DE9116621U1

DE9116621U1 - Klimaanlage zum Kühlen von Fahrzeugräumen

Info

Publication number: DE9116621U1
Application number: DE9116621U
Authority: DE
Original assignee: J Eberspaecher GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Priority date: 1991-07-26
Filing date: 1991-07-26
Publication date: 1993-04-01
Anticipated expiration: 2001-07-27
Also published as: DE4124889A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Klimaanlage zum Kühlen von Fahrzeugräumen, insbesondere Kraftfahrzeugräumen.

Es sind Klimaanlagen für Kraftfahrzeugräume, z.B. Innenräume von Personenkraftwagen, bekannt, die einen Kühlmittelkreislauf mit einem der Umgebung Wärme entziehenden Verdampfer, einem mechanisch von der Antriebs-Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs angetriebenen Kompressor und einem Wärme an die Umgebung abgebenden Kondensator aufweisen. Diese Klimaanlagen sind bauaufwendig und platzaufwendig, was insbesondere bei dem Kühlmittelverdampfer störend ist, der voluminös ist und in den Luftzuführungsschacht zum Fahrzeuginnenraum eingebaut werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Klimaanlage zum Kühlen von Fahrzeugräumen, insbesondere Kraftfahrzeugräumen, zu schaffen, die weniger bauaufwendig und platzaufwendig ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Klimaanlage erfindungsgemäß gekennzeichnet durch:

(a) einen Flüssigkeitskreislauf mit einer Umwälzpumpe;

(b) mindestens einen, in den Flüssigkeitskreislauf eingebauten Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher zur Abgabe von Kühlluft in den Fahrzeugraum;

(c) einen in den Flüssigkeitskreislauf eingebauten Kühler, der einen Kühlmittelverdampfer enthält

und im Betrieb der Flüssigkeit des Flüssigkeitskreislaufs Wärme entzieht; und

(d) einen Kühlmittelkreislauf, in den der Kühlmittelverdampfer, ein Kompressor zum Verdichten gasförmigen Kühlmittels und ein Kondensator zum Verflüssigen des verdichteten, gasförmigen Kühlmittels eingebaut sind.

Bei der erfindungsgemäßen Klimaanlage wird also die im Kühlmittelverdampfer erzeugte Kälte zunächst an einen Flüssigkeitskreislauf transferiert und dann mittels des Flüssigkeit/Luft-Wärmetauschers in den Fahrzeugraum abgegeben. Auf diese Weise ist man in der Wahl des Einbauortes des Kühlmittelverdampfers wesentlich freier. Außerdem weisen Fahrzeuge häufig bereits zum Zwecke der Beheizung einen Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher auf, so daß dieser als Funktionsteil der Klimaanlage einbezogen werden kann.

Vorzugsweise ist zum Antrieb des Kompressors ein in seiner Drehzahl regelbarer, vorzugsweise elektronisch regelbarer, Elektromotor vorgesehen. Dies ergibt die Möglichkeit, den Kühlungsbetrieb der Klimaanlage viel umfassender und feiner regeln zu können, als dies bei herkömmlichen Fahrzeug-Klimaanlagen, die üblicherweise eine Ein-Aus-Regelung besitzen, möglich war.

Die erfindungsgemäße Klimaanlage ist zum Kühlen von Fahrzeugräumen jeglicher Art vorgesehen. Als Beispiele seien genannt: Passagierräume von Personenkraftwagen, Passagierräume von Omnibussen, Fahrerkabinen von Lastkraftwagen, Laderäume von Lastkraftwagen, Führerkabinen von Baumaschinen oder Kränen, Wohnwagenanhänger, Wohnmobile, Motorboote, Segelboote, Flugzeugkabinen.

Aus der vorstehenden Aufzählung ist deutlich, daß es sich bei den Fahrzeugräumen entweder um Fahrzeugräume von Fahrzeugen ohne Antriebsmotor zur Fortbewegung oder um Fahrzeugräume von Fahrzeugen mit Antriebsmotor zur Fortbewegung, also Kraftfahrzeuge, handeln kann. In Verbindung
mit Kraftfahrzeugen ist die erfindungsgemäße Klimaanlage besonders bevorzugt. Kraftfahrzeuge werden in den allermeisten Fällen durch eine Brennkraftmaschine angetrieben.

Man kann den Strom, der von dem zum Antrieb des Kompressors vorgesehenen Elektromotor benötigt wird, beispielsweise einem chemischen Energiespeicher (Batterie) des Fahrzeugs entnehmen oder dem öffentlichen Stromnetz (typisches Beispiel: Auf einem Campingplatz abgestellter Wohnwagenanhänger) . Auch im Fall eines Kraftfahrzeugs kann der benötigte Strom der vorhandenen Starterbatterie bei entsprechend großer Auslegung der Kapazität der Starterbatterie und der Leistung des Generators ("Lichtmaschine") des
Kraftfahrzeugs entnommen werden. In vielen Fällen ist es jedoch vorteilhafter, einen der Klimaanlage zugeordneten (gesonderten) Generator zu installieren, der von der weiter vorn erwähnten Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs antreibbar ist. In diesem Fall ist die Starterbatterie
des Kraftfahrzeugs nicht durch den Strombedarf des genannten Elektromotors belastet. Der eigene Generator muß nur dann angetrieben werden, wenn die Klimaanlage in Betrieb ist.

In den Ansprüchen 2 bis 8 sind weitere Erfindungsmerkmale angegeben, auf die vorstehend oder anschließend
oder weiter unten im Zusammenhang mit der Beschreibung
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels noch näher eingegangen wird.

Besonders hervorzuheben ist die Möglichkeit, die erfindungsgemäße Klimaanlage mit einem Heizgerät zu kombinieren, das im Betrieb durch Verbrennung von Brennstoff Wärme erzeugt und an die Flüssigkeit des Flüssigkeitskreislaufs abgibt. Auf diese Art hat man eine kombinierte Anlage zum wahlweisen Beheizen und Kühlen von Fahrzeugräumen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten, schematisiert zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert. Die Zeichnungsfigur zeigt ein kombiniertes Beheizungsund Kühlsystem für einen Kraftfahrzeugraum in Kombination mit einer dem Antrieb des Kraftfahrzeugs dienenden Brennkraftmaschine.

Das gezeichnete System ist am einfachsten verständlich, wenn man von dem in dicken Linien gezeichneten, insoweit herkömmlichen, auch der Beheizung des Kraftfahrzeugraums dienenden Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine ausgeht.

Dieser Kühlmittelkreislauf 2 führt von einer Brennkraftmaschine 4 zu einem Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher 6, von dort zu einer Kühlmittel-Umwälzpumpe 8 und von dort zurück in die Brennkraftmaschine 4. Der Wärmetauscher 6 ist in einem Luftschacht des Kraftfahrzeugs angeordnet, der über Verteildüsen in den Innenraum des Kraftfahrzeugs mündet. Dieser Luftschacht führt dem Wärmetauscher 6 von der äußeren Umgebung her angesaugte Luft (Frischluftbetrieb) und/ oder aus dem Kraftfahrzeugraum angesaugte Luft (Umluftbetrieb) zu. Der Vollständigkeit halber ist am Kühlflüssigkeitsausgang der Brennkraftmaschine 4 das dort üblicherweise vorhandene Thermostatventil 10 sowie ein Kühlflüssigkeitskreislaufteil von dem Thermostatventil 10 durch einen normalerweise im Frontbereich des Kraftfahrzeugs angeordneten Kühler 12 zurück zu der Umwälzpumpe 8 eingezeichnet, außerdem eine direkte Verbindung von dem Tehrmostatventil zu der Umwälzpumpe 8. Bei kalter Brennkraftmaschine 4 gibt das Thermostatventil 10 einen direkten Kühlflüssigkeitsrückströmweg zu der Umwälzpumpe 8 frei. Bei heißer Brennkraftmaschine 4 wird

die Kühlflüssigkeit stattdessen durch den Kühler 12 geleitet.

Mit dünnen Linien ist ein Flüssigkeitskreislauf gezeichnet, mit dem sich ein wahlweises Beheizen und Kühlen des Kraftfahrzeugraums durchführen läßt, und zwar das Beheizen auch dann, wenn die Brennkraftmaschine 4 nicht läuft. Zur Bildung dieses Flüssigkeitskreislaufs zweigt von dem vorstehend beschriebenen Kühlmittelkreislauf 2 an einer ersten Verzweigungsstelle 22 eine Flüssigkeitsleitung ab, die an einer zweiten Verzweigungsstelle 26 wieder in den Kühlmittelkreislauf 2 einmündet. Die erste Verzweigungsstelle 22 liegt zwischen dem Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher 6 und der Brennkraftmaschine 4, und zwar in Flüssigkeitsströmungsrichtung hinter dem Wärmetauscher 6. Die zweite Verzweigungsstelle 26 liegt zwischen der Brennkraftmaschine 4 und dem Wärmetauscher 6, und zwar in Flüssigkeitsströmungsrichtung hinter der Brennkraftmaschine 4. An der ersten Verzweigungsstelle 22 ist ein zweites 3/2-Wegeventil 28 vorgesehen, das durch seine Stellung bestimmt, ob die Flüssigkeit von dem Wärmetauscher 6 zurück zu der Brennkraftmaschine 4 strömt oder durch die Leitung 2 4 und dann zurück zu dem Wärmetauscher 6.

Die Leitung 2 4 verzweigt sich an einer fünften Verzweigungsstelle 30 in zwei Parallelzweige 32 und 34. An der fünften Verzweigungsstelle 30 ist ein erstes 3/2-Wegeventil 3 6 vorgesehen, das durch seine Stellung bestimmt, ob die Flüssigkeit durch den linken Parallelzweig 32 oder den rechten Parallelzweig 34 strömt. In dem linken Parallelzweig 3 2 ist ein Heizgerät 38 eingebaut, das in Betrieb durch Verbrennung von Brennstoff, z.B. Benzin,

Dieselöl oder Gas, Wärme erzeugt. Derartige Heizgeräte, die häufig "motorunabhängige Heizgeräte" oder "Standheizgeräte" genannt werden, sind bekannt und käuflich erhältlich, so daß das Heizgerät hier nicht näher beschrieben werden muß. Es sei lediglich erwähnt, daß das Heizgerät 38 einen integrierten Verbrennungsgas/Flüssigkeit-Wärmetauscher enthält und somit im Betrieb Wärme an die hindurchgeleitete Flüssigkeit abgibt.

In dem rechten Parallelzweig 34 ist ein Kühler eingebaut. In dem Kühler 40 ist in Koaxialbauweise ein Kühlmittelverdampfer 4 2 eingebaut. Wenn in dem Verdampfer 42 unter Druck stehendes Kühlmittel expandierend verdampft, wird Wärme verbraucht, die der durch den Kühler 40 strömenden Flüssigkeit entzogen wird. Somit kann man den Kühler 4 0 auch als Wärmetauscher ansehen, in dem der Flüssigkeit Wärme entzogen wird.

Der Verdampfer 42 ist Teil eines Kühlmittelkreislaufs 44, dem außer dem Verdampfer ein Kompressor für gasförmiges Kühlmittel und ein Kondensator 4 zum Kondensieren des verdichteten, gasförmigen Kühlmittels angehören. Der Kondensator 48 ist im Frontbereich des Kraftfahrzeugs angeordnet, so daß er durch den Fahrtwind oder einen Kühlerventilator gekühlt werden kann.

In dem rechten Parallelzweig 34 sitzt außerdem ein Rückschlagventil 50, so daß der rechte Parallelzweig 3 4 nur in Richtung von dem ersten Ventil 3 6 durch den Kühler 4 0 durchströmt werden kann. Außerdem sitzt in der Leitung 24 vor der fünften Verzweigungsstelle 30 eine elektrisch angetriebene Umwälzpumpe 52.

In gestrichelten Linien ist eine Verbindungsleitung 54 eingezeichnet. Die Verbindungsleitung 54 führt von einer dritten Verzweigungsstelle 56 zu einer vierten Verzweigungsstelle 58. Die dritte Verzweigungsstelle 56 befindet sich zwischen der Brennkraftmaschine 4 und der beschriebenen zweiten Verzweigungsstelle 26, und zwar in Flüssigkeitsströmungsrichtung hinter der Brennkraftmaschine 4. Zwischen der dritten Verzweigungsstelle 56 und der zweiten Verzweigungsstelle 26 ist ein Rückschlagventil 60 eingebaut, so daß die Flüssigkeit nur in Richtung von der dritten Verzweigungsstelle 56 zu der zweiten Verzweigungsstelle 26 strömen kann und nicht umgekehrt. Die vierte Verzweigungsstelle 58 befindet sich in der Leitung 24, und zwar zwischen der ersten Verzweigungsstelle 22 und der fünften Verzweigungsstelle 30.

Wenn das erste Ventil 28 in der Stellung "Alle Flüssigkeit in die Leitung 24" steht, ist der Wärmetauscher 6 von der durch die Brennkraftmaschine führenden Flüssigkeitsströmung abgekoppelt. Er erhält wahlweise zu Heizzwecken Flüssigkeit, die durch das Heizgerät 38 erwärmt worden ist, oder zu Kühlzwecken Flüssigkeit, die durch den Kühler 40 gekühlt worden ist, und zwar je nach Stellung des ersten Ventils 36. Wenn Beheizung des Kraftfahrzeugraums gewünscht ist, kann man auch mit einer Zwischenstellung des ersten Ventils 22 arbeiten, so daß der Wärmetauscher 6 von Flüssigkeit durchströmt wird, die teils in der Brennkraftmaschine 4 und teils in dem Heizgerät 38 erwärmt worden ist.

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Die Verbindungsleitung 54 tritt in Funktion, wenn, insbesondere bei nicht laufender Brennkraftmaschine 4, das zweite Ventil 28 in der Stellung "Alle Flüssigkeit zu der Brennkraftmaschine 4" steht. Unter der Wirkung der Umwälzpumpe 52 strömt die Flüssigkeit durch die Verbindungsleitung 54 und den hinteren Teil der Leitung 2 4 durch das Heizgerät 3 8 und dann zurück in den Kühlmittelkreislauf 2. Es ergibt sich eine Wärmeabgabe von der in dem Heizgerät 3 8 erwärmten Flüssigkeit am Wärmetauscher 6 und danach eine Wärmeabgabe an die Brennkraftmaschine 4. Typischer Betriebsfall hierfür ist die Beheizung des Fahrzeugraums zugleich mit einer Vorwärmung der Brennkraftmaschine zur Erleichterung des Startens der Brennkraftmaschine 4, also insbesondere Vorbereitung eines Kraftfahrzeugs zum Losfahren nach einer kalten Nacht. Diese Betriebsweise macht in Verbindung mit einem Kühlen der Flüssigkeit in dem Kühler 40 keinen Sinn, so daß das erste Ventil 36 in der Stellung "Alle Flüssigkeit zu dem Heizgerät 38" sein muß.

Es sei erwähnt, daß in Parallelschaltung zu dem beschriebenen Wärmetauscher 6 ein oder mehrere, weitere Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher 6 vorgesehen sein können, beispielsweise ein Wärmetauscher 6 für die linke Personenkraftwagenseite und ein Wärmetauscher 6 für die rechte Personenkraftwagenseite. Üblicherweise ist dem Wärmetauscher 6 ein Ventilator zugeordnet, dessen einstellbare Drehzahl die Intensität der Beheizung und der Kühlung des Kraftfahrzeugraums bestimmt.

Der beschriebene Kompressor 46 des Kühlmittelkreislaufs ist mit einem elektronisch in seiner Drehzahl regelbaren Antriebs-Elektromotor 60

gekoppelt. Der für den Betrieb des Elektromotors 60 erforderliche Strom wird durch einen Generator 62 erzeugt, der an der Brennkraftmaschine 4 sitzt und von dieser antreibbar ist. Als Ausführungsbeispiel ist ein mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 4 gekoppelter Keilriementrieb 64 eingezeichnet. Zwischen dem Keilriementrieb 64 und dem Generator 62 befindet sich eine Magnetkupplung 66. Bei gekuppelter Magnetkupplung 66 wird der Generator 62 angetrieben, während der Generator 62 bei entkuppelter Magnetkupplung 66 nicht angetrieben wird.

Eine Regeleinrichtung 68 ist mit einem Kraftfahrzeugraum-Temperaturfühler 70 verbunden und weist einen Sollwertgeber 72 auf. Die Regeleinrichtung 68 ist außerdem mit dem Elektromotor 60 und der Magnetkupplung 66 verbunden. Die Regeleinrichtung 68 dient beim bezeichneten Ausführungsbeispiel der Regelung des Kühlungsbetriebs des Systems; sie kann aber auch derart ausgebildet sein, daß sie zusätzlich die Regelung des Heizungsbetriebs des Systems übernimmt.

Wenn der Temperaturfühler 70 feststellt, daß die Temperatur des Kraftfahrzeugraums über der eingestellten Soll-Temperatur liegt, wird der Elektromotor 60 in Gang gesetzt und die Magnetkupplung .66 eingekuppelt. Je nach Größe des Temperaturunterschieds zwischen Soll-Temepratur und Ist-Temperatur wird der Elektromotor 60 mit höherer oder niedrigerer Drehzahl betrieben.

Kombiniert mit der beschriebenen Art der Regelung ist eine weitere, durch die Regeleinrichtung 68 bewerkstelligte Regelung. An der Luftzuströmseite

-Tides Wärmetauschers 6 sitzt ein weiterer Temperaturfühler 74 und an der Luftaustrittsseite des Wärmetauschers 6 ein weiterer Temperaturfühler 76. Wenn der Kühlbedarf besteht, sorgt die Regeleinrichtung 68 unter Beeinflussung der Drehzahl des elektronisch geregelten Elektromotors 60 dafür, daß der Flüssigkeit in dem Kühler 4 0 so viel Wärme entzogen wird, daß die Luft an der Austrittsseite des Wärmetauschers 6 eine Temperatur hat, die zwischen 0 und 6°C unterhalb der Lufttemperatur an der Eintrittsseite des Wärmetauschers 6 ist. Bei erheblicher Differenz zwischen Soll-Temperatur und Ist-Temperatur im zu kühlenden Kraftfahrzeugraum wird dabei der obere Grenzwert von 6°C angestrebt, um den Kraftfahrzeugraum möglichst rasch herunterzukühlen. Das Nicht-Überschreiten des Grenzwerts von 6'C ist vorteilhaft, um Zuglufterscheinungen bei den Kraftfahrzeuginsassen zu vermeiden.

Es wird betont, daß das beschriebene Heiz- und Kühlsystem auch für Fahrzeuge ohne Antriebs-Brennkraftmaschine 4 vorgesehen sein kann, beispielsweise Wohnwagenanhänger oder Segelboote. Diesen Fall kann man sich dadurch vorstellen, daß der links von der gewellten Linie 78 gezeichnete Systemteil nicht vorhanden ist und daß zwischen dem Kreislauf 2 und der Leitung 24 die strichpunktierte Verbindung 8 0 besteht. Dann hat man ein mit dem Wärmetauscher 6 arbeitendes Heiz- und Kühlsystem vor sich, bei dem dem Wärmetauscher 6 alternativ Flüssigkeit, die im Heizgerät 38 erwärmt worden ist, und Flüssigkeit, die im Kühler 4 0 gekühlt worden ist, zugeführt werden kann.

Die beiden Ventile 28 und 3 6 sind baugleich. Die (Kühl-)Flüssigkeit in dem kombinierten Kreislauf 2, 20 ist normalerweise Wasser oder Wasser/Alkohol-Gemisch.

Integriert in die Regeleinrichtung 68 oder gesondert hiervon ist eine Steuerung vorgesehen, die, wenn Kühlbetrieb gewünscht ist, sowohl das erste Ventil 3 6 in die Stellung "alle Flüssigkeit zu dem Kühler 40" als auch das zweite Ventil 28 in die Stellung "alle Flüssigkeit in die Leitung 24" bringt und erst dann, beispielsweise aufgrund von Endlagen-Rückmeldungen, den Antrieb des Elektromotors 60 freigibt.

Claims

-rt-^t &bgr;&iacgr; nsprüche

1. Klimaanlage zum Kühlen von Fahrzeugräumen, insbesondere Kraftfahrzeugräumen, gekennzeichnet durch:

(a) einen Flüssigkeitskreislauf (20) mit einer Umwälzpumpe (52) ;

(b) mindestens einen, in den Flüssigkeitskreislauf eingebauten Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher (6) zur Abgabe von Kühlluft in den Fahrzeugraum;

(c) einen in den Flüssigkeitskreislauf (20) eingebauten Kühler (40), der einen Kühlmittelverdampfer (42 enthält und im Betrieb der Flüssigkeit des Flüssigkeitskreislaufs (20) Wärme entzieht; und

(d) einen Kühlmittelkreislauf (44), in den der Kühlmittelverdampfer (42), ein Kompressor (46) zum Verdichten gasförmigen Kühlmittels und ein Kondensator (48) zum Verflüssigen des verdichteten, gasförmigen Kühlmittels eingebaut sind.

2. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Antrieb des Kompressors (46) ein in seiner Drehzahl regelbarer Elektromotor (60) vorgesehen ist.

3. Klimaanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (60) elektronisch regelbar ist.

4. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regeleinrichtung (68), ein Sollwertgeber (72) für die Temperatur des Fahrzeugraums und ein Temperaturfühler (70) für den Fahrzeugraum vorgesehen sind, und daß die Regeleinrichtung (68) mit dem Antrieb (60) des Kompressors (46) verbunden ist.

5. Klimaanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperaturfühler (74) vorgesehen ist, der die Lufttemperatur vor dem Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher (6) erfaßt; und ein Temperaturfühler (76) vorgesehen ist, der die Lufttemperatur hinter dem Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher (16) erfaßt;

und daß die Regeleinrichtung (68) so ausgelegt ist, daß die Kühlluft beim Durchströmen des Flüssigkeit/Luft-Wärmetauschers (6) um maximal 6°C abgekühlt wird.

6. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelverdampfer (42) als Koaxialverdampfer in dem Kühler (40) ausgebildet ist.

7. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitskreislauf (20) zwei Parallelzweige (32, 34) aufweist, wobei der Kühler (40) in den einen Parallelzweig (34) und ein Heizgerät (38), das im Betrieb durch Verbrennung von Brennstoff Wärme erzeugt und an die Flüssigkeit abgibt, in den anderen Parallelzweig (32) eingebaut ist;

und daß mindestens ein Ventil (36) vorgesehen ist, das durch seine Stellung bestimmt, durch welchen der beiden Parallelzweige (32, 34) die Flüssigkeit strömt, so daß der Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher (6) zur wahlweisen Abgabe von Kühlluft und Heizluft in den Fahrzeugraum vorgesehen ist.

8. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 7 für Kraftfahrzeuge, die für ihren Antrieb eine Brennkraftmaschine (4) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß für die Stromversorgung des für den Antrieb des Kompressors (46) vorgesehenen Elektromotors (60) ein Generator (62) vorgesehen ist, der über eine trennbare Kupplung (66), vorzugsweise eine Magnetkupplung, von der Brennkraftmaschine (4) antreibbar ist.