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Die
vorliegende Erfindung betrifft Wärmemanagementsysteme
für Fahrzeuge,
insbesondere solche Systeme, die ein Kühlmittelkreislaufsystem enthalten
(üblicherweise
ein Klimaregelungs-Kühlsystem).
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Der
Wirkungsgrad von Motoren in modernen Fahrzeugen hat sich verbessert.
Als Folge davon hat sich die an den Motorkühlkreislauf abgegebene Wärmeenergie
verringert. Traditionell wurde diese Energie als Heizquelle für den Fahrzeuginnenraum
genutzt und trug damit zum Komfort und zur Sicherheit der Fahrzeuge
bei. Als Antwort auf diese Verringerung der Wärmeenergie ist ein Markttrend
zu beobachten, der eine erhöhte
Ausstattung mit ergänzenden
und zusätzlichen
Heizquellen in modernen Fahrzeugen bietet. Die gewachsenen Ansprüche und
die verbesserte Technik der modernen Automobile unterstützen weiterhin
diesen Trend: höhere
Käufererwartungen
verlangen eine verbesserte Erwärmung
des Fahrzeuginnenraumes und das Trocknen beschlagener Windschutzscheiben
sowie das Abtauen vereister Windschutzscheiben während winterlicher Witterungsbedingungen.
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Eine
konventionelle Technik einer verbesserten Beheizung des Innenraumes
besteht in der Umwälzung
der Innenraumluft. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass
die Innenraumfeuchtigkeit zunimmt und damit das Beschlagen der Windschutzscheibe
fördert.
Andere Heizlösungen
konzentrieren sich hauptsächlich
auf die Anordnung zusätzlicher Heizquellen
entweder direkt im Luftstrom des Innenraumes (z.B. elektrische Heizelemente)
oder indirekt im Motorkühlkreislauf
(z.B. Kraftstoff verbrennende Heizungen).
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Eine
technisch anspruchsvollere Lösung liegt
im Wärmepumpensystem.
Eine Wärmepumpe oder
ein umgekehrtes Luftklimatisierungssystem kann es ermöglichen,
dass von einem Innenraumkondensator abgegebene Wärme dazu beiträgt, die Luft
des Innenraumes zu erwärmen.
Zu den Nachteilen eines einfachen Umkehrsystems gehören der Mangel
an Feuchtigkeitsentzug und die Möglichkeit, dass
der luftseitige Teil des Wärmetauschers,
der als Verdampfer wirkt, bei niedrigen Umgebungstemperaturen einfriert.
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Um
diese Nachteile zu beheben, ist es vorgeschlagen worden, innerhalb
des Klimasystems im Fahrzeuginnenraum einen dritten Wärmetauscher vorzusehen,
der ausschließlich
als Kältemittelkondensator
wirkt. Der Verdampfer behält
seine Funktion und der dritte Wärmetauscher
wird zum aktiven Kondensator, während
der Hauptkondensator (vorne im Motorraum des Fahrzeugs) vom Kreislauf
getrennt ist. Zweck der Anordnung ist es, die Wärme vom Kondensator zusätzlich zur
Wärme zu
nutzen, die vom konventionellen Heizkernbereich geliefert wird. Das
Entfeuchten wird bei diesem System dadurch erreicht, dass die Luft über den
Verdampfer geleitet wird.
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In
DE 43 41 756 A wird
ein Fahrzeug-Wärmemanagementsystem
entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 beschrieben.
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Es
ist jetzt ein verbessertes System erfunden worden.
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Die
Erfindung schafft ein Fahrzeug-Wärmemanagementsystem,
das die Merkmale des Anspruches 1 enthält.
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Die
erste Wärmetauscheranordnung
umfasst vorzugsweise einen Kondensator für das Kältemittel, der üblicherweise
so ausgelegt ist, dass die Kondensation bei verhältnismäßig hoher Temperatur und hohem
Druck erfolgt.
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Vorzugsweise
enthält
das System Bypass-Mittel, die es dem Kältemittel ermöglichen,
die erste Wärmetauscheranordnung
zu umgehen.
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Es
ist von Vorteil, wenn die weitere Wärmetauscheranordnung so angeordnet
ist, dass sie die Wärme
zwischen dem Auspuffsystem des Fahrzeugs und dem Kältemittelkreislaufsystem überträgt.
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Vorzugsweise
umfasst das Fahrzeug-Wärmemanagementsystem
einen Wärmeaustausch
zwischen dem Auspuffsystem und dem Kältemittelkreislaufsystem sowie
einen Verdampfer für
das Kältemittel
in dem Kältemittelkreislaufsystem.
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Der
Verdampfer wirkt als Verdampfer für Kältemittel, die bei verhältnismäßig niedriger
Temperatur und niedrigem Druck verdampfen.
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Bevorzugte
Merkmale des Systems sind in den beigefügten Ansprüchen aufgeführt und werden mit der nachfolgenden
Beschreibung einer lediglich als Beispiel dargestellten Ausführungsform
verdeutlicht, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht. Es
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung eines als Beispiel dargestellten Systems
entsprechend der Erfindung;
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2 eine
Ansicht des Systems im Betrieb bei sehr kalten Umgebungstemperaturen
(unter Null Grad);
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3 eine
Ansicht des Systems im Betrieb bei kalten Umgebungstemperaturen;
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4 eine
Ansicht des Systems im Betrieb bei angenehmer Umgebungstemperatur;
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5 eine
Ansicht des Systems im Betrieb bei warmer Umgebungstemperatur;
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6 eine
Ansicht des Systems im Betrieb bei heißer Umgebungstemperatur.
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Das
in 1 dargestellte erfindungsgemäße System stellt eine bevorzugte
Ausführungsform
eines Wärmemanagementsystems
für Fahrzeuge
dar.
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Das
System ist dazu ausgelegt, Wärmeenergie
zwischen dem Klimatisierungskreislauf, dem Motorkühlkreislauf,
dem Fahrzeugauspuffkreislauf und den Umgebungsluftströmen zu tauschen.
Es besteht aus den folgenden Hauptbestandteilen:
Der Kompressor
(1) wirkt als Kältemittelpumpe
des Systems und komprimiert die Kältemitteldämpfe auf einen hohen Druck
und eine hohe Temperatur, um die Kondensation in einem Kondensator
zu erleichtern.
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Der
Hauptkondensator (2) ist vorne im Motorraum des Fahrzeugs
hinter dem Grill angeordnet. Dieses Bauteil ist wie bei konventionellen
Fahrzeugen ausgebildet und hat die gleiche Funktion wie bei den
derzeit üblichen
Klimaanlagen-Kondensatoren
in Fahrzeugen.
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Ein
sekundärer
Kondensator (3) ist im Fahrzeuginnenraum im Klimaanlagengehäuse (21)
angeordnet, um eine Wärmequelle
zu schaffen, die zum Heizen von Luft eingesetzt werden kann, bevor
Wärme in
den Fahrzeuginnenraum verteilt wird. Dieser Kondensator (3) überträgt Wärme an den
Luftstrom, während
das Verdampferbauelement (4) wiederum dem Luftstrom einen
Bruchteil dieser zusätzlichen Wärme während des
Vorgangs des Feuchtigkeitsentzugs entzieht, bevor er in den Fahrzeuginnenraum austritt.
Dieser Zyklus erleichtert den Feuchtigkeitsentzug und das Heizen
bei niedrigen Umgebungstemperaturen und verringert dennoch das Risiko, dass
sich auf der Oberfläche
des Verdampfers (4) Eis bildet.
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Der
Verdampfer (4) verdampft Kältemittel mit niedrigem Druck,
wobei die Verdampferwärme
der Luft, die über
dieses Bauteil streicht, entzogen wird. Der Verdampfer (4)
kühlt die über ihn
hinstreichende Luft, und dieses Abkühlen begünstigt das Niederschlagen der
Feuchtigkeit aus der gekühlten
Luft. Zusätzlich
zum Kühlen
führt der
Verdampfer also eine Entfeuchtungsfunktion aus.
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Ein
Drosselöffnungsrohr
(5) führt
eine irreversible adiabatische Expansion kondensierter Flüssigkeit
in eine Flüssigkeit
mit niedrigem Druck durch, die zum Verdampfen in der Verdampferkomponente (4)
und/oder (11) vorbereitet ist. Bei anspruchsvolleren Konstruktionen
des Drosselöffnungsrohrs
kann die Öffnungsgröße verändert werden,
um das System für
unterschiedliche Kühlanforderungen
zu flexibilisieren.
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Das
System enthält
unterschiedliche Ventile, die zum Regeln des Fluidflusses entsprechend
den jeweiligen Systemanforderungen zu betätigen sind. Magnet ventile (6)
werden über
ein elektrisches Signal zwischen ihren beiden Zuständen von
entweder ganz offen oder ganz geschlossen gesteuert. Darum steuern
sie den Fluid-Fluss innerhalb der Kreisläufe und leiten Flusspfade innerhalb
des Systems wirksam um.
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Variable
Ventile (7) gehören
zu einer Gattung von Ventilvorrichtungen, bei denen die Fließmenge sich
selbst durch die Größe des für den Fluss
freien Bereiches des Ventils steuert. Zusätzlich reagiert dieser für den Fluss
freie Bereich auf ein externes Signal und ändert sich im Idealfall zwischen
0 und 100 %.
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Einwegventile
(8) lassen einen Fluid-Fluss nur in einer Richtung durch
(wie angezeigt nur in Richtung des Pfeils).
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Ein
Akkumulator (9) führt
vier Funktionen aus. Er wirkt als Reservoir für Kältemittel, um Anforderungsänderungen
für den
Kreislauf auszugleichen; er trennt kondensierte Flüssigkeit
von Dampf, um sicherzustellen, dass nur Dampf an den Kompressor (1)
gelangt, und nutzt ein Molekularsieb, um alle Feuchtigkeit aus dem
zirkulierenden Kältemittel
zu entfernen und alle Verunreinigungsteilchen abzufangen.
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Ein
untergeordneter Kondensator (10) umfasst einen Wärmetauscher,
der dazu ausgelegt ist, Wärme
zwischen dem Kältemittelkreislauf
und dem Motorkühlkreislauf
zu tauschen. Er kann als untergeordneter Kondensator bezeichnet
werden, weil seine Funktion darin besteht, die Kondensation von
verdampftem Kältemittel
hoher Temperatur und hohen Drucks zu erleichtern. Die während dieser
Kondensation vom Kältemittel
abgegebene Wärme
wird an den Motorkühlkreislauf übertragen
und kann dazu genutzt werden, den Motor (15) anzuwärmen oder sie
kann vom Kühler
(18) abgeführt
werden, je nach Betriebsmodus des Systems.
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Ein
untergeordneter Verdampfer (11) umfasst einen Wärmetauscher,
der dazu ausgelegt ist, Wärme
zwischen dem Kältemittelkreislauf
und dem Motorauspuffkreislauf zu tauschen. Aufgrund seiner Funktion
kann hier von einem untergeordneten Verdampfer gesprochen werden,
weil er das Verdampfen eines flüssigen
Kältemittels
niedriger Temperatur und niedrigen Drucks erleichtert. Wenn dieses
Bauteil (11) im Betrieb ist (d.h. ein Kältemittel durch es hindurchfließt), wird
die Wärme,
die zum Verdampfen des flüssigen
Kältemittels
erforderlich ist, vom heißen Motorauspuffgas übertragen.
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Ein
Gebläse
mit Motor (12) saugt Luft in das Verteiler- und Klimasystem
und befördert
die Luft durch das System über
Strömungs-
und Lüftungskanäle (14)
in das Fahrzeuginnere.
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Eine
Lufteinlass-Strömungsablenkvorrichtung 13 bewirkt
entweder das Einströmen
von Frischluft von außerhalb
des Fahrzeuges oder das Umwälzen
der Luft im Fahrzeuginnern (oder eine Zwischenstufe zwischen beiden
Möglichkeiten).
Die jeweiligen Luftanteile werden durch die Stellung der Ablenkklappe
(13) bestimmt. Das nachfolgende Mischen und die Verteilung
des Luftstromes nach der Passage über und durch die Wärmetauscher
(3, 4) und durch mögliche Bypass-Öffnungen ist als eine schematische
Funktion durch mit (14) bezeichnete Pfeile dargestellt.
Unterschiedliche Ausführungen
von Kombinationen der Luftverteilung auf die Windschutzscheibe,
den Gesichtsbereich, den Fußraum
oder nahe Luftaustrittöffnungen
können
je nach Erfordernis für besondere
Fahrzeugspezifikationen ausgeführt
sein.
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Eine
Wasserpumpe (16) erfüllt
innerhalb des Motorkühlkreislaufs
ihre Funktionen und befördert Fluid
durch alle Bauelemente innerhalb des Kreislaufes unter dem Einfluss
einer erzeugten Fluid-Druckdifferenz. Die Bauelemente des Motorkühlkreislaufes (Wasser)
enthalten einen Thermostaten (17), einen Kühler (18)
und einen Expansionstank (19). Der Thermostat (17)
spricht im allgemeinen auf die Temperatur des Motorkühlfluids
an und regelt den Fluss durch das vordere Kühlerelement (18) und
den Kühler-Bypass-Kreislauf.
Der Kühler
(18) erleichtert die Übertragung
von Wärme
an die über
ihn streichende Luft. Umgebungsluft wird über Lüftungsschlitze und Lüftungsschläuche in
den Motorraum geleitet, streicht über dieses Bauelement und nimmt
dabei Wärme
von dem heißen
Motorkühlfluid,
das im Kühler
(18) fließt,
auf und kühlt
folglich dieses Fluid im Kreislauf.
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Der
Expansionstank (19) wirkt als Fluid-Reservoir für den Motorkühlkreislauf
und erleichtert damit das Ansprechen auf sich ändernde Anforderungen an das
Fluid-Volumen innerhalb
des Kreislaufes, die sich aus Änderungen
der Betriebsbedingungen ergeben.
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Ein
Auspuffsystem (20) umfasst Rohrleitungen, die die heißen Abgase
vom Motor (15) in die Atmosphäre leiten. Üblicherweise ist der untergeordnete
Verdampfer (11) um dieses Auspuffsystem herum an einer
Stelle angeordnet, die stromabwärts
von einem möglicherweise
vorhandenen Teilchen- oder Katalysebehandlungsbereich liegt, um
die Verlustwärme
der auszustoßenden
Auspuffgase zu nutzen.
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Das
Klimaanlagen- und Verteilungssystem (21) für den Fahrzeuginnenraum
umfasst Bauelemente 3, 4, 12, 13 und 14,
die in den Fahrzeugen und der erforderlichen Luftstromfunktion angepassten Gehäusen untergebracht
sind.
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Die
nachfolgend beschriebenen Betriebsmodi des vorgeschlagenen Systems
verdeutlichen die Vorzüge
der Konstruktion.
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Modus 1 – Betrieb
während
starker Kälte
und Temperaturen unter Null Grad
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- (In 2 ist der Betrieb dieses Systems
unter den nachfolgend beschriebenen Bedingungen dargestellt.)
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Bei
extrem kalter Witterung wäre
es für
den Fahrzeugführer
sehr wichtig, den Fahrzeuginnenraum zu heizen. Im Hinblick auf die
Motoremissionen wäre
es jedoch von größtem Nutzen,
dass sich der Motor erwärmt,
wodurch der mechanische Wirkungsgrad verbessert und die Abgase verringert
werden. Es kommt also zu zwei Anforderungen an das System.
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Es
ist vorgesehen, dass der Fahrzeug-Heizzyklus mit der folgenden Sequenz
abläuft.
Ist der Motor gestartet, kann eine automatische Verzögerung einsetzen,
bevor der Betrieb des Kühlzyklus
beginnt. Diese vorbestimmte Zeitspanne hängt von der Umgebungstemperatur
ab und verzögert
möglicherweise
bei sehr kalten Umgebungstemperaturen die Betätigung des Kompressors (1).
Ist der Kompressor (1) aktiviert, beginnt er mit der Zirkulation
des Kältemittels
auf der kleinsten Fließrateneinstellung.
Werden die externen Temperaturen als unterhalb einer bestimmten
unteren Grenze gemessen, dann könnte der
Lufteinlass (13) so eingestellt werden, dass eine vollständige Umwälzung der
Innenraumluft erleichtert wird; Außenluft würde also nicht in das Innenraumsystem
hinein gelassen. Die aus dem Fahrzeuginnenraum herangezogene Luft
würde durch
Einschalten der Gebläseeinheit
(12) über
den Sekundär-Kondensator
(3) und den Verdampfer (4) geleitet. Kältemitteldampf
hohen Drucks und hoher Temperatur würde durch die Betätigung des
Kompressors (1) und der Ventile (6) durch den
untergeordneten Kondensator (10) und zum Sekundär-Kondensator
(3) geleitet. Der Eintritt in diese Kondensatoren begünstigt die
Kondensation des Kältemitteldampfes
auf dem Wege des Wärmetausches
mit entweder dem Motorkühl-Fluidstroms
durch die Einheit (10) oder dem Luftstrom durch die Einheit
(3) oder mit beiden und dabei dem Freisetzen seiner latenten
Kondensationswärme.
Diese Wärme
erhöht
die Temperatur des Motorkühlfluids
(und folglich des Motors selbst) oder des Luftstroms in die Kabine
oder erhöht
beide Temperaturen. Die Relation der Aufteilung der Wärmeabgabe
an den Luft- und den Motorkreislauf kann durch sorgfältige Steuerung
des Ventils (6) im Motorkühlkreislauf und der Luftgeschwindigkeit
des Gebläses
(12) geregelt werden.
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Nach
dem Austreten aus der Einheit 3 wird die Kältemittelflüssigkeit
(und Reste des Dampfes) unter dem Einfluss von Ventilen (6)
und (7) zum Drosselöffnungsrohr
(5) geleitet, das vor dem Einlass des untergeordneten Verdampfers
(11) angeordnet ist. Dieses Drosselöffnungsrohr (5) begünstigt eine
irreversible adiabatische Expansion kondensierter Flüssigkeit
in eine Flüssigkeit
niedrigen Drucks, die innerhalb des Bauelementes (11) verdunstet
werden kann. Beim Eintritt in den untergeordneten Verdampfer (11)
wird ein Verdampfen der Kältemittelflüssigkeit über einen
Wärmetausch
mit den in dem Bauelement (2) fließenden Abgasen begünstigt,
wobei diesem Abgasstrom latente Wärme für die Verdampfung entgezogen
wird. Nach dem Austreten aus (11) wird Kältemitteldampf
(einschließlich
Restflüssigkeit)
zum Akkumulator (9) geleitet. Innerhalb des Bauelementes
(9) wird das Kältemittel
gefiltert, getrocknet, gespeichert und von allen Anteilen von Restflüssigkeit getrennt.
Dieser Vorgang stellt sicher, dass nur Dampf mit niedrigem Druck
dem Bauelement (9) entzogen wird und in die Kompressoranordnung
(1) eintritt, womit der Zyklus vollendet wird.
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Wenn
während
dieses Betriebszyklus eine Entfeuchtung des Innenraumluftstromes
erforderlich ist, kann sich das Ventil (7) teilweise schließen und ein
langsames Austreten von Kältemittel
durch den Verdampfer (4) über das Drosselöffnungsrohr
(5) begünstigen.
Ein Verdampfen von Kältemittel
innerhalb des Bau teils (4) würde folglich die Innenraumluft
abkühlen
und damit den Feuchtigkeitsgehalt verringern. Alternativ könnte mit
Hilfe der Klappe (13) Umgebungsluft (mit ihrem geringeren
Feuchtigkeitsgehalt) der umgewälzten
Luft beigemischt werden und auf die Weise die Feuchtigkeit reduziert
werden. Selbstverständlich
können
diese getrennten Maßnahmen parallel
ablaufen, abhängig
davon, welches Verfahren die beste Steuerungsstrategie bietet.
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Modus 2 – Betrieb
bei kalten Umgebungstemperaturen oberhalb der Frostgrenze
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- (3 stellt die möglichen
Kreisläufe
dar, die bei solchen Bedingungen betätigt werden können.)
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Wiederum
wäre es
die wichtigste Anforderung, den Fahrzeuginnenraum zu heizen und
die Abgasemissionen zu minimieren. Die Betriebsfunktionen und Betriebskreisläufe sind
identisch mit den für Modus
1 oben beschriebenen und werden darum hier nicht wiederholt. Der
einzige wichtige Unterschied bei diesem Modus besteht darin, dass
zu erwarten ist, dass das Verhältnis
von umgewälzter
Luft zu Frischluft für
Aufnahmemischungen Proportionen erreicht, die einen erhöhten Frischluftanteil
in kürzerer Zeit
enthalten.
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Sind
die Außentemperaturen
kühl, so
ist möglicherweise
nur eine geringe Aufheizung im Innenraum erforderlich. Unter solchen
Bedingungen würde
Luft von außerhalb
des Fahrzeugs durch den Betrieb der Gebläseeinheit (12) über den
Sekundär-Kondensator
(3) und den Verdampfer (4) geleitet. Durch die
sorgfältige
Steuerung der Wärmeübertragung
zwischen/innerhalb Sekundär-Kondensator
(3), Verdampfer (4), untergeordnetem Kondensator
(10) und untergeordnetem Verdampfer (11) in Verbindung mit
der Mischung aus von außen
aufgenommener Luft zu umgewälzter
Innenraumluft (Ablenkklappe 13) kann sowohl hinsichtlich
der Temperatur als auch der Feuchtigkeit eine Klimatisierung des
Fahrzeuginnenraums begünstigt
werden.
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Modus 3 – Betrieb
bei angenehmen Außentemperaturen
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- (Ein solcher Betrieb ist in 4 dargestellt.)
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Bei
milden Witterungsbedingungen wird möglicherweise ausschließlich frische
Außenluft
für den
Innenraum gefordert. In diesem Modus werden sowohl der Sekundär-Kondensator
(3) als auch der Verdampfer (4) nicht betätigt und
möglicherweise geht
der Luftstrom an ihnen vorbei.
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Die
von außerhalb
des Fahrzeugs durch den Betrieb der Gebläseeinheit (12) in
das Fahrzeug eingesogene Luft wird entweder über die Wärmetauscher (3) und
(4) hinweg oder um sie herum geleitet. Bei der Passage über die
Bauelemente (3) und (4) sollte ein minimaler Wärmeaustausch
stattfinden, da der Kühlkreislauf
nicht in Betrieb wäre.
Unbehandelte Luft würde
dann an den Misch- und Verteilungsabschnitt (14) und anschließend über Leitungen
und Lüftungsöffnungen
in das Fahrzeuginnere geführt.
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Modus 4 – Betrieb
der Klimaregelung bei warmen Außentemperaturen
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- (Dieser Betriebsmodus ist in 5 dargestellt.)
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Bei
warmen Außentemperaturen
mag Frischluft mit einer bestimmten Temperatur für den Fahrzeuginnenraum angefordert
werden. Die von außen
durch den Betrieb der Gebläseeinheit
(12) in das Fahrzeug transportierte Luft wird über den
Sekundär-Kondensator
(3), oder, wenn er umgangen wird, um ihn herum, zum Verdampfer
(4) geführt.
Damit kann eine eingestellte Temperatur vor der Verteilung in das
Fahrzeuginnere erreicht werden.
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In
diesem Modus würde
der konventionelle Kühlzyklus
in Betrieb sein. Der Kompressor (1) kann in Betrieb gehen,
und Kältemitteldampf
hohen Drucks und hoher Temperatur kann unter dem Einfluss der Ventile
(6) an den Hauptkältemittelkondensator
(2) geleitet werden. Nach dem Eintritt in den Hauptkältemittelkondensator
(2) wird die Kondensation durch Wärmetausch mit dem unter der
Motorhaube über
die Einheit (2) strömenden
Luftstrom begünstigt,
wodurch die latente Kondensationswärme an den Luftstrom unter
der Motorhaube freigesetzt wird und seine Temperatur erhöht. Nach
dem Austreten aus der Einheit (2) wandert die Kältemittelflüssigkeit
(und alles an Restdampf) zur Drosselöffnungsventilkomponente (5).
(Der Kreislauf mit dem Sekundär-Kondensator
(3) und dem untergeordneten Kondensator (10) wird
durch die Betätigung
der Ventile (6) redundant.)
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Das
Drosselventil (5) begünstigt
die irreversible adiabatische Expansion kondensierter Flüssigkeit
in Flüssigkeit
niedrigen Drucks, die für
die Verdampfung im Bauelement (4) geeignet ist. Um zu verhindern,
dass der Fluss den Verdampfer (4) umgeht, sollte das variable
Steuerventil (7) vollständig
geschlossen sein. Nach dem Eintritt in den Verdampfer wird die Verdampfung
(innerhalb der Verdampfereinheit) der Kältemittelflüssigkeit begünstigt über einen Wärmetausch
mit dem über
die Einheit (4) (außerhalb
der Verdampfereinheit) streichenden Luftstrom, wodurch dem Luftstrom
latente Wärme
zur Verdampfung entzogen wird und seine Temperatur sinkt. Nach dem
Austreten aus der Einheit (4) wandert der Kältemitteldampf über den
Akkumulator (9) zurück
zum Kompressor (1), um zurückgebliebene Flüssigkeit aus
dem verdampften Kältemittel
zu entfernen. Der Betrieb der Ventile (6) verhindert ebenfalls
den Fluss an den untergeordneten Verdampfer (11).
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Zurückkehrend
zur Betrachtung des Luftstroms: Außenluft passiert (oder fließt drum
herum) ein nicht zu betätigendes
Bauelement (3). Diese Luft stößt dann auf die zu betätigende
Verdampfereinheit (4). Ein Wärmetausch findet statt über dem
Bauelement (4), was in der Folge zu einem Absinken der Lufttemperatur
auf den geforderten Temperaturpegel führt. Zusätzlich wird die Entfeuchtung
begünstigt, weil
die Dampflösungsfähigkeit
für Feuchtigkeit
bei verringerter Temperatur geringer wird; die Kondensation der
Feuchtigkeit im Luftstrom an der kälteren Fläche des Bauelementes (4)
wird begünstigt.
Klimatisierte Luft mit reduzierter Feuchtigkeit tritt aus dem Bauelement
(4) aus und wird an den Misch- und Verteilungsabschnitt
(14) geleitet und anschließend über Leitungen und Lüftungsöffnungen
in den Luftraum des Fahrzeuginnern.
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Modus 5 – Betrieb
der Klimaanlage bei heißen
Außentemperaturen
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- (Dieser Betriebsmodus ist in 6 dargestellt.)
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Bei
heißen
Außentemperaturen
wird gekühlte
Frischluft mit einer spezifizierten Temperatur für das Fahrzeuginnere angefordert
werden. Luft, die von außen
durch den Betrieb der Gebläseeinheit
(12) in das Fahrzeuginnere transportiert wird, wird über – oder um
ihn herum, wenn er umgangen wird – den Sekundär-Kondensator (3)
zum Verdampfer (4) geführt.
Der Kühleffekt
des Verdampfers (4) könnte
eine eingestellte Lufttemperatur vor der Verteilung der Luft in
den Fahrzeuginnenraum erreichen.
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In
diesem Betriebsmodus würde
der konventionelle Kühlzyklus
eingesetzt werden. Der Kompressor (1) wäre in Betrieb und Kältemitteldampf
hohen Drucks und hoher Temperatur würde unter Mitwirkung der Ventile
(6) an den Hauptkondensator (2) geleitet werden.
Nach dem Eintreten in den Hauptkondensator (2) wird die
Kondensierung des Kältemitteldampfes
durch Wärmetausch
mit der unter der Motorhaube über
die Einheit (2) strömenden
Luft begünstigt,
wodurch die latente Kondensationswärme an den unter der Motorhaube
fließenden
Luftstrom abgegeben und seine Temperatur erhöht wird. Nach dem Austreten
aus der Einheit (2) wandert die Kältemittelflüssigkeit (und möglicher
Restdampf) zur Drosselöffnungsventilkomponente
(5). (Der Kreislauf, der den Sekundär-Kondensator (3)
und den untergeordneten Kondensator (1) enthält, wird
durch die Betätigung
der Ventile (6) nicht genutzt.) Das Drosselöffnungsventil
(5) begünstigt
die irreversible adiabatische Expansion kondensierter Flüssigkeit
in eine Flüssigkeit
niedrigen Drucks, die zum Verdampfen im Bauelement (4)
bereit ist. Um zu vermeiden, dass der Strom den Verdampfer (4)
umgeht, sollte das variable Steuerventil (7) vollständig geschlossen
sein. Nach dem Eintreten in den Verdampfer wird das Verdampfen (innerhalb
der Verdampfereinheit) der Kältemittelflüssigkeit über Wärmetausch
mit dem Luftstrom, der über
die Einheit (4) streicht, (außerhalb der Verdampfereinheit)
begünstigt,
wodurch die latente Wärme
für die
Verdampfung aus dem Luftstrom entnommen und seine Temperatur reduziert
wird. Nach dem Austreten aus der Einheit (4) wandert der
Kältemitteldampf über den
Akkumulator (9) zurück
zum Kompressor (1), um jede Flüssigkeitsfraktion aus dem verdampften
Kältemittel
zu trennen. Der Betrieb der Ventile (6) verhindert ebenfalls
einen Fluss zum untergeordneten Verdampfer (11).
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Es
wird zur Betrachtung des Luftstroms zurückgekehrt; Luft von außen kann über ein
nicht zu betätigendes
Bauteil (3) streichen (oder um es herum). Diese Luft trifft
dann auf die im Betrieb befindliche Verdampfereinheit (4).
Es findet ein Wärmetausch
mit dem Bauelement (4) statt, was zu der nachfolgenden
Ermäßigung der
Lufttemperatur auf den geforderten Temperaturpegel führt. Zusätzlich wird
die Entfeuchtung begünstigt,
weil die Wasseraufnahmefähigkeit
des Dampfes mit der reduzierten Temperatur zurückgeht; die Kondensation der
im Luft strom enthaltenen Feuchtigkeit an der kälteren Fläche des Bauelementes (4)
wird begünstigt.
Klimatisierte Luft mit reduzierter Feuchtigkeit tritt aus dem Bauelement
(4) aus und wird an den Misch- und Verteilungsabschnitt
(14) geleitet und danach über Leitungen und Lüftungsöffnungen
in den Luftraum des Fahrzeuginnenraums.
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Eine
zusätzliche
positive Wirksamkeit kann dadurch erzielt werden, dass zumindest
ein Teil der Wärmefracht
der Kältemittelkondensation
an den Motorkühlkreislauf über den
untergeordneten Kondensator (10) abgegeben wird. Wie aus 6 hervorgeht,
könnte
dies durch die Verwendung eines einfachen Bypass und eines Ventils
(22) zum Aufteilen des Kältemittelflusses durch den
untergeordneten Kondensator (10) und den Hauptkondensator
(2) erreicht werden. (In den Betriebsmodi 1 bis 4, die oben
beschrieben wurden, konnte dieser Bypass-Fluss durch das Schließen des
Ventils 22 umgangen werden). Dieser Bypass-Fluss könnte einen potentiellen
Vorteil bei der Verbesserung der Kühlung des Fahrzeuginnenraums
bei Leerlaufbetrieb bedeuten. Bei reduziertem (minimalem) Luftstrom
durch den Kondensator kann eine zusätzliche Wärmeabgabe an den Motorkühlkreislauf über Wärmetauscher im
untergeordneten Kondensator (10) erfolgen. Dafür ist selbstverständlich eine
algorithmische Steuerung erforderlich, um sicherzustellen, dass
zusätzliche Kühlanforderungen
vom Motorkühlkreislauf
nicht die Möglichkeiten
des Kreislaufes überschreiten.
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Dieser
Betriebsmodus ist in 6 dargestellt.