DE69306875T2

DE69306875T2 - Verdampfereinheit

Info

Publication number: DE69306875T2
Application number: DE69306875T
Authority: DE
Inventors: David V Cleveland
Original assignee: Valeo Climate Control Corp
Current assignee: Valeo Climate Control Corp
Priority date: 1992-07-22
Filing date: 1993-07-01
Publication date: 1997-05-07
Anticipated expiration: 2013-07-02
Also published as: ES2097450T3; EP0580303B1; US5267451A; DE69306875D1; EP0580303A1

Description

Verdampfervorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verdampfervorrichtung und insbesondere, obwohl nicht ausschließlich, eine Verdampfervorrichtung zum Einbau in Klimaanlagen für Kraftfahrzeuge. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Kühlung von Luft, das solch eine Vorrichtung einsetzt.
In Kraftfahrzeugen werden Klimasysteme dazu eingesetzt, Raumkühlung in einem Fahrgastraum durch Einleiten abgekühlter Luftzu ermöglichen. Die eingeleitete Luft kann entweder Frischluft von außerhalb des Fahrzeugs oder Luft aus dem Fahrgastraum sein, die von dort abgenommen wurde und von der Klimaanlage abgekühlt wird, oder eine Mischung von beiden sein. In einer klassischen Klimaanlage wird eine Verdampfervorrichtung eingesetzt mit einem Verdampfungswärmetauscher, der eine Vielzahl von Rohren, durch die das Kühlmittel fließt und Rippen umfaßt, die in einen Luftkanal montiert sind, sowie mit einem Gebläse, das die Luft durch den Kanal treibt, wobei die Luft beim Kontakt mit den Rohren und den Rippen des Wärmetauschers gekühlt wird. Ein Beispiel einer Klimaanlage, das in Lastkraftwagen eingesetzt wird, wird in US-4382463 offenbart.
Obwohl solch ein System unter Bedingungen mit Spitzenbelastung wirksam ist, wie beim Starten des Kühlvorgangs, nimmt die Wirksamkeit des Kühlvorgangs schnell ab, wenn die Temperatur des Wärmetauschers und die Temperatur der eingeleiteten Luft sich einander annähern. Diese Abnahme der Kühlwirksamkeit ist besonders drastisch, wenn die eingeleitete Luft dem zu klimatisierenden Raum entnommen wird. Dies zeigt sich durch eine schnelle Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels, nachdem zuerst der Kühlkreislauf unter Bedingungen von Spitzenbedarf eingeschaltet wurde. Bei einem klassischen Verdampfer in einem Kraftfahrzeug kann die Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit typischerweise nach etwa 2,5 Minuten bei 28 % und bei weiteren 18 % nach weiteren 15 Minuten liegen. Obwohl die Klima- und Pumpelemente des Wärmetauscherkreislaufs den Durchsatz des Kühlmittels aufrechterhalten können, ist die Strömungsgeschwindigkeit durch die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung des Wärmetauschers eingeschränkt. Deswegen besteht die Notwendigkeit, die Wirksamkeit des Wärmetauschers zu erhöhen. Obwohl ein Wärmetauscher, der weiter in Richtung des Luftstromes geht, die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung erhöht, sind die größeren Abmessungen unerwünscht; die Kompaktheit des Wärmetauschers sowie sein Gewicht und seine Kosten sind von großer Bedeutung, insbesondere beim Einsatz in Kraftfahrzeugen.
Zudem kann gezeigt werden, daß die Menge des eingesetzten Kühlmittels, die in dem Kreislauf des Wärmetauschers eingesetzt werden muß, die Menge ist, die für den Verdampfungswärmetauscher unter allen Belastungs- und Betriebsbedingungen ausreicht, ein gleiches Volumen im Rückstand des Kreislaufs und eine kleine Menge, die nötig ist, um zu erwartenden Verlusten entgegenzuwirken, dazugerechnet. Die Gesamtmenge des für das System benötigten Kühlmittels kann um das Doppelte der Verringerung des Wärmtauschervolumens verringert werden, wobei ferner die Kosten verringert werden.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Verdampfervorrichtung, die die oben genannten Probleme beseitigt und eine besonders insgesamte kompakte Gestaltung aufweist.
DE-A-3641568 offenbart ein System eines Kühlgehäuses für ein Fahrzeug mit Klimaanlage, in dem ein Teil des Auslasses der kühlen Luft der Klimaanlage durch das Kühlgehäuse geführt wird, um dessen Inhalt wirksam zu kühlen und zum Einlaß der Klimaanlage zurückgeführt wird. In dieser Druckschrift wird nicht die direkte Rückspeisung der gekühlten Luft aus dem Auslaß des Wärmetauschers zur Rückführung durch den Wärmetauscher offenbart, wobei die Wirksamkeit des Wärmetauschers erhöht wird.
Nach einem ersten Merkmal der vorliegenden Erfindung wird eine Verdampfervorrichtung bereitgestellt, mit einem Hauptluftkanal, der einen Lufteinlaß und einen Luftauslaß festlegt; mit einem Rückführungskanal für Luft, der seinen Eingang an einer ersten Stelle im Hauptluftkanal und seinen Ausgang an einer zweiten Stelle im Hauptluftkanal hat, der im Abstand längs des Hauptluftkanals zur ersten Stelle angeordnet ist; mit einem Verdampfungswärmetauscher; mit Mitteln zum Treiben der Luft durch den Wärmetauscher, wobei die Mittel zum Treiben und der Wärmetauscher im Hauptluftkanal zwischen der ersten und zweiten Stelle angeordnet sind; dadurch gekennzeichnet, daß beim Betrieb der Einlaß des Rückführungskanals für die Luft vom Wärmetauscher abgekühlte Luft aufnimmt und der Rückführungskanal für die Luft die vom Wärmetauscher abgekühlte Luft direkt an den Auslaß des Rückführungskanals für die Luft weiterleitet, wobei der Rückführungskanal und die Mittel zum Treiben die vom Wärmetauscher abgekühlte Luft wieder in den Wärmetauscher zurückführen, so daß die Wirksamkeit des Wärmetauschers erhöht wird.
Durch die Rückführung eines Teils der abgekühlten Luft in den Hauptkanal wird die Wirksamkeit der Wärmeentnahme im Vergleich zu einem klassischen System erhöht. Somit kann für eine bestimme Kühlwirkung ein Wärmetauscher eingesetzt werden, der dünner in der Strömungsrichtung der Luft ist als der Wärmetauscher mit klassischer Gestaltung, wobei die Größe, das Gewicht sowie die erforderliche Kühlmittelmenge und die Kosten der Vorrichtung verringert werden. Es ist auch so, daß die Rückführung eine verstärkte Extraktion der Feuchtigkeit (die an den Rohren und Rippen kondensiert) ermöglicht.
Um die Abnahme des Luftvolumens zu kompensieren, das für die endgültige Abgabe an den Innenraum des Fahrzeugs verfügbar ist, ist es wünschenswert, die Stärke des Gebläses im Vergleich zur Stärke des Gebläses der klassischen Gestaltung zu erhöhen; diese Erhöhung braucht nur gering zu sein, da die verringerte Dicke des Wärmetauschers der Luftströmung einen verringerten Widerstand entgegensetzt.
Vorzugsweise umfaßt die Vorrichtung außerdem Mittel zum selektiven Schließen des Rückführungskanals der Luft.
Nach einem zweiten Merkmal der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb der Verdampfervorrichtung mit dem ersten Merkmal vorgesehen, das das Treiben von Luft durch den Verdampfungswärmetauscher umfaßt, wobei die Luft abgekühlt wird und das Bewirken der Rückführung der gekühlten Luft durch den Rückführungskanal und wieder durch den Wärmetauscher umfaßt, wobei die Wirksamkeit des Wärmtauschers erhöht wird.
Der Rückführungskanal für Luft kann durch Mittel zum selektiven Schließen des Rückführungskanals bei Inbetriebnahme der Verdampfervorrichtung geschlossen werden und erst geöffnet werden, um die Rückführung der Luft durch den Rückführungskanal im Anschluß an diese Inbetriebnahme zu ermöglichen.
Die Mittel zum selektiven Schließen des Rückführungskanals für die Luft können Ventilmittel und Steuermittel umfassen, die dazu geeignet sind, den Rückführungskanal für die Luft nach einem vorbestimmten Zeitintervall von der Inbetriebnahme der Verdampfervorrichtung aus zu öffnen oder alternativ, den Rückführungskanal für die Luft zu öffnen, sobald eine erfaßte Temperatur der abgekühlten Luft einen vorbestimmten Wert erreicht hat.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nur zu Beispielzwecken mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen folgendes dargestellt ist:
- Figur 1 ist ein schematisches Diagramm einer erfindungsgemäßen Verdampfervorrichtung;
- Figur 2 zeigt in vereinfachter Form eine Verdampfervorrichtung nach dem Stand der Technik; und
- Figur 3 zeigt in vereinfachter Form die erfindungsgemäße Verdampfervorrichtung.
Eine klassische Verdampfervorrichtung zum Einbau in eine Klimaanlage wird in vereinfachter Form in Figur 2 der Zeichnungen veranschaulicht. Figur 2 zeigt einen Kanal 2, der Kanalabschnitte umfaßt, die einen Einlaßkanal 4 mit einem Einlaß 6 und einen Auslaßkanal 8 mit einem Auslaß 10 festlegen. Der Einlaßkanal 4 ist so angeordnet, daß er mit Zuführungen verbunden ist ausgehend von einer Position außerhalb des Fahrgastraums des Kraftfahrzeugs, durch die frische Luft eingeleitet werden kann, und/oder er ist mit Zuführungen verbunden, die mit dem Fahrgastraum des Fahrzeugs verbunden sind, durch die die Luft aus dem Fahrgastraum entnommen werden kann.
Ein Wärmetauscher 12, durch den ein Kühlmittel zirkuliert, wird an einer Stelle zwischen dem Einlaß 6 und dem Auslaß 10 angeordnet und umfaßt eine Vielzahl von Wärmetauscherschlangen, insbesondere Rippen 14, von denen einige in Figur 2 gezeigt werden. In dem veranschaulichten Beispiel, werden fünf Reihen von Schlangen in Strömungsrichtung der Luft angeordnet. Ein Gebläse 16 wird direkt oberhalb des Wärmetauschers 12 angeordnet, um die Luft durch den Kanal 2 zum Auslaß 10 und in den Fahrgastraum zu treiben. Diese klassische Vorrichtung arbeitet, indem Luft von außerhalb des Fahrgastraums des Fahrzeugs (Frischluft) und/oder aus dem Fahrgastraum selbst entnommen wird, wobei diese Luft beim Kontakt mit dem Wärmetauscher 12 gekühlt wird und dann in den Fahrgastraum über den Auslaß 10 eingeleitet wird.
In den Figuren 1 und 3 wird die erfindungsgemäße Verdampfervorrichtung gezeigt, wobei die Teile, die die gleichen wie in der klassischen Vorrichtung sind, dieselben Bezugsnummern haben. So schließt dieses System einen Kanal 2 mit ein, der einen Einlaßkanal 4 mit einem Einlaß 6 und einen Auslaßkanal 8 mit einem Auslaß 10 umfaßt. Ein Wärmetauscher 12 ist zwischen dem Einlaßkanal 4 und dem Auslaßkanal 8 angeordnet. Der Wärmetauscher 12 ist ein Verdampfungswärmetauscher, in dem ein Kühlmittel zirkuliert, welches in dem Wärmetauscher vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht. Beim Betrieb ist der Wärmetauscher 12 mit einem Kühlkreislauf verbunden, der außerdem üblicherweise einen Kompressor, einen Kondensator, eine Entspannungsvorrichtung und eine Vielzahl von Verbindungsleitungen umfaßt (nicht dargestellt). Ein Gebläse 16 ist zur Rotation in den Einlaßkanal 4 montiert, damit Luft in und durch den Kanal 2 und den Wärmetauscher 12 geleitet wird. Das Gebläse 16 wird von einem Elektromotor angetrieben.
Ein Rückführungskanal 18 verbindet den Auslaßkanal 8 unterhalb des Wärmetauschers 12 mit dem Einlaßkanal 4 oberhalb des Wärmetauschers 12. Der Kanal ist so ausgelegt, daß ein Teil der Luft, die durch den Wärmetauscher 12 geströmt ist, über den Rückführungskanal 18 zum Einlaßkanal 4 zurückgeführt wird. In Figur 3 ist zu sehen, daß die Verbindung des Rückführungskanals 18 mit dem Auslaßkanal 8 an einer Abschrägungsfläche des Auslaßkanals 8 vorgesehen ist, so daß somit zur Teilung des Luftstroms beigetragen wird. Ventilmittel 20, zum Beispiel in Form von schwenkbar montierten Flügeln, sind im Rückführungskanal 18 an der Verbindungsstelle mit dem Auslaßkanal 8 angeordnet, um das selektive Öffnen und Schließen des Rückführungskanals 18 zu ermöglichen, obwohl die Ventilmittel 20 auch woanders im Kanal angeordnet sein können, wie zum Beispiel an der Verbindungsstelle mit dem Einlaßkanal 4. Steuermittel 22 sind vorgesehen, um das Öffnen und das Schließen der Ventilmittel 20 zu bewirken.
Die erfindungsgemäße Verdampfervorrichtung wird wie folgt betrieben. Beim Starten des Kühlvorgangs befinden sich die Ventilmittel 20 in geschlossener Position, wobei der Rückführungskanal 18 geschlossen wird. Durch das Gebläse 16 wird Luft von außerhalb des Kraftfahrzeugs oder aus dem Fahrgastraum in und durch den Kanal 2 sowie durch den Wärmetauscher 12 geleitet, der bei Inbetriebnahme effektiv arbeiten kann, um schnell und effektiv die Luft zu kühlen, wobei der gesamte Durchsatz des Kanals 2 direkt in den Auslaß 10 und in das Innere des Fahrgastraums gespeist wird. Wenn die Luft innerhalb des Fahrgastraums viel wärmer ist als die Umgebungsluft geworden ist, was passiert, wenn ein Fahrzeug in der Sonne gestanden hat, wird das Einleiten kühlerer Außenluft in den Fahrgastraum die warme Luft aus dem Fahrgastraum herausdrängen, und ein maximaler Luftstrom ist anfänglich nötig, um eine maximale Kühlwirkung zu erzielen, die zum größten Teil durch das Ersetzen der Luft erfolgt. Ein weiterer Punkt ist, daß sich bei Inbetriebnahme wenig oder keine kondensierte Feuchtigkeit auf den Schlangen des Wärmetauschers befindet, so daß das Einbringen des gesamten Durchsatzes in den Fahrgastraum die Gefahr eines Feuchtigkeitsüberschusses mit sich bringt. Wenn jedoch mit dem Kühlen fortgefahren wird, kondensiert Feuchtigkeit auf den Oberflächen des Wärmetauschers und der Feuchtigkeitsüberschuß kann zunehmen.
Die Steuermittel 22 für die Ventilmittel 20 sind dazu geeignet, die Ventilmittel 20 im Anschluß an den Beginn des Kühlens zu öffnen. Ein Anteil der gekühlten Luft kann dabei durch den Rückführungskanal 18 rückgeführt werden, um sich mit der wärmeren Luft im Einlaßkanal zu mischen, wobei die Wirksamkeit des Wärmetauschers erhöht wird. Diese Rückführung verstärkt auch die Entnahme der Feuchtigkeit aus der Luft im Vergleich zu einer klassischen Anlage, wobei die kondensierte Feuchtigkeit gesammelt und von der Vorrichtung weggeleitet wird.
Die Steuermittel 22 können so ausgelegt sein, daß sie zeitabhängig wirken, d.h., daß sie die Ventilmittel 20 nach einem vorbestimmten Zeitintervall vom Beginn des Kühlvorgangs aus öffnen, oder sie können temperaturabhängig gesteuert werden, zum Beispiel in Abhängigkeit von der Temperatur der Luft direkt unterhalb des Verdampfers 12 oder können in Abhängigkeit von der ermittelten Feuchtigkeit wirken.
Die Ausführungsform der Erfindung, bei der der Rückführungskanal 18 eingesetzt wird, kann einen Wärmetauscher 12 mit verringerten Abmessungen in Richtung des Luftstroms für einen gegebenen Kühleffekt im Vergleich zur klassischen Anordnung von Figur 2 einsetzen. Dies wird schematisch in Figur 3 veranschaulicht, wobei anzumerken ist, daß eine dreifache Reihe von Wärmetauscherschlangen eingesetzt werden kann, im Gegensatz zu einer klassichen Anordnung, bei der eine fünffache Reihe von Schlangen eingesetzt werden muß. Somit können die Größe, das Gewicht und die Kosten der Verdampfervorrichtung im Vergleich zu einer klassischen Gestaltung für eine gegebene Kühlanforderung verringert werden.
Die Steuermittel 22 können auch so ausgelegt sein, daß sie bei der Erfassung eines langsamen Betriebs des Gebläses und bei einer Aufnahme von Luft von außerhalb des Karaftfahrzeugs die Klappe 20 schließen. In einer solchen Situation kann der Druck, der in den Kanal eintretenden Luft, der durch die Bewegung des Kraftfahrzeugs erhöht werden kann, die Druckverringerung überschreiten, die durch das Gebläse erzeugt wird, das die Luft durch den Kanal 2 schickt; wenn der Rückführungskanal 18 in diesem Stadium nicht geschlossen wäre, würde die Gefahr bestehen, daß Luft in den Rückführungskanal 18 oberhalb des Wärmetauschers eintritt, die in entgegengesetzer Richtung zu der gewünschten Richtung zirkulieren würde.
In einem Computer-Modell der Vorrichtung wurde ein Wärmetauscher mit drei Reihen von Schlangen und mit einer Oberfläche von 0,63 Fuß² (0,058 m²) mit 390 Fuß² pro Minute (11,0 m³min&supmin;¹ ) Luft bei 90 ºF (32 ºC) , trockener Kolben, 75 ºF (24 ºC) feuchter Kolben vorgestellt. Der Zustand der Luft, die einmal durch den Wärmetauscher geschickt wurde, wurde ermittelt und 95 Fuß³ pro Minute (2,69 m³min&supmin;¹) dieser Luft wurden mit 295 Fuß³ pro Minute (8,35 m³min&supmin;¹) der Luft im ursprünglichen Zustand gemischt, und diese Mischung wurde in einen Wärmetauscher geleitet. Die insgesamt ermittelte Wärmeübertragung lag nicht weiter als 2 % von der ermittelten Wärmeübertragung einer Klimaanlage, die einen Wärmetauscher mit fünf Reihen von Wärmetauscherschlangen einsetzt, der bei 295 Fuß³ pro Minute (8,35 m³min&supmin;¹) betrieben wird, wobei dies die eigentliche Geschwindigkeit des Luftstroms ist, die für das Zuführen in den klimatisierten Raum vorliegt.

Claims

1. Verdampfervorrichtung, die folgendes umfaßt:

einen Hauptluftkanal (2), der einen Lufteinlaß (6) und einen Luftauslaß (10) festlegt;

einen Rückführungskanal für Luft (18), der seinen Eingang an einer ersten Stelle im Hauptluftkanal und seinen Ausgang an einer zweiten Stelle im Hauptluftkanal hat, der im Abstand längs des Hauptluftkanals zur ersten Stelle angeordnet ist;

einen Verdampfungswärmetauscher (12);

Mittel (16) zum Treiben der Luft durch den Wärmetauscher (12);

wobei die Mittel zum Treiben (16) und der Wärmetauscher im Hauptluftkanal zwischen der ersten und zweiten Stelle angeordnet sind;

dadurchgekennzeichnet, daß beim Betrieb der Einlaß des Rückführungskanals für die Luft vom Wärmetauscher abgekühlte Luft aufnimmt und der Rückführungskanal für die Luft die vom Wärmetauscher abgekühlte Luft direkt an den Auslaß des Rückführungskanals für die Luft weiterleitet, wobei der Rückführungskanal und die Mittel zum Treiben die vom Wärmetauscher abgekühlte Luft wieder in den Wärmetauscher zurückführen, so daß die Wirksamkeit des Wärmetauschers erhöht wird.

2. Verdampfervorrichtung nach Anspruch 1, die außerdem Mittel (20, 22) zum selektiven Schließen des Rückführungskanals für Luft (18) umfaßt.

3. Verdampfervorrichtung nach Anspruch 2, dadurchgekennzeichnet, daß die Mittel zum selektiven Schließen des Rückführungskanals der Luft Ventilmittel (20) und Steuermittel (22) umfassen.

4. Verdampfervorrichtung nach Anspruch 3, dadurchgekennzeichnet, daß die Steuermittel (22) dazu geeignet sind, die Ventilmittel (20) nach einem vorbestimmten Zeitintervall von der Inbetriebnahme der Verdampfervorrichtung aus zu öffnen.

5. Verdampfervorrichtung nach Anspruch 3, dadurchgekennzeichnet, daß das Steuermittel (22) einen Sensor zum Erfassen der Temperatur von abgekühlter Luft umfaßt und daß es dazu geeignet ist, die Ventilmittel zu öffnen, wenn die Temperatur der gekühlten Luft einen vorbestimmten Wert erreicht.

6. Verdampfervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel (16) zum Treiben der Luft ein Gebläse (14) umfaßt, das im Hauptluftkanal angeordnet ist.

7. Klimaanlage für Kraftfahrzeuge, die eine Verdampfervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfaßt.

8. Verfahren zum Betrieb der Verdampfervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 6, das folgendes umfaßt:

das Treiben von Luft durch den Verdampfungswärmetauscher, wobei die Luft abgekühlt wird; und

das Hervorrufen der Rückführung der gekühlten Luft durch den Rückführungskanal und wieder durch den Wärmetauscher, wobei die Wirksamkeit des Wärmetauschers erhöht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, das das Schließen des Rückführungskanals (18) bei Inbetriebnahme des Wärmetauschers und die nachfolgende Öffnung des Kanals umfaßt, um die Rückführung der abgekühlten Luft durch den Rückführungskanal zu ermöglichen.

10. Verfahren nach Anspruch 9, in dem der Öffnungsschritt nach einem vorbestimmten Zeitintervall von der Inbetriebnahme des Wärmetauschers aus durchgeführt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 10, das außerdem die Erfassung der Temperatur der abgekühlten Luft; und

die Rückführung durch den Rückführungskanal miteinschließt, wenn die Temperatur einen vorbestimmten Wert erreicht.