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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Klimaanlage für den Fahrgastraum
eines Kraftfahrzeuges und insbesondere eine Klimaanlage, die sowohl
Heizung als auch Kühlung
für den
Fahrgastraum bereitstellen kann; und ein Verfahren zum Betreiben
einer solchen Klimaanlage.
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Hintergrund
der Erfindung
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Klimaanlagen
für die
Fahrgasträume
von Kraftfahrzeugen sind gut bekannt. Im Allgemeinen umfassen diese
Anlagen einen inneren Wärmetauscher
(innerhalb des Fahrgastraumes angeordnet) und einen äußeren Wärmetauscher
(außerhalb
des Fahrgastraumes angeordnet). Ein Paar Fluidkanäle verbindet
die Wärmetauscher,
um die Fluidzirkulation durch die Wärmetauscher zu erlauben. Eine
Expansionsvorrichtung ist in einem der Fluidkanäle angeordnet. Ein Kompressor
und Akkumulator / Trockner ist in dem anderen Fluidkanal angeordnet.
Wenn Fluid durch den Kompressor der Reihe nach durch den äußeren Wärmetauscher,
die Expansionsvorrichtung, den inneren Wärmetauscher und den Akkumulator
/ Trockner gepumpt wird, wird Luft, die durch den inneren Wärmetauscher
strömt,
gekühlt,
während
die Luft in den Fahrgastraum hinein strömt. Wenn Fluid in die umgekehrte
Richtung der Reihe nach durch den inneren Wärmetauscher, die Expansionsvorrichtung,
den äußeren Wärmetauscher
und den Akkumulator / Trockner gepumpt wird, wird Luft, die durch
den inneren Wärmetauscher
strömt,
erhitzt, während
die Luft in den Fahrgastraum hinein strömt. Ein Umsteuerventil kann
in dem ande ren Fluidkanal angeordnet sein, um die erforderliche
Strömungsrichtung
für das
Fluid bereitzustellen.
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Während des
Kühlzyklus
kann die Luft, die durch den inneren Wärmetauscher strömt, entfeuchtet
werden, was zu einer Kondensatbildung an dem inneren Wärmetauscher
führt.
Während
eines nachfolgenden Heizzyklus kann die Kondensation verdampft werden,
wodurch die Gefahr, dass heiß gesättigte Luft
in den Fahrgastraum eindringt, erhöht ist. Dieses potenzielle
Problem kann entweder durch Begrenzen der Zeit des Heizzyklus, oder
durch Verwenden eines zweiten inneren Wärmetauschers während des
Heizzyklus (wobei der erste innere Wärmetauscher nur während eines
Kühlyzklus
verwendet wird) vermieden werden. Diese beiden potenziellen Lösungen weisen
Einschränkungen
auf.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, das oben erwähnte Problem
zu lösen.
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Eine
Klimaanlage gemäß der vorliegenden Erfindung
für einen
Fahrgastraum eines Kraftfahrzeuges umfasst einen ersten Wärmetauscher,
der außerhalb
des Fahrgastraumes angeordnet sein kann; einen zweiten Wärmetauscher,
der innerhalb des Fahrgastraumes angeordnet sein kann; einen ersten
Fluidkanal zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher; einen zweiten
Fluidkanal zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher; eine in dem ersten
Fluidkanal angeordnete Expansionsvorrichtung; einen elektronisch
gesteuerten Kompressor mit veränderlichem
Hub zum Pumpen von Fluid in den zweiten Fluidkanal hinein und entweder
in einer ersten Richtung der Reihe nach durch den ersten Wärmetauscher,
die Expansionsvorrichtung und den zweiten Wärmetau scher, oder in einer zweiten
Richtung der Reihe nach durch den zweiten Wärmetauscher, die Expansionsvorrichtung
und den ersten Wärmetauscher;
ein Rückstrommittel
in dem zweiten Fluidkanal zum Steuern der Strömungsrichtung des Fluids; ein
erstes Erfassungsmittel, das ein erstes Ausgangssignal bereitstellt,
welches die Ist-Temperatur der den zweiten Wärmetauscher verlassenden Luft
angibt; ein zweites Erfassungsmittel, das ein zweites Ausgangssignal
bereitstellt, welches die Feuchtigkeit der Luft, die den zweiten
Wärmetauscher
verlässt,
angibt; ein drittes Erfassungsmittel, das ein drittes Ausgangssignal
bereitstellt, welches die Temperatur der Luft im Fahrgastraum angibt;
und ein Steuermittel, das mit dem ersten, dem zweiten und dem dritten
Erfassungsmittel und mit dem Kompressor elektrisch verbunden ist,
zum Empfangen der ersten, zweiten und dritten Ausgangssignale, um in
Abhängigkeit
von den zweiten und dritten Ausgangssignalen eine maximale Temperatur
für die
den zweiten Wärmetauscher
verlassende Luft zu bestimmen, um die bestimmte maximale Temperatur
mit der Ist-Temperatur zu vergleichen, und um den Hub des Kompressors
derart zu steuern, dass während
des Strömens
von Fluid in der zweiten Richtung die Ist-Temperatur bei oder unterhalb
der bestimmten maximalen Temperatur gehalten wird.
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Wegen
der Verwendung eines elektronisch gesteuerten Kompressors mit veränderlichem
Hub lässt
die vorliegende Erfindung eine genauere Steuerung der Pumpleistung
des Kompressors zu, wenn die Klimaanlage den Fahrgastraum beheizt.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Klimaanlage bereit, die in
Abhängigkeit
von erfassten Bedingungen arbeitet, um die Gefahr von nicht akzeptablen
Anteilen an heiß gesättigter
Luft, die den Fahrgastraum erreichen, zu verringern, ohne die Notwendigkeit,
die Betriebszeit des Heizzyklus zu begrenzen und ohne die Notwendigkeit
eines weiteren Wärmetauschers
in dem Fahrgastraum.
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Aus
der
US 5 701 752 ist
eine Klimaanlage für
einen Fahrgastraum eines Kraftfahrzeuges bekannt, die umfasst: einen
ersten Wärmetauscher,
der außerhalb
des Fahrgastraumes angeordnet sein kann; einen zweiten Wärmetauscher,
der innerhalb des Fahrgastraumes angeordnet sein kann; einen ersten
Fluidkanal zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher; einen zweiten
Fluidkanal zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher; eine Expansionsvorrichtung,
die in dem ersten Fluidkanal angeordnet ist; einen elektrisch betriebenen
Kompressor mit veränderlicher
Geschwindigkeit zum Pumpen von Fluid in den zweiten Fluidkanal hinein;
ein Rückstrommittel
zum Steuern der Strömungsrichtung
des Fluids; ein Erfassungsmittel, das ein Ausgangssignal bereitstellt,
welches für
die Ist-Temperatur der Luft, die den zweiten Wärmetauscher verlässt, bezeichnend
ist; ein Erfassungsmittel, das ein Ausgangssignal bereitstellt,
welches für
die Temperatur der Luft in dem Fahrgastraum nahe bei einer Windschutzscheibe
bezeichnend ist, und ein Steuermittel zum Steuern des Kompressors
(Betätigung,
Abschalten und Drehzahl).
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft unter Bezugnahme auf
die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
schematische Ansicht einer Klimaanlage gemäß der vorliegenden Erfindung
ist;
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2 eine
Querschnittansicht eines Kompressors und eines Steuerventils zur
Verwendung in der Klimaanlage von 1 ist; und
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3 ein
Flussdiagramm ist, das ein Beispiel einer Steuerung des Kompressors
der Klimaanlage von 1 zeigt.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Unter
Bezugnahme auf 1 der Zeichnungen ist die Klimaanlage 10 gemäß der vorliegenden Erfindung
zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug zum Beheizen oder Kühlen des
Fahrgastraumes (nicht gezeigt) des Kraftfahrzeuges. Die Klimaanlage 10 umfasst
die üblichen
Komponenten eines Kompressors 12, einen äußeren Wärmetauscher 14,
ein Kapillarrohr oder andere Expansionsvorrichtung 16 (wie
etwa ein Wärmeexpansionsventil),
einen inneren Wärmetauscher 18 und
einen Akkumulator / Trockner 20. Ein erster Fluidkanal 22 stellt
eine fluidische Verbindung zwischen dem äußeren Wärmetauscher 14 und
dem inneren Wärmetauscher 18 durch die
Expansionsvorrichtung 16 her. Ein zweiter Fluidkanal 24 stellt
eine fluidische Verbindung zwischen dem äußeren Wärmetauscher 14 und
dem inneren Wärmetauscher 18 durch
ein Umsteuerventil 32 her. Der Kompressor 12 und
der Akkumulator / Trockner 20 sind mit dem zweiten Fluidkanal 24 durch
das Umsteuerventil 32 fluidisch verbunden.
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Während des
normalen (Kühl-)
Betriebs der Klimaanlage 10 ist das Umsteuerventil 32 derart
eingestellt, dass es eine Fluidströmung in die Richtung X zulässt, so
dass Luft, die durch den inneren Wärmetauscher 18 strömt, gekühlt wird,
damit die Klimaanlage wirksam ist, um den Fahrgastraum zu kühlen.
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Wenn
eine anfängliche,
zusätzliche
oder anhaltende Beheizung des Fahrgastraumes erforderlich ist, wird
das Umsteuerventil 32 betätigt, um die Strömung von
Kältefluid
(in die Richtung Y) durch den inneren Wärmetauscher 18, das
Kapillarrohr 16 und den äußeren Wärmetauscher 14 umzukehren.
In diesem Modus wirkt die Klimaanlage 10 wie eine Wärmepumpe,
so dass Luft, die durch den inneren Wärmetauscher 18 strömt, erhitzt
wird, damit die Klimaanlage wirksam ist, um den Fahrgastraum zu
beheizen.
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Der
Kompressor 12 ist ein elektronisch veränderbarer Kompressor, dessen
Betrieb durch ein elektronisches Schiebersteuerventil 26 gesteuert
ist. Ein Beispiel eines geeigneten Kompressors 12 und Steuerventils 26 ist
in 2 gezeigt. Der in 2 gezeigte
Kompressor 12 ist ein Taumelscheibenkompressor. Als eine
Alternative kann ein Schrägscheibenkompressor
verwendet werden.
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Der
Kompressor 12 umfasst eine Riemenscheibe 80, die
mit einer drehbaren Welle 82 verbunden ist, und die von
einem Riemen 84 angetrieben ist. Eine Taumelscheibe 86 ist
an der Welle 82 befestigt. Die Taumelscheibe 86 ist
mit einem oder mehreren Kolben 88 verbunden. Eine Kurbelgehäusekammer 90 ist
an einer Seite der Kolben 88 angeordnet, wobei die Taumelscheibe 86 in
der Kurbelgehäusekammer
angeordnet ist. Eine Auslasskammer 92 und eine Einlasskammer 94 sind
an der gegenüberliegenden
Seite der Kolben angeordnet. Die Einlasskammer 94 ist mit
dem Akkumulator 20 fluidisch verbunden. Die Auslasskammer 92 ist
mit dem Umsteuerventil 32 fluidisch verbunden. Die weiteren
Komponenten der Klimaanlage 10 sind wie in 1 gezeigt fluidisch
verbunden. Ein Fluidstrom durch die Kammern 90, 92, 94 und
damit der Fluiddruck in den Kammern, ist durch das Steuerventil 26 gesteuert.
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Das
Steuerventil 26 weist eine mit der Auslasskammer 92 fluidisch
verbundene erste Öffnung 96 auf;
eine zweite Öffnung 98 ist
mit der Kurbelgehäusekammer 90 fluidisch
verbunden und wirkt als ein Einlass zu dieser; eine dritte Öffnung 100 ist
mit der Kurbelgehäusekammer 90 fluidisch
verbunden und wirkt als ein Auslass aus dieser; und eine vierte Öffnung 102 ist
mit der Einlasskammer 94 fluidisch verbunden. Das Steuerventil 26 ist
elektrisch durch eine Leitung 28 mit einer Steuereinheit 30 verbunden,
die vorzugsweise ein Mikroprozessor oder eine andere Computersteuereinheit
ist. Die Steuereinheit 30 ist durch eine Leitung 34 (1)
mit einem Temperatursensor 36, der die Temperatur der Luft überwacht,
die den inneren Wärmetauscher 18 verlässt; durch
eine Leitung 38 mit einem Luftfeuchtigkeitssensor oder
Lufttaupunktsensor 40, der die Feuchtigkeit der Luft überwacht,
die den inneren Wärmetauscher
verlässt;
und durch eine Leitung 45 mit einem Temperatursensor 46,
der die Temperatur in dem Fahrgastraum überwacht, elektrisch verbunden.
Die Steuereinheit 30 kann durch eine Leitung 50 auch
mit einer manuell betätigten
Steuervorrichtung 52 elektrisch verbunden sein, die innerhalb
des Fahrgastraumes angeordnet ist und von einem Fahrgast in dem
Kraftfahrzeug betätigt
werden kann, um eine erforderliche Temperatur in dem Fahrgastraum
zu wählen.
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Der
Hub des Kompressors 12 (oder, genauer gesagt, das Hubvolumen
oder der Hub der Kolben 88) ist durch die Betätigung des
Steuerventils 26 gesteuert. Der Arbeitszyklus des Steuerventils 26 wird in
Gang gesetzt, um den Kurbelgehäusefluiddruck
Pc in der Kurbelgehäusekammer 90;
den Einlassansaugfluiddruck Ps in der Einlasskammer 94;
und den Förderfluiddruck
Po in der Auslasskammer 92 einzustellen. Wenn der Kurbelgehäusefluiddruck
Pc im Wesentlichen gleich ist wie der Einlassansaugfluiddruck Ps,
befindet der Hub des Kompressors 12 sich auf einem Maximum.
Wenn der Kurbelgehäusefluiddruck
Pc größer ist
als der Einlassansaugfluiddruck Ps, ist der Hub des Kompressors 12 von
dem maximalen Hub verringert. Durch eine geeignete Steuerung des
Steuerventils 26 kann der Hub des Kompressors 12 gesteuert
werden.
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In
einer alternativen Anordnung kann der Hub des Kompressors 12 durch
ein elektronisches Steuerventil, das einen Fluidstrom von der Auslass kammer 92 zu
der Kurbelgehäusekammer 90 misst und
einen festen Abzweig von der Kurbelgehäusekammer zu der Einlasskammer 94 verwendet,
gesteuert werden. In einer weiteren Alternative kann die umgekehrte
Anordnung verwendet werden, die den Fluidstrom von der Kurbelgehäusekammer 90 zu
der Einlasskammer 94 misst und einen festen Abzweig von
der Auslasskammer 92 zu der Kurbelgehäusekammer verwendet. Wie bei
der oben beschriebenen Arbeitszyklusanordnung steuern auch diese
alternativen Anordnungen den Hub des Kompressors 12 durch
Einwirken auf den Druck in der Kurbelgehäusekammer 90 und das
Druckgleichgewicht über
den Kolben 88.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung überwacht
die Steuereinheit 30 die Signale von den Sensoren 36, 40, 46 und
der Steuervorrichtung 52 und steuert die Betätigung des
Steuerventils 26 und somit den Betrieb des Kompressors 12 in
Abhängigkeit
von den erfassten Signalen. Solch eine Anordnung sorgt für eine präzisere Steuerung
der Pumpleistung des Kompressors 12 während des Heizzyklus der Klimaanlage 10,
wenn der Fahrgastraum beheizt wird, um im Wesentlichen zu verhindern,
dass eine nicht akzeptable Bildung an heiß gesättigter Luft den Fahrgastraum
erreicht.
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Die
von der Steuereinheit 30 durchgeführte Sequenz von Steuerungsvorgängen für den Betrieb des
Kompressors 12 während
des Beheizens des Fahrgastraumes ist in 3 gezeigt.
Die Sequenz beginnt mit einer anfänglichen Anforderung, Schritt 54,
für eine
Beheizung des Fahrgastraumes. Die Steuereinheit 30 betätigt bei
Schritt 56 das Steuerventil 26, um für einen
minimalen Arbeitshub für
den Kompressor 12 zu sorgen. Die Steuereinheit 30 prüft dann
bei Schritt 58, ob irgendwelche Wartekriterien erfüllt sind.
Wenn nicht, kehrt die Steuereinheit zu Schritt 56 zurück. Wenn
ja, schreitet die Steuereinheit 30 weiter zu Schritt 60 und
betätigt das
Steuerventil 26, um den Hub des Kompressors 12 zu
erhöhen.
Als Nächstes überwacht
die Steuereinheit 30 bei Schritt 62 die Temperaturanzeige
von dem Sensor 46 und vergleicht bei Schritt 64 diese
Temperaturanzeige mit einem vorbestimmten Maximalwert. Wenn die Temperaturanzeige
von dem Sensor 46 gleich wie oder höher als das vorbestimmte Maximum
ist, schaltet die Steuereinheit 30 den Kompressor 12 ab (Schritt 66).
Wenn die Temperaturanzeige von dem Sensor 46 unter dem
vorbestimmten Maximum liegt, überwacht
die Steuereinheit 30 bei Schritt 68 die Feuchtigkeitsanzeige
von dem Sensor 40. Als Nächstes bestimmt die Steuereinheit 30 bei
Schritt 70 auf der Grundlage der gemessenen Anzeigen von den
Sensoren 40 und 46 eine Maximaltemperatur TMAX. Der Wert von TMAX ist
ein vorbestimmter Maximalwert für
die Temperatur der Luft, die den inneren Wärmetauscher 18 verlässt, bei
den gemessenen Anzeigen von den Sensoren 40 und 46,
oberhalb von dem eine beträchtliche
Gefahr für
die Erzeugung einer nicht akzeptablen Bildung von heiß gesättigter Luft,
die den Fahrgastraum erreicht, besteht. Die vorbestimmten Werte
für TMAX können
experimentell oder durch Berechnung bestimmt werden. Bei Schritt 72 überwacht
die Steuereinheit 30 den Ist-Wert der Temperatur TACC der Luft, die den zweiten Wärmetauscher 18 verlässt, von
dem Sensor 36. Als Nächstes vergleicht
die Steuereinheit 30 bei Schritt 74 den bei Schritt 72 gemessenen
Wert von TACC mit dem bei Schritt 70 bestimmten
Wert von TMAX. Wenn TACC über TMAX liegt, betätigt die Steuereinheit 30 das
Steuerventil 26, um bei Schritt 76 den Hub des
Kompressors 12 zu verringern. Wenn TACC unter
TMAX liegt, betätigt die Steuereinheit 30 das
Steuerventil 26, um bei Schritt 77 den Hub des
Kompressors 12 zu erhöhen. Wenn
TACC gleich ist wie TMAX,
lässt die
Steuereinheit 30 das Steuerventil 26 unverändert, um
bei Schritt 78 den Hub des Kompressors 12 beizubehalten.
Folgend auf Schritt 76 oder Schritt 77 oder Schritt 78 kehrt
die Steuereinheit 30 zu Schritt 62 zurück und wiederholt
die an schließende
Sequenz, oder schreitet zu Schritt 66, wenn die Beheizung
des Fahrgastraumes nicht länger
erforderlich ist.
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Die
vorliegende Erfindung stellt daher einen geschlossenen Regelkreis
des Betriebes des Kompressors 12 auf der Grundlage gemessener
Parameter bereit. Durch Halten der Ist-Temperatur TACC der Luft,
die den inneren Wärmetauscher 18 verlässt, bei oder
unterhalb der bestimmten Maximaltemperatur TMAX für die gemessene
Feuchtigkeit der Luft, die den inneren Wärmetauscher verlässt, und
der Temperatur des Fahrgastraumes, wird die Gefahr, dass nicht akzeptable
Anteile an heiß gesättigter
Luft den Fahrgastraum erreichen, deutlich reduziert.
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In
einer alternativen Anordnung kann, da die Ist-Temperatur TACC der Luft, die den inneren Wärmetauscher 18 verlässt, von
dem Fluiddruck abhängig ist,
der Förderdruck
aus dem Kompressor 12 gemessen werden, und der von der
Steuereinheit 30 zur Berechnung der Ist-Temperatur verwendete
Wert kann verwendet werden, anstatt den Sensor 36 zu verwenden,
um die Ist-Temperatur zu messen. In diesem Fall kann der Förderdruck
mit einem Maximaldruck verglichen werden, der mit der bestimmten
Maximaltemperatur TMAX zum Steuern des Betriebes
des Kompressors 12 gleichgesetzt werden kann.
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Ein
alternatives Rückstrommittel
an Stelle des Umsteuerventils 32 kann in der Klimaanlage
gemäß der vorliegenden
Erfindung vorgesehen sein. Die Steuereinheit 30 kann auch
mit dem Umsteuerventil 32 verbunden sein, um die Betätigung des
Umsteuerventils zu steuern.