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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. Solche Systeme umfassen Anordnungen
für das
Strömen
von Luft über
die Innenfläche
der Windschutzscheibe des Kraftfahrzeuges. 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 über
die Windschutzscheibe 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 über
die Windschutzscheibe in den Fahrgastraum hinein strömt. Ein
Umsteuerventil kann in dem anderen 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 des inneren Beschlagens der Windschutzscheibe
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 mit einer Windschutzscheibe 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 Wärmetauscher, 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 Taupunkttemperatur der Luft, die den zweiten Wärmetauscher
verlässt,
angibt; ein zweites Erfassungsmittel, das ein zweites Ausgangssignal
bereitstellt, welches die Temperatur der Windschutzscheibe angibt;
und ein Steuermittel, das mit dem ersten und dem zweiten Erfassungsmittel
und mit dem Kompressor elektrisch verbunden ist, zum Empfangen der
ersten und zweiten Ausgangssignale, um eine Taupunkttemperatur für die Luft,
die den zweiten Wärmetauscher
verlässt,
in Abhängigkeit von
dem ersten Ausgangssignal zu bestimmen, um die Windschutzscheibentemperatur
aus dem zweiten Ausgangssignal zu bestimmen, um die bestimmte Taupunkttemperatur
mit der bestimmten Windschutzscheibentemperatur zu vergleichen,
und um den Hub des Kompressors derart zu steuern, dass während des
Strömens
von Fluid in der zweiten Richtung die Taupunkttemperatur bei oder
unterhalb der Windschutzscheibentemperatur 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 des inneren Beschlagens
der Windschutzscheibe 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 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, und umfasst
das Strömen
von Luft über
die Innenfläche
der Windschutzscheibe (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 Wärme pumpe,
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 Ackumulator 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 51 mit einem Sensor 53,
der die Windschutzscheibentemperatur überwacht, elektrisch verbunden.
Alternativ können die
Leitung 51 und der Sensor 53 durch eine Leitung 42,
die die Steuereinheit 30 mit einem die Umgebungstemperatur überwachenden
Temperatursensor 44 verbindet; eine Leitung 45 zu
einem die Temperatur innerhalb des Fahrgastraumes überwachenden Temperatursensor 46;
und eine Leitung 47 zu einem die Geschwindigkeit des Fahrzeuges überwachenden
Sensors 48, ersetzt oder ergänzt werden. 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 Einlassan saugfluiddruck 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 Auslasskammer 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,
und 53 (und / oder von den Sensoren 44, 46, 48)
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 ein inneres
Beschlagen der Windschutzscheibe zu verhindern.
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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
an fänglichen
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 und die Temperaturanzeige von dem Sensor 36.
Als Nächstes
bestimmt die Steuereinheit 30 bei Schritt 70 auf der
Grundlage der gemessenen Anzeigen von den Sensoren 40 und 36 eine
Taupunkttempertur TDEW der Luft, die den
inneren Wärmetauscher 18 verlässt. Der
Wert von TDEW kann aus dem Wert der Luft,
die den inneren Wärmetauscher 18 verlässt und
dem Wert der Feuchtigkeit, die den inneren Wärmetauscher verlässt, errechnet
werden. Bei Schritt 72 bestimmt die Steuereinheit 30 die
Temperatur TWIND der Windschutzscheibe durch Überwachen
der Temperaturanzeige von dem Sensor 53. Alternativ kann
die Steuereinheit 30 die Temperatur TWIND der
Windschutzscheibe durch eine Berechnung unter Verwendung der gemessenen
Temperaturwerte von den Sensoren 44 und 46 und
der Geschwindigkeit des Fahrzeuges von Sensor 48 bestimmen.
Als Nächstes vergleicht
die Steuereinheit 30 bei Schritt 74 den bei Schritt 72 bestimmten
Wert von TWIND mit dem bei Schritt 70 bestimmten
Wert von TDEW. Wenn TDEW über TWIND liegt, betätigt die Steuereinheit 30 das Steuerventil 26,
um bei Schritt 76 den Hub des Kompressors 12 zu
verringern. Wenn TDEW unter TWIND liegt,
betätigt
die Steuereinheit 30 das Steuerventil 26, um bei
Schritt 77 den Hub des Kompressors 12 zu erhöhen. Wenn
TDEW gleich TWIND ist,
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 anschließende
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 Taupunkttemperatur TDEW der
Luft, die den inneren Wärmetauscher 18 verlässt, bei
oder unterhalb der Temperatur TWIND der
Windschutzscheibe, ist die Gefahr eines inneren Beschlagens der
Windschutzscheibe deutlich verringert.
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In
einer alternativen Anordnung kann die Taupunkttemperatur TDEW direkt durch einen geeigneten Sensor
gemessen werden, anstatt aus den gemessenen Werten der Temperatur
(von Sensor 36) und der Feuchtigkeit (von Sensor 40)
berechnet zu werden. In diesem Fall können die Sensoren 36 und 40 weggelassen
werden.
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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.