DE4341756C2

DE4341756C2 - Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE4341756C2
Application number: DE4341756A
Authority: DE
Inventors: Roland Burk; Hans-Joachim Kraus; Michael Loehle
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 1993-12-08
Filing date: 1993-12-08
Publication date: 2001-08-02
Anticipated expiration: 2013-12-09
Also published as: DE4341756A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Klimaanlage für ein Kraftfahr zeug der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Aus der DE 36 27 369 A1 ist ein Fahrzeug mit einer Kompressionsklima anlage und mit einem Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine bekannt. Im Kältemittelkreis befinden sich zwei Kondensatoren, die in Reihe hintereinander liegen, wobei einer der Kondensatoren vom Kühlluft strom und der andere Kondensator von der Kühlflüssigkeit der Brenn kraftmaschine beaufschlagt ist. Durch die Reihenschaltung der Kon densatoren bei der bekannten Anordnung wird erreicht, daß der luft beaufschlagte Kondensator eine geringere Leistung erbringen muß als bei den sonst üblichen Anlagen mit nur einem Kondensator. Damit kann der Bauraum und auch der luftseitige Druckabfall des Kondensators verringert werden. Die Kondensationswärme wird jedoch stets an die Umgebungsluft abgegeben - teils direkt in dem luftbeaufschlagten Kondensator und teils indirekt über das Kühlmittel der Brennkraftma schine und den dafür vorgesehenen Kühlmittelkühler.

Im Zuge der Entwicklung energiesparender Antriebsmotoren ist auch die an das Kühlmittel abgegebene Wärmemenge deutlich niedriger, so daß die für die Beheizung des Fahrgastraums zur Verfügung stehende Wärmeenergie, insbesondere bei niedrigen Außentemperaturen, nicht ausreicht. Als Zusatzheizungen wurden daher schon Brennstoffheizun gen oder elektrische Heizregister vorgeschlagen. Brennstoffheizungen benötigen jedoch zusätzlichen Kraftstoff und sind auch mit relativ hohen Anschaffungskosten verbunden. Elektrische Zusatzheizungen sind wegen der nicht in unbegrenztem Maße zur Verfügung stehenden elek trischen Energie des Bordnetzes lediglich bedingt einsetzbar.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Klimaan lage der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung zu schaffen, bei der die im Kältemittelkreis anfallende Energie zurück gewonnen und zur Beheizung des Fahrgastraumes genutzt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Klimaanlage der gattungsgemäßen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Erfindung wird es ermöglicht, den Heizwärmebedarf eines Fahrzeugs durch erhöhten Umluftbetrieb zu senken, die Umluft zu entfeuchten und die dabei anfallende latente Wärme zusammen mit der von einem Kompressor eingebrachten Energie zur Beheizung des Fahrgastraumes nutzbar zu machen.

Die Erfindung bietet insbesondere bei niedrigen Außentemperaturen den Vorteil, daß die im Fahrgastraum befindliche Luft als Umluft dem Fahrzeuginnenraum wieder zugeführt wird, so daß eine Aufheizung le diglich in begrenztem Umfang erforderlich ist. Da jedoch die Luft feuchtigkeit im Umluftbetrieb rasch ansteigen und zu einem Beschla gen der Scheiben führen würde, wird dieser Luftstrom zunächst durch den Verdampfer der Klimaanlage geführt, wobei durch die Abkühlung die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit kondensiert und abgeführt wird. Danach erfolgt eine Aufheizung der entfeuchteten Luft, wobei die zugeführte Wärme sich aus der durch den Verdampfer dem Luftstrom entzogenen Wärme, der latenten Kondensationswärme und der durch den Kompressor zugeführten Energie zusammensetzt. Mit dieser Maßnahme ist es ohne weiteres möglich, daß der Umluftanteil zwischen 70% und 100% beträgt.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung wird darin gesehen, daß die in dem zweiten Kondensator abgegebene Wärme direkt der Fahrzeugheizung zugeführt wird, d. h. daß der zweite Kondensator sekundärseitig mit einem Heizkörper in Verbindung steht. Die Ventilmittel können - in Richtung des Kältemittelstroms gesehen - vor den Kondensatoren oder aber hinter den Kondensatoren angeordnet sein.

Damit der Kältemittelkreislauf beschleunigt zu Heizzwecken nutzbar gemacht werden kann ist es zweckmäßig, den zweiten Kondensator zunächst mit nur geringem Kühlmittelmassenstrom zu betreiben. Aus diesem Grund ist der zweite Kondensator sekundärseitig mit einer By pass-Leitung versehen und es ist außerdem ein Ventil vorhanden, durch das der Flüssigkeitsstrom durch den Kondensator steuerbar ist. Der Vorteil einer derartigen Schaltung liegt darin, daß auch bei an fangs noch relativ niederer Kühlmitteltemperatur die Kondensations temperatur im Kondensator rascher ansteigt und mehr Kondensations wärme in das Kühlmittel eingebracht werden kann. Dieses Ventil ist vorzugsweise als Thermostatventil ausgebildet, so daß der Kondensa tor erst dann mit Kühlmittel beaufschlagt wird, wenn eine bestimmte Kondensationstemperatur erreicht ist.

Der erste Kältemittelkondensator wird betrieben, wenn die Kli maanlage im sogenannten Kühlbetrieb laufen soll, d. h. eine Abkühlung der dem Innenraum des Kraftfahrzeugs zugeführten Luft erforderlich ist. Zur entsprechenden Einstellung der Ventilmittel und der dadurch bedingten Beaufschlagung des ersten Kondensators ist es zweckmäßig, daß ein Innenraumtemperaturfühler und ein Sollwertsteller vorgesehen sind, und daß die Ventilmittel den ersten Kondensator zuschalten und den zweiten Kondensator abschalten, wenn die vom Innenraumtempera turfühler gemessene Temperatur größer ist als die am Sollwertsteller eingestellte Temperatur. Sofern eine Aufheizung der dem Fahrgastraum zugeführten Luft erfolgen soll - das ist der sogenannte Heizbetrieb - muß die im Kältemittelkreislauf anfallende Wärme im zweiten Kon densator an den Flüssigkeitskreislauf, in dem sich der Heizkörper befindet, abgegeben werden. Es ist daher zweckmäßig, daß die Ventil mittel den zweiten Kondensator zuschalten und den ersten Kondensator sperren, wenn die am Sollwertsteller eingestellte Temperatur größer ist als die am Innenraumtemperaturfühler gemessene Temperatur und das Wärmeangebot des Kühlkreislaufs des Fahrzeugantriebs nicht aus reicht.

Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Klimaanlage sind nachste hend anhand der Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Klima anlage;

Fig. 2 eine Ausführungsvariante zu Fig. 1;

und

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Klima anlage und eines Motorkühlkreislaufs.

In Fig. 1 ist die schematische Darstellung eines Kältekreislaufs ei ner Fahrzeugklimaanlage gezeigt. Dabei umfaßt der Kältekreislauf einen Kompressor 10, einen Verdampfer 11, ein Expansionsventil 12, einen Kältemittelsammler/-trockner 13, sowie Kältemittelleitungen 14 zwischen diesen Baugruppen. Zwischen dem Kompressor 10 und dem Käl temittelsammler/-trockner 13 befindet sich in einer Kältemittellei tung 15 ein Verzweigungspunkt 16, von dem aus zwei parallele Lei tungszweige 17, 17' zu einem Ventil 18 führen, an dem sich diese Leitungszweige wieder vereinigen. In dem Leitungszweig 17 befindet sich ein erster Kondensator 20, der als Kältemittel-Luftwärmetau scher ausgeführt ist und in den Leitungszweig 17' ist ein als Kältemittel/Flüssigkeit-Wärmetauscher ausgeführter zweiter Kondensator 21 eingebunden. Der erste Kondensator 20 entspricht bezüglich seines Aufbaus und der Größe einem luftgekühlten Kondensator konventionel ler Art.

Der zweite Kondensator 21 benötigt einen wesentlich geringeren Bau raum bei gleicher Leistung, da er sekundärseitig von einer Flüssig keit - vorzugsweise dem Kühlmittel des Antriebsmotors - beaufschlagt ist. Das Ventil 18 ist als 3/2 Wege-Ventil ausgebildet, d. h. in ei ner der beiden möglichen Stellungen wird der erste Kondensator 20 mit dem Kältemittelsammler/-trockner 13 verbunden, während die Ver bindung zwischen dem zweiten Kondensator 21 abgesperrt ist, und in der anderen der beiden Stellungen wird der Durchfluß durch den er sten Kondensator 20 gesperrt und der zweite Kondensator 21 mit dem Kältemittelsammler 13 verbunden.

Die Ausführungsvariante der Fig. 2 zeigt einen Kältekreislauf einer Fahrzeugklimaanlage, bei der das Ventil 18 zwischen dem Kompressor 10 und den Kondensatoren 20 und 21 eingesetzt ist. Die übrigen Kom ponenten des Kältemittelkreislaufs stimmen mit denjenigen der Fig. 1 überein, so daß die betreffenden Bezugszeichen ebenfalls übernommen sind. In Fig. 2 ist darüber hinaus dargestellt, daß der zweite Kon densator 21 sekundärseitig mit einem Heizkörper 25 eines Fahrzeug heizsystems verbunden ist. Der Flüssigkeitsdurchsatz durch den Heiz körper 25 wird mit Hilfe eines steuerbaren Ventils 24 geregelt. Be stimmte Betriebszustände können es erforderlich machen, daß der zweite Kondensator 21 betrieben wird, obwohl der Durchfluß durch das Ventil 24 gesperrt ist. Um diesem Rechnung zu tragen ist eine Kühl mittelleitung 26 vorgesehen. Bezüglich der Wirkungsweise des Kälte mittelkreislaufs ergibt sich durch die Anordnung der Fig. 2 keine nennenswerte Änderung gegenüber derjenigen in Fig. 1, da der jeweils wechselnde Betrieb des ersten Kondensators 20 oder des zweiten Kon densators 21 gleichermaßen durch das Ventil 18 eingestellt werden kann, unabhängig davon, ob es in Strömungsrichtung des Kältemittels vor den Kondensatoren oder hinter den Kondensatoren angeordnet ist.

Die Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Klimaanlage und eines Motorkühlkreislaufs, wobei der Kältemittelkreislauf der Fahr zeugklimaanlage demjenigen entspricht, der in Fig. 2 dargestellt ist. Für gleiche Teile stimmen die Bezugszeichen mit denjenigen der Fig. 2 überein. Der zweite Kondensator 21 ist sekundärseitig an den Kühlmittelkreislauf eines Motorkühlsystems angeschlossen, wobei eine Anschlußleitung 29 von einem Kühlmittelkühler 30 zu dem zweiten Kondensator 21 und eine weitere Kühlmittelleitung 27 vom Kondensator 21 zu dem Heizkörper 25 führt. Der Heizkörper 25 ist mit dem Motor block eines Verbrennungsmotors 31 verbunden, der andererseits an den Kühlmittelkühler 30 über ein Thermostatventil angeschlossen ist. Zur Umwälzung des Kühlmittels dient eine Wasserpumpe 32.

In der Kühlmittelleitung 29 befindet sich ein Ventil 33 und in der Kühlmittelleitung 27 ist ein Ventil 35 angeordnet. Durch diese Ven tile 33 und 35 sind verschiedene Betriebsweisen des Kühlmittelkrei ses möglich, beispielsweise kann der Motorkühlkreislauf ohne Beauf schlagung des zweiten Kondensators 21 und auch ohne den Heizkörper 25 betrieben werden. Eine andere Stellung der Ventile 33 und 35 er möglicht die Beaufschlagung des Heizkörpers 25 zum Zwecke der Behei zung des Fahrgastraumes, wobei der Kondensator 21 mit einer By passleitung 36 überbrückt wird. Diese Bypassleitung 36 erfüllt eine weitere Funktion in der Anfangsphase des Betriebs des Kältemittel kreislaufs um dessen Beitrag zur Erwärmung des Kühlmittels zu erhö hen. Dies soll erreicht werden indem die Bypassleitung 36 die sekundärseitigen Anschlüsse des zweiten Kondensators 21 verbindet und damit einen Kurzschlußbetrieb ermöglicht. Der Kondensator 21 wird dabei, obwohl kältemittelseitig in Betrieb, zunächst nicht - oder nur sehr wenig - vom Kühlmittel durchströmt. Hierdurch steigt die Kühlmitteltemperatur im Kondensator und damit auch die Kondensa tionstemperatur schneller an. Erst wenn die Kondensationstemperatur einen vorgegebenen Wert von z. B. 60° erreicht hat, wird der Kühlmit telmassenstrom durch den Kondensator allmählich erhöht. Das Ventil 33 ist deshalb zweckmäßigerweise als Thermostatventil ausgeführt und kann auch stromab des Kondensators 21 plaziert werden. Der Vorteil diesen Vorgehens liegt darin, daß der nun als Wärmepumpe arbeitende Kreisprozess schneller auf einen Betriebszustand gebracht wird, bei dem ausreichend Wärme im Kondensator 21 zur Aufheizung des Kühlmit tels freigesetzt wird.

Ein wesentlicher Vorteil aller gezeigten Ausführungsbeispiele be steht darin, daß zur Realisierung der Erfindung die Komponenten bis heriger Klimaanlagen unverändert weiter benutzt werden können. Einer herkömmlichen Klimaanlage wird das Ventil 18, sowie der parallele Leitungszweig 17' mit dem zweiten Kondensator 21 hinzugefügt, ohne eine Veränderung der standardmäßigen Klimakomponenten vorzunehmen.

Die für das Umschalten des Ventils 18 maßgebenden Parameter werden aus den Temperaturwerten, die ein Innenraumtemperaturfühler im Fahr gastraum und ein Sollwertsteller messen bzw. vorgeben, bestimmt. Au ßerdem können weitere Parameter zur Regelung herangezogen werden. Sofern die vom Innenraumtemperaturfühler gemessene Temperatur T_i größer ist als die am Sollwertsteller eingestellte Temperatur T_soll, wird die Anlage auf Kühlbetrieb geschaltet, d. h. mit dem ersten Kon densator 20 betrieben. Sofern sich bei dem Temperaturvergleich er gibt, daß die am Sollwertsteller eingestellte Temperatur T_soll grö ßer ist als die am Innenfühler gemessene Temperatur T_i und darüber hinaus das Wärmeangebot der den Heizkörper beaufschlagenden Flüssig keit noch nicht ausreicht, kann zunächst der Frischluftanteil der Klimaanlage zu Gunsten des Umluftanteils reduziert werden. Beim Er reichen bzw. Unterschreiten eines kritischen Frischluftanteils und/oder bei Erreichen einer kritischen Luftfeuchte im Innenraum, muß der Kompressor 10 des Kältemittelkreises mit dem zweiten Konden sator 21 in Betrieb genommen werden, um dem Innenraum über den Ver dampfer Feuchtigkeit zu entziehen und über den jetzt zugeschalteten zweiten Kondensator 21 zusätzliche Wärme zuzuführen. In diesem Fall nimmt das Ventil 18 eine Stellung ein, durch die der Käl temittelstrom ausschließlich durch den zweiten Kondensator 21 ge führt wird.

Claims

1. Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug, bestehend aus einem Kom pressor (10), einem Verdampfer (11), einem Expansionsventil (12), einem Kältemittelsammler/-trockner (13) und zwei Konden satoren (20, 21), von denen ein erster von einem Luftstrom und ein zweiter von einer Flüssigkeit beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren (20, 21) in parallelen Leitungszweigen (17, 17') der Kältemittelleitungen angeordnet und Ventilmittel (18) vorgesehen sind, die in Abhängigkeit vorgegebener Parameter den Kältemittelstrom einem der beiden Kondensatoren (20, 21) zuführen.

2. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kondensator (21) sekundärseitig mit einem Heizkörper (25) zur Erwärmung der dem Fahrgastraum zugeführten Luft in Verbindung steht.

3. Klimaanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilmittel (18) in der Kältemittelleitung (15) zwi schen den Kondensatoren (20, 21) und dem Kältemittelsammler (13) angeordnet sind.

4. Klimaanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilmittel (18) in der Kältemittelleitung (15) zwischen dem Kompressor (10) und den Kondensatoren (20, 21) an geordnet sind.

5. Klimaanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß der zweite Kondensator (21) sekundärseitig mit einer Bypass-Leitung (36) versehen ist, und daß ein Ventil (33) vorhanden ist, durch das der Flüssigkeitsstrom in der Kurzschlußleitung (36) steuerbar ist.

6. Klimaanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (33) als Thermostatventil ausgebildet ist und den Kon densator (21) erst dann mit Kühlmittel beaufschlagt, wenn eine vorgegebene minimale Kondensationstemperatur von z. B. 60° er reicht ist.

7. Klimaanlage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilmittel (18) ein 3/2 Wege-Ventil umfassen.

8. Klimaanlage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Ventilmittel in jedem der parallelen Leitungszweige des Kältemittels ein Zweistellungs-Absperrventil vorgesehen ist, die gleichzeitig - aber gegensinnig - schaltbar sind.

9. Klimaanlage nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Innenraumtemperaturfühler und ein Soll wertsteller vorgesehen sind, und daß die Ventilmittel (18) den ersten Kondensator (20) zuschalten und den zweiten Kondensator (21) abschalten, wenn die vom Innenraumtemperaturfühler gemes sene Temperatur (T_i) größer ist als die am Sollwertsteller eingestellte Temperatur (T_soll).

10. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ventilmittel (18) den zweiten Kondensator (21) zuschalten und den ersten Kondensator (20) sperren, wenn die am Sollwertsteller eingestellte Temperatur (T_soll) größer ist als die am Innenraumtemperaturfühler gemessene Temperatur (T_i) und das Wärmeangebot des Kühlkreislaufs des Fahrzeugan triebs nicht ausreicht.

11. Klimaanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Einschaltzustand für den zweiten Kondensator (21) außerdem von einer oder mehreren der folgenden Bedingungen abhängig ist:

- das den Durchfluß des Heizkörpers (25) steuernde Ventil (24, 35) ist voll geöffnet;
- eine den Luftstrom durch den Heizkörper (25) steuernde Luftklappe ist voll geöffnet;
- es ist zusätzlicher Wärmebedarf durch einen oder mehrere Fühler festgestellt worden;
- die Entfeuchtung der im Fahrgastraum befindlichen Luft ist erforderlich;
- der Umluftanteil beträgt mehr als 70%.