DE4207857A1 - Verdunstungskaelteanlage mit einer sorptions-energiequelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verdunstungskälteanlage für die Klimatisierung eines Fahrzeuges mit einer mit Sorp­ tion arbeitenden Energiequelle, insbesondere mit Wasser als Arbeitsmittel und einem Zeolithspeicher als Sorp­ tionsquelle, wobei ein vom zu klimatisierenden Luftstrom beaufschlagter Arbeitsmittel-Verdampfer vorgesehen ist, der eingangsseitig mit einem Arbeitsmittel-Sammelbehälter und ausgangsseitig mit der Sorptionsquelle verbindbar ist.

Eine derartige Verdunstungskälteanlage, die zumindest in­ ternen Stand der Technik bildet (Patentanmeldung P 41 17 337) hinsichtlich der erzielbaren Kälteleistung we­ sentlich zu verbessern, ist Aufgabe der vorliegenden Er­ findung.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß der Ar­ beitsmittel-Verdampfer als Verdampfer-Wärmetauscher mit parallel geschalteten Rohren ausgebildet ist, und daß die Rohre über eine Kapillarrohr-Verteilerspinne unter Zwi­ schenschaltung eines Regelventiles mit dem Arbeitsmittel- Sammelbehälter verbunden sind. Vorteilhafte Weiterbildun­ gen der Erfindung sind Inhalt der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß erfolgt eine Direktverdampfung des Ar­ beitsmittels im Wärmetauscher, so daß der Verdampfer und der Wärmetauscher eine Einheit bilden. Im Sinne einer op­ timierten Verdampfung sowie eines optimierten Wärmeüber­ gangs zum zu klimatisierenden Luftstrom kommt ein Ver­ dampfer-Wärmetauscher mit parallel geschalteten Rohren zum Einsatz, wobei für eine effektive Klimatisierung eines üblichen Personenkraftwagens die Summe der einzel­ nen Rohrquerschnitte größer als 20 cm² sein muß. Die ein­ zelnen Verdampfer-Wärmetauscher-Rohre werden dabei über eine Verteilerspinne aus dem Arbeitsmittel-Sammelbehälter versorgt. Zwischen dieser Verteilerspinne sowie dem Ar­ beitsmittel-Sammelbehälter ist ein Regelventil angeord­ net, mit dem der Arbeitsmittel-Durchfluß den individuel­ len Anforderungen angepaßt werden kann. Vorteilhafter­ weise ist keine separate Fördervorrichtung für das Ar­ beitsmittel erforderlich; vielmehr erfolgt der Transport des Arbeitsmittels aufgrund der herrschenden Druckunter­ schiede insbesondere zwischen dem Arbeitsmittel-Sammelbe­ hälter und dem Verdampfer-Wärmetauscher.

Die Verteilerspinne ist aus Kapillarrohren aufgebaut, d. h. die dem Regelventil nachgeordneten das Arbeitsmittel führenden Leitungen sind Kapillarrohre. Der kleine Innen­ durchmesser dieser Kapillarrohre stellt sicher, daß sich nur eine geringe Menge von Arbeitsmittel darin befindet und dieses Arbeitsmittel bei geschlossenem Regelventil lediglich ganz langsam aus diesem Kapillarrohr verdampfen kann. Dadurch wird beim Schließen des Regelventiles die Kälteerzeugung schnell beendet und ein Zufrieren in den Kapillarrohren vermieden.

Die Verdampferfunktion des Wärmetauschers kann beträcht­ lich verbessert werden, wenn dieser gegenüber der Verti­ kalen geneigt angeordnet ist. Insbesondere kann dieser Verdampfer-Wärmetauscher nahezu horizontal, d. h. bis ca. 15° schräg zur Horizontalen angestellt sein. Sicherge­ stellt sein muß lediglich, daß das Arbeitsmittel in den Rohren des Verdampfer-Wärmetauschers geodätisch nach un­ ten rinnen und dabei verdampfen kann. Daher liegt der Ar­ beitsmittel-Eingang oberhalb des Arbeitsmittel-Ausganges. Eine Verbesserung der Verdampfung im Verdampfer-Wärmetau­ scher läßt sich auch durch Rohreinsätze mit Kapillarwir­ kung, so beispielsweise von Watte, Dochtmaterial, ggf. von Sintermetallen erreichen, wobei allerdings auf einen genügend großen verbleibenden Verdampfungsquerschnitt ge­ achtet werden muß.

Besonders einfach strukturieren läßt sich der Arbeitsmit­ telkreislauf, wenn der Arbeitsmittel-Verdampfer ausgangs­ seitig auch mit dem Arbeitsmittel-Sammelbehälter verbind­ bar ist. In diesem Zusammenhang bietet es sich an, eine Zusatzheizung für das im Arbeitsmittel-Sammelbehälter be­ findliche Arbeitsmittel vorzusehen. Eine derartige Zu­ satzheizung erhöht zum einen das Druckpotential zur För­ derung des Arbeitsmittels zwischen dem Sammelbehälter und dem Verdampfer-Wärmetauscher, zum anderen kann diese Zu­ satzheizung die Sorptionsquelle in ihrer Wärmeabgabe un­ terstützen und darüber hinaus beispielsweise dann zum Einsatz kommen, wenn das Fahrzeug an eine externe Ener­ giequelle anschließbar ist. Beispielsweise kann beim Par­ ken des Fahrzeuges in einer Garage unmittelbar vor dem Fahrzeugstart eine elektrische Zusatzheizung im Arbeits­ mittel-Sammelbehälter durch das allgemeine Stromnetz von außen betrieben werden um das oben genannte Druckpoten­ tial aufzubauen. Selbstverständlich sind auch andere Energiequellen, so beispielsweise der Kühlkreislauf des Fahrzeugantriebes möglich. Dann dient die Beheizung auch als Vereisungsschutz. Um dabei den jeweiligen Anforderun­ gen entsprechend die Sorptions-Energiequelle und/oder den beheizbaren Arbeitsmittel-Sammelbehälter an die Ausgangs­ seite des Verdampfer-Wärmetauschers anschließen zu kön­ nen, ist der Ausgang des Arbeitsmittel-Verdampfers mit einer zur Sorptionsquelle führenden Leitung verbunden, die unter Zwischenschaltung eines Stellventiles mit ihrem anderen Ende im Arbeitsmittel-Sammelbehälter mündet.

Unter gewissen Randbedingungen kann es sich ergeben, daß das Arbeitsmittel im Verdampfer-Wärmetauscher nicht voll­ ständig verdampft. Dann könnte zusammen mit dem Dampf­ strom flüssiges Arbeitsmittel in die Sorptionsquelle ge­ langen. Dies führt zu Leistungseinbußen und reduziert den Wirkungsgrad einer derartigen Kälteanlage. In einem be­ vorzugten Anwendungsfall kommt - wie eingangs angegeben - als Arbeitsmittel Wasser zum Einsatz, während die Sorp­ tionsquelle durch einen Zeolithspeicher gebildet wird. In diesem Falle könnten Wassertropfen, die in den Zeolith­ speicher gelangen, zu einer örtlichen Überhitzung führen und damit zumindest geringfügige Zerstörungen hervorru­ fen. Zusätzlich zu dem Effekt der oben beschriebenen, un­ vollständigen Verdampfung kann aber flüssiges Arbeitsmit­ tel auch durch mechanische Einflüsse, wie beispielsweise Rütteln, extreme Beschleunigungen oder Lageänderungen in die Sorptionsquelle gelangen. Um dies zu vermeiden, wird vorgeschlagen, in die vom Arbeitsmittel-Verdampfer und/oder vom Arbeitsmittel-Sammelbehälter zur Sorp­ tionsquelle führende Leitung eine für dampfförmiges Ar­ beitsmittel im wesentlichen durchlässige, für flüssiges Arbeitsmittel hingegen im wesentlichen undurchlässige Membrane anzuordnen. Im Falle von Wasser als Arbeitsmit­ tel soll diese Membrane möglichst gute Dampfdiffusions­ eigenschaften bei einem guten Wasserrückhaltevermögen haben. Dadurch werden mögliche Wassertropfen zurückgehal­ ten, ohne den Dampfstrom wesentlich zu behindern. Vor­ teilhaft sind Membranen mit hydrophoben Eigenschaften. Dann perlt sich ansammelndes Wasser von der Membrane ab, ohne den Dampfdurchtrittsquerschnitt zu verringern. Abge­ schiedenes Wasser gelangt dann zur Ausgangsseite des Ver­ dampfers oder zum Arbeitsmittel-Sammelbehälter zurück.

Die Membrane sollte so oberhalb des möglichen Pegelstan­ des von flüssigem Arbeitsmittel angebracht sein, daß sie nicht andauernd benetzt ist, da andernfalls kein Dampf­ durchgang möglich ist. Die Membrane kann jedoch so in­ stalliert sein, daß sie teilweise vom flüssigen Arbeits­ mittelvolumen benetzt wird. Dadurch kann der Arbeitsmit­ tel-Spiegel bezüglich Bewegungen der Verdunstungskältean­ lage bzw. des Fahrzeuges stabilisiert werden. Für diesen Fall sollte eine Membrane mit großem Wasserrückhaltevermögen Anwendung finden. An die dann geringe Diffusionsfähigkeit ist die erforderliche Querschnittsfläche der Membrane dann entsprechend anzupassen. Insbesondere kann hierzu die Membrane auf einem sich in Leitungs-Längsrichtung er­ streckenden Stützgitterkegel aufliegen. Die Kegelmantel­ fläche stellt dabei eine ausreichend große Membranen- Oberfläche zur Verfügung. In besonders raumsparender An­ ordnung wird dieser Stützgitterkegel in ein Leitungsrohr eingesetzt und kann beispielsweise auch direkt im Ver­ dampfer-Wärmetauscher angeordnet sein. Bevorzugt können dabei Membranen aus Gore-Tex-Industriematerial zum Ein­ satz kommen.

Die beigefügten und im folgenden beschriebenen Prin­ zipskizzen dienen als bevorzugte Ausführungsbeispiele der näheren Erläuterung der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Verdunstungskälteanlage für die Klimatisierung eines Fahrzeuges gezeigt. Der zu klimatisie­ rende Luftstrom, der von einem nicht gezeigten Gebläse in den ebenfalls nicht gezeigten Innenraum des Fahrzeuges gefördert wird, durchströmt einen Verdampfer-Wärmetau­ scher 1. In diesem Verdampfer-Wärmetauscher 1, der aus parallel geschalteten Rohren 2a, 2b, 2c aufgebaut ist, verdampft Arbeitsmittel (hier: Wasser), das über eine Verteilerspinne 3 zugeführt wird. Diese Verteilerspinne 3 ist aus Kapillarrohren aufgebaut und wird unter Zwischen­ schaltung eines Regelventiles 4 aus einem Arbeitsmittel- Sammelbehälter 5 versorgt. Ausgangsseitig ist der Ver­ dampfer-Wärmetauscher 1 über eine Leitung 6 mit einer Sorptionsquelle 7 verbunden, die insbesondere als Zeo­ lithspeicher ausgebildet ist. Dabei mündet das andere Ende der Leitung 6 unter Zwischenschaltung eines Stell­ ventiles 8 im Arbeitsmittel-Sammelbehälter 5.

Durch die Gestaltung des Verdampfer-Wärmetauschers 1 inklusive der vorgeschalteten Kapillarrohr-Verteilerspinne 3 ist eine optimale Verdampfung bei bestmöglichem Wärme­ übergang an den zu klimatisierenden Luftstrom gewährlei­ stet, so daß sich diese Verdunstungskälteanlage durch eine optimale Kälteleistung auszeichnet. Dazu trägt auch bei, daß - wie ersichtlich - der Verdampfer-Wärmetauscher gegenüber der Vertikalen geneigt angeordnet ist.

Die Energiezufuhr zum Arbeitsmittel erfolgt zum einen in der als Zeolithspeicher ausgebildeten Sorptionsquelle 7. Zusätzlich ist eine Zusatzheizung 9 vorgesehen, die tauchsiederähnlich im Arbeitsmittel-Sammelbehälter 5 an­ geordnet ist. Während das Stellventil 8 dazu dient, Ar­ beitsmittel direkt zur Sorptionsquelle 7 gelangen zu las­ sen oder von dieser in den Sammelbehälter 5 zurückzufüh­ ren, kann mit dem Regelventil 4 die gewünschte Kältelei­ stung eingestellt werden. Der direkte Weg über das Stell­ ventil 8 wird dabei dann gewählt, wenn die in der Sorptionsquelle 7 freiwerdende Adsorptionswärme zur Beheizung des Fahrgastraumes genutzt werden soll.

Nicht näher erläutert wird die Sorptionsquelle 7 in Form des Zeolithspeichers, da dieser wie bekannt aufgebaut ist. Beispielsweise ist auch eine Zuluftöffnung 10a sowie eine Abluftöffnung 10b für einen durch den Zeolithspei­ cher hindurchtretenden Luftstrom vorgesehen. Dieser Luft­ strom kann dabei ebenfalls zur Klimatisierung, d. h. zur Erwärmung des Fahrzeug-Innenraumes herangezogen werden. Um den Zeolithspeicher vor dem Eintritt von flüssigem Ar­ beitsmittel zu schützen, ist in der Leitung 6 eine Mem­ brane 11, beispielsweise eine Gore-Tex-Industriemembrane, angeordnet. Diese Membrane besitzt gute Dampfdiffusions­ eigenschaften bei einem guten Wasserrückhaltevermögen. Wie bereits eingangs erläutert, läßt sich auch hiermit die Kälteleistung der geschilderten Anlage erheblich ver­ bessern. Darüber hinaus wird die Verdunstungskälteanlage mit dieser Membrane 11 unempfindlicher gegenüber Bewegun­ gen, Beschleunigungen, Stößen. Die Baugröße kann redu­ ziert werden und das Gewicht des Verdampfers kann eben­ falls verringert werden, indem mit Hilfe dieser Membrane 11 der Flüssigkeitsspiegel von flüssigem Arbeitsmittel stabilisiert wird. Hierzu ist die Membrane 11 an geeigne­ ter Stelle in die Leitung 6 einzubauen, wobei der hierfür erforderlich Bauraum vernachlässigbar gering ist.

In Fig. 2a ist skizzenhaft perspektivisch dargestellt, wo die Membrane 11, beispielsweise aufgebracht auf ein Stützgitter 12, in die Leitung 6 zwischen dem Sammelbe­ hälter 5 sowie der Sorptionsquelle 7 eingebaut sein kann. Dabei ist im Sammelbehälter 5 nahe des Mündungsbereiches der Leitung 6 und weit oberhalb des Spiegels von flüssi­ gem Arbeitsmittel 13 ein Spritzschutz 14 angebracht.

Fig. 2b zeigt ebenfalls perspektivisch eine andere Mög­ lichkeit, die Membrane 11 allgemein in einer Leitung an­ zuordnen. Insbesondere kann diese Leitung auch Be­ standteil des Verdampfer-Wärmetauschers 1 sein. Wie er­ sichtlich, liegt die Membrane 11 auf einem sich in Lei­ tungs-Längsrichtung (Pfeilrichtung 15) erstreckenden Stützgitterkegel 16 auf. Da dieses Leitungsstück auch ge­ mäß Pfeilrichtung 15 durchströmt wird, kann in dem Raum längs bzw. außerhalb des Stützgitterkegels 16 flüssiges Arbeitsmittel 13 und im Raum innerhalb bzw. rechts des sich erweiternden Stützgitterkegels 16 dampfförmiges Ar­ beitsmittel 17 vorliegen. Vorteilhafterweise ist in die­ sem Falle die Membrane 11 der Verdampfung des Arbeitsmit­ tels förderlich. Vorteilhafterweise muß dann, wenn dieses Leitungsstück gemäß Fig. 2b Bestandteil des Verdampfer- Wärmetauschers 1 ist, letzterer nicht mehr geneigt einge­ baut werden, sondern kann vielmehr auch waagrecht oder sogar in Durchströmungsrichtung gemäß Pfeilrichtung 15 geodätisch ansteigend angeordnet werden.

Insgesamt zeichnet sich die beschriebene Verdunstungs­ kälteanlage durch höchste Kälteleistung sowie auch durch ein spontanes Ansprechen aus. Vorteilhafterweise ist keine Fördervorrichtung für das Arbeitsmittel erforder­ lich. Auch kann das Stellventil 8 gegenüber dem bekannten Stand der Technik deutlich vereinfacht ausgebildet sein. Dies sowie weitere Details können jedoch abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims (10)

1. Verdunstungskälteanlage für die Klimatisierung eines Fahrzeuges mit einer mit Sorption arbeitenden Ener­ giequelle, insbesondere mit Wasser als Arbeitsmittel und einem Zeolithspeicher als Sorptionsquelle (7), wobei ein vom zu klimatisierenden Luftstrom be­ aufschlagter Arbeitsmittel-Verdampfer vorgesehen ist, der eingangsseitig mit einem Arbeitsmittel-Sam­ melbehälter (5) und ausgangsseitig mit der Sorp­ tionsquelle (7) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsmittel-Ver­ dampfer als Verdampfer-Wärmetauscher (1) mit paral­ lel geschalteten Rohren (2a, 2b, 2c) ausgebildet ist, und daß die Rohre (2a bis 2c) über eine Kapil­ larrohr-Verteilerspinne (3) unter Zwischenschaltung eines Regelventiles (4) mit dem Arbeitsmittel-Sam­ melbehälter (5) verbunden sind.

2. Verdunstungskälteanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer-Wärmetau­ scher (1) gegenüber der Vertikalen geneigt angeord­ net ist und der Arbeitsmittel-Eingang oberhalb des Arbeitsmittel-Ausganges liegt.

3. Verdunstungskälteanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (2a, 2b, 2c) des Verdampfer-Wärmetauschers (1) mit Kapillar-Ein­ sätzen versehen sind.

4. Verdunstungskälteanlage nach einem der vorangegan­ genen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer-Wärmetau­ scher (1) ausgangsseitig mit dem Arbeitsmittel-Sam­ melbehälter (5) verbindbar ist.

5. Verdunstungskälteanlage nach einem der vorangegan­ genen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zusatzheizung (9) für das im Arbeitsmittel-Sammelbehälter (5) befind­ liche Arbeitsmittel vorgesehen ist.

6. Verdunstungskälteanlage nach einem der vorangegan­ genen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Verdamp­ fer-Wärmetauschers (1) mit einer zur Sorptionsquelle (7) führenden Leitung (6) verbunden ist, die unter Zwischenschaltung eines Stellventiles (8) im Ar­ beitsmittel-Sammelbehälter (5) mündet.

7. Verdunstungskälteanlage nach einem der vorangegan­ genen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der vom Verdampfer- Wärmetauscher (1) und/oder vom Arbeitsmittel-Sammel­ behälter (5) zur Sorptionsquelle (7) führenden Lei­ tung (6) eine für dampfförmiges Arbeitsmittel im we­ sentlichen durchlässige, für flüssiges Arbeitsmittel hingegen im wesentlichen undurchlässige Membrane (11) vorgesehen ist.

8. Verdunstungskälteanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (11) was­ serabstoßend ist.

9. Verdunstungskälteanlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (11) auf einem sich in Leitungs-Längsrichtung (15) er­ streckenden Stützgitterkegel (16) aufliegt.

10. Verdunstungskälteanlage nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gore-Tex-Industrie­ membrane zum Einsatz kommt.