgeordneten Verschlußorganen 7a, 7b weist jeder Kanal 4a, 4b eine in der Umgebung mündende Austrittsöffnung auf, die von je­ weils einem weiteren Verschlußorgan 8a, 8b verschlossen werden kann.

Die Sorptionsbehälter 5a, 5b sind mit Zeolith als Sorpti­ onsmittel befüllt. Als Arbeitsmittel kommt Wasser bzw. Wasserdampfer zum Einsatz, das über Arbeitsmittel-Leitun­ gen 9a, 9b geführt wird. Vom Sorptionsbehälter 5a führt die Arbeitsmittel-Leitung 9a durch einen Wärmetauscher 10 und mündet von diesem aus in Abhängigkeit von der Stel­ lung eines Schaltventiles 11a entweder über eine untere Eintrittsöffnung 12a oder über eine obere Austrittsöff­ nung 13a im Verdampfer 6. In gleicher Weise führt die Ar­ beitsmittel-Leitung 9b ausgehend vom Sorptionsbehälter 5b über den Wärmetauscher 10 zum Schaltventil 11b und mündet in Abhängigkeit von der Stellung dieses Schaltventiles 11b entweder in der oberen Austrittsöffnung 13b oder in der unteren Eintrittsöffnung 12b des Verdampfers 6.

Ferner verläuft durch die Sorptionsbehälter 5a, 5b je­ weils ein mittels eines Ventiles 14a, 14b absperrbarer Wärmeträgerkreislauf 15a, 15b zur wahlweisen Beheizung des jeweiligen Sorptionsbehälters 5. Die beschriebene Klimaanlage funktioniert somit wie folgt: Soll dem Fahrzeug-Innenraum 1 ein gekühlter Luftstrom zu­ geführt werden, so befindet sich das Verschlußorgan 7c in der mit durchgezogenen Linien dargestellten Position, so daß der Luftkanal 4c geöffnet ist. Auch die Verschlußor­ gane 7a, 7b befinden sich in der in durchgezogenen Linien gezeigten Position und sperren somit die Kanäle 4a, 4b gegenüber dem Fahrzeug-Innenraum 1 ab.

Zunächst befindet sich das Verschlußorgan 8a in der mit durchgezogenen Linien dargestellten Position, während das Verschlußorgan 8b die strichliert dargestellte Position einnimmt. Während somit aus dem Luftkanal 4a ein vom Ge­ bläse 2 geförderter und den Sorptionsbehälter 5a durch­ dringender Luftstrom in die Umgebung gelangen kann, wird der Sorptionsbehälter 5b nicht durchströmt, da der zuge­ hörige Luftkanal 4b vollständig abgesperrt ist. Hingegen fördert das Gebläse 2 stets einen Luftstrom durch den Verdampfer 6.

Da im geschilderten Zustand der Sorptionsbehälter 5a von Luft durchströmt und somit abgekühlt wird, kann das darin befindliche Sorptionsmittel Arbeitsmittel, d. h. Wasser­ dampf aufnehmen. Dieser Wasserdampf wird aus der oberen Austrittsöffnung 13a des Verdampfers 6 abgezogen - hier­ für befindet sich das Schaltventil 11a in der gezeigten Position - und gelangt über den Wärmetauscher 10 sowie die Arbeitsmittel-Leitung 9a in den Sorptionsbehälter 5a. Im Verdampfer 6 entsteht der Wasserdampf dabei aus dem am Boden des Verdampfers befindlichen verflüssigten Arbeits­ mittel, d. h. Wasser. Mit dem Übergang dieses Wassers vom flüssigen in den gasförmigen Zustand wird im Verdampfer 6 dem unter Einfluß des Gebläses 2 hindurchströmenden Luft­ strom Wärme entzogen, so daß erwünschtermaßen ein abge­ kühlter Luftstrom in den Fahrzeug-Innenraum gelangt.

Gleichzeitig wird der Sorptionsbehälter 5b über den Wärmeträgerkreislauf 15b bei geöffnetem Ventil 14b be­ heizt. Hierdurch wird das im Sorptionsbehälter 5b befind­ liche Wasser ausgetrieben und gelangt über die Arbeits­ mittel-Leitung 9b in den Wärmetauscher 10. Durch den Wär­ metausch mit der Arbeitsmittel-Leitung 9a kondensiert der ausgetriebene Wasserdampf und gelangt über das wie ge­ zeigt geschaltete Schaltventil 11b zur unteren Eintritts­ öffnung 12b des Verdampfers 6, wo es letztendlich dem Vorrat von verflüssigtem Arbeitsmittel hinzugefügt wird.

Ist der Sorptionsbehälter 5a vollständig mit Arbeitsmit­ tel gefüllt und ist zugleich das Arbeitsmittel aus dem Sorptionsbehälter 5b vollständig ausgetrieben, so wird der Prozeß umgeschaltet. Die Schaltventile 11a, 11b wer­ den dann in die andere nicht gezeigte Position gebracht, das Ventil 14a wird geöffnet und das Ventil 14b wird ge­ schlossen. In diesem Stadium nimmt der Sorptionsbehälter 5b Arbeitsmittel auf, das im Verdampfer 6 unter Wärmeauf­ nahme,von dem hindurchtretenden Luftstrom in den gasför­ migen Zustand überwechselte. Gleichzeitig wird der Sorp­ tionsbehälter 5a beheizt und somit das darin befindliche Arbeitsmittel ausgetrieben. Selbstverständlich werden für diesen Prozeß die Verschlußorgane 8a, 8b in die jeweils andere Position gebracht, so daß nunmehr der Luftkanal 4a des nunmehr beheizten Sorptionsbehälters 5a geschlossen ist, während der Sorptionsbehälter 5b durch den über das nunmehr geöffnete Verschlußorgan 8b austretenden Luft­ strom gekühlt wird.

Die beiden oben beschriebenen Zustände liegen bei einer Kühlung des Fahrzeug-Innenraumes 1 vor. Soll hingegen der Fahrzeug-Innenraum 1 beheizt werden, so wird zunächst der Luftkanal 4c des Verdampfers 6 durch das Verschlußorgan 7c (strich-punktierte Position) verschlossen. Gleichzei­ tig werden die beiden Verschlußorgane 7a, 7b ebenfalls in die strich-punktierte Position gebracht, so daß die Luftkanäle 4a, 4b im Fahrzeug-Innenraum 1 münden. Die beiden Verschlußorgane 8a, 8b nehmen dann die die Luftkanäle 4a, 4b gegenüber der Umgebung abschließende Position ein. Vor Inbetriebnahme des Fahrzeuges, das ins­ besondere als elektrisch angetriebenes Fahrzeug ausgebil­ det ist, wurden die beiden Sorptionsbehälter 5a, 5b mit­ tels einer nicht gezeigten elektrischen Heizvorrichtung - diese kann direkt oder über den Wärmeträgerkreislauf ein­ wirken - beheizt, so daß aus beiden Sorptionsbehältern 5a, 5b das darin befindliche Arbeitsmittel ausgetrieben wurde. Parallel zueinander oder zeitlich nacheinander können durch entsprechende Ansteuerung der Schaltventile 11a, 11b nunmehr die beiden Sorptionsbehälter 5a, 5b dampfförmiges Arbeitsmittel aufnehmen und geben hierbei Wärme ab, die bei der beschriebenen Position der Ver­ schlußorgane 7a, 7b, 7c, 8a, 8b über den vom Gebläse 2 geförderten Luftstrom in den Fahrzeug-Innenraum 1 ge­ langt. Eine Beheizung des Fahrzeug-Innenraumes 1 ist je­ doch auch dann möglich, wenn die beiden Sorptionsbehälter 5a, 5b vollständig mit Arbeitsmittel geladen sind. Zum einen können hierbei die beiden Sorptionsbehälter 5a, 5b als Wärmetauscher wirken, wenn diese jeweils vom Wärme­ trägerkreislauf 15a, 15b durchströmt werden. Es ist aber auch möglich, den oben geschilderten Prozeß des alternie­ renden Austreibens bzw. Aufnehmens von Arbeitsmittel durchzuführen, wobei abweichend von der obigen Schilde­ rung die bei der Sorption in jedem Sorptionsbehälter 5a, 5b freiwerdende Wärmemenge in den Fahrzeug-Innenraum 1 gelangt.

Die gezeigte Fahrzeug-Klimaanlage nach dem Sorptionsprin­ zip hat den Vorteil, daß bei einer einfachen Anordnung sowohl eine Abkühlung als auch eine Beheizung des Fahr­ zeug-Innenraumes kontinuierlich möglich ist. Die gezeigte Anordnung baut äußerst kompakt und macht sich hierbei die unterschiedlichen Aggregatzustände des Sorptions-Arbeits­ mittels zu nutze. Die Sorptionsbehälter 5a, 5b übernehmen gleichzeitig die Funktion eines Wärmetauschers, während der Verdampfer 6 gleichzeitig als Reservoir für verflüs­ sigtes Arbeitsmittel dient. Der Wärmetauscher 10 zwischen den Arbeitsmittel-Leitungen 9a, 9b ist einer schnellen kontinuierlichen Kondensation des zu verflüssigenden Ar­ beitsmittels förderlich, wobei aufgrund der gezeigten An­ ordnung - d. h. der Wärmetauscher 10 liegt oberhalb des Verdampfers 6 und dieser oberhalb der Sorptionsbehälter 5a, 5b - keine Fördervorrichtung für das Arbeitsmittel erforderlich ist. Vielmehr erfolgt dessen Transport allein unter Schwerkrafteinfluß bzw. unter Ausnutzung der bei der Sorption herrschenden Druckverhältnisse, da das das Arbeitsmittel anlagernde Sorptionsmittel das Arbeitsmittel förmlich aus dem Verdampfer 6 absaugt. Auch zeichnet sich die gezeigte Anordnung der einzelnen Ele­ mente durch eine äußerst kompakte Bauweise aus, wobei le­ diglich eine geringe Anzahl von Klappen bzw. Verschlußor­ ganen 7, 8 erforderlich ist, um eine Vielzahl von Funk­ tionen realisieren zu können. Detaillierte konstruktive Ausführungsformen können dabei durchaus abweichend vom gezeigten, lediglich prinzipiell dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel gestaltet sein, ohne den Inhalt der Pa­ tentansprüche zu verlassen.

Claims (5)

1. Klimaanlage, insbesondere für Fahrzeuge, nach dem Sorptionsprinzip, mit zumindest zwei beheizbaren Sorptionsbehältern (5a, 5b) sowie einem mit diesen über Arbeitsmittel-Leitungen (9a, 9b) verbundenen Verdampfer (6) für das Sorptions-Arbeitsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsmittel-Lei­ tungen (9a, 9b) über einen gegenseitigen Wärmetau­ scher (10) führen.

2. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (6) im wesentlichen geodätisch oberhalb der im wesentlichen nebeneinander angeordneten Sorptionsbehälter (5a, 5b) angeordnet ist.

3. Klimaanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (10) der Arbeitsmittel-Leitungen (9a, 9b) im wesentlichen geodätisch oberhalb des Verdampfers (6) angeordnet ist.

4. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (6) je­ weils eine untere Eintrittsöffnung (12, 12b) für das vom ersten oder zweiten Sorptionsbehälter (5a, 5b) ausgetriebene Arbeitsmittel und jeweils eine obere Austrittsöffnung (13a, 13b) für das gleichzeitig im zweiten oder ersten Sorptionsbehälter (5b, 5a) auf­ zunehmende Arbeitsmittel aufweist.

5. Klimaanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Arbeitsmittel- Leitungen (9a, 9b) zwischen dem Wärmetauscher (10) und dem Verdampfer (6) Schaltventile (11a, 11b) vor­ gesehen sind, die die Verdampfer-Eintrittsöffnung (12a, 12b) oder die Verdampfer-Austrittsöffnung (13a, 13b) freigeben.