WO2017067832A1 - Klimagerät und verfahren zum betrieb eines solchen - Google Patents

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WO2017067832A1
WO2017067832A1 PCT/EP2016/074453 EP2016074453W WO2017067832A1 WO 2017067832 A1 WO2017067832 A1 WO 2017067832A1 EP 2016074453 W EP2016074453 W EP 2016074453W WO 2017067832 A1 WO2017067832 A1 WO 2017067832A1
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air
heating element
cold air
downstream
cooling
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PCT/EP2016/074453
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Robert Herbolzheimer
Oliver Horn
Andreas Krompass
Thorsten MOCKENHAUPT
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/00007—Combined heating, ventilating, or cooling devices
    • B60H1/00021—Air flow details of HVAC devices
    • B60H1/00064—Air flow details of HVAC devices for sending air streams of different temperatures into the passenger compartment
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60H2001/0015—Temperature regulation
    • B60H2001/00164—Temperature regulation with more than one by-pass

Definitions

  • the invention relates to an air conditioner, for air conditioning a passenger compartment, with a cooling element, for cooling air, with an air duct downstream of the cooling element, for guiding the air, with a heating element downstream of the air duct, for heating the air, with a mixing zone downstream of the heating element , with several air outlets, for the outflow of several partial air streams from the mixing zone in different areas of the passenger compartment.
  • An air conditioner is used regularly for the air conditioning of the passenger compartment of a vehicle.
  • the passenger compartment air is supplied, which is cooled or heated by the air conditioner.
  • the air is either taken as fresh air from the environment of the vehicle or removed as recirculated air from the passenger compartment and then circulated.
  • cooling of the air is typically carried out by means of a climatic evaporator, which is connected to a refrigerant circuit and in which is evaporated for heat absorption refrigerant.
  • the air conditioner usually has a heating heat exchanger, which is connected to a coolant circuit and is flowed through by warm coolant, such as water.
  • an object of the invention to provide an improved air conditioner, which ensures increased comfort in the air conditioning of a passenger compartment of a vehicle and is as cost effective and efficient. Furthermore, the air conditioning system should be particularly suitable for use in an electric or hybrid vehicle and to be as energy efficient as possible in operation. Furthermore, a method for operating the air conditioner is to be specified.
  • the air conditioner is designed for the air conditioning of a passenger compartment, ie for use in a vehicle.
  • the air conditioner comprises a cooling element, for cooling air, an air duct downstream of the cooling element, for guiding the air, a heating element downstream of the air duct, for heating the air, a mixing zone downstream of the heating element and a plurality of air outlets, for discharging a plurality of partial air streams from the Mixing zone in different areas of the passenger compartment.
  • an additional cold air bypass is formed, which is guided past the heating element, for the supply of additional cold air downstream of the heating element.
  • the invention is based on the consideration that in a cost-effective air conditioner for generating a plurality of partial air flows with different temperatures usefully omitted an active layering with additional actuators and a separate, active air conditioning of the various partial air streams.
  • the mixing zone in which the portion of air cooled by the evaporator and the portion of air heated by the heating element meet, is designed such that an air flow, i.e., air flow, downstream of the mixing zone. here in particular a total air flow, with a temperature gradient or with several temperature zones of different temperature results. Downstream of the heating element is thus formed in the mixing zone, a stratified air flow, which in different areas, i. Spaces, also has different temperatures.
  • the stratified air flow described above causes a strong heating by means of the heating element, since at too low a temperature of the heating element not enough cold air can be introduced into the mixing zone to produce a stratification.
  • temperatures of 80 ° C. or more on the heating element are frequently necessary. This results in a correspondingly high energy consumption.
  • This is particularly critical in an electric or hybrid vehicle, which is driven primarily by means of a high-voltage accumulator and an electric drive train, since no permanently operated internal combustion engine is available and generates heat, but rather has to be heated by electric heaters. The necessary energy is then taken directly from the high-voltage battery, which has a direct negative effect on the range of the vehicle.
  • Particularly disadvantageous affects the required high temperature when using a heat pump for heating the vehicle interior,
  • a key idea of the invention is now, in particular, to supply additional cold air in an inexpensive air conditioner without active stratification to produce partial air flows at different temperatures, so that the need for a layered by the heating element in the mixing zone air flow is eliminated.
  • additional cold air is passed over the cold air bypass on the heating element and in particular also at the mixing zone, i. not heated, and supplied downstream of the air to produce a suitable temperature difference.
  • the heating element is then advantageously at precisely that temperature, i. a corresponding operating point, operated, which is just necessary to reach the desired temperature of the warmest of the partial air flows, in particular that in the footwell inside. Inefficient operation above this minimum required temperature of the heating element is avoided.
  • the temperature difference in the colder partial air flow is then increased by delivery, i. Admixture, the additional cold air set.
  • the cold air bypass is in particular spatially separated from the air channel, so that no interaction, i. no temperature exchange between the cold air and that air is carried out, which is passed through the air duct and into the mixing zone.
  • the air and the cold air are guided for example by separate channels or at least spatially separated from each other by a wall.
  • the heating element is designed as a heating heat exchanger, for exchanging heat between a coolant and air.
  • the air conditioner then has in particular a cooling circuit to which the heating element is connected and from which heat is supplied to the heating element.
  • the heating element is a heat pump condenser or a gas cooler of the air conditioner and then in particular connected to a refrigerant circuit of the air conditioner.
  • the heating element is in particular a heat exchanger, thus transfers heat between two heat media, in contrast to an electric heating element
  • the cooling element is designed as a climatic evaporator and connected to the refrigerant circuit of the air conditioner, through which then heat is dissipated, which is absorbed by the cooling element.
  • a particular indirect cooling by means of a secondary circuit ie a secondary cooling circuit.
  • the cooling element is formed for example as a heat exchanger, which is connected to the secondary circuit. Similar to the heating element and the cooling element is generally in particular a heat exchanger, for the transfer of heat between two heat media.
  • the refrigeration cycle also includes a heat pump, which serves to supply heat to the heating element.
  • a heat pump allows a particularly efficient distribution of heat from different parts and components of the vehicle, which are connected to the refrigeration circuit or the cooling circuit.
  • heat is then conducted by means of the heat pump to the heating element, which i.d.S. then connected as a heat sink to the heat pump.
  • the heat pump is in particular a part of the air conditioning unit and usually has an evaporator, a condenser and a compressor, which are each connected to the refrigeration circuit.
  • the condenser is then regularly a water-cooled condenser, which is cooled in accordance with theharinikikaiauf and emits heat to this.
  • it is expediently arranged in the cooling circuit downstream of the condenser.
  • an electrical heating element is used as the heating element or that the heating element in the coolant circuit, an electric heater is connected upstream.
  • the air conditioner dispenses with any electrically powered auxiliary heaters and striker elements and instead uses only waste heat from vehicle components or from the environment, as a result of which the air conditioning unit is particularly energy-efficient.
  • Particularly preferred and efficient is a heat supply to the heating element by means of a heat pump.
  • a certain amount of cold air is supplied via the Kaitluftbypass.
  • the air conditioner now suitably has a Kaltluftdosierelement, for adjusting the amount of Kaitluft that is fed through the Kaitluftbypass, ie for cold air dosing.
  • the Kaltluftdosierelement is for example a bypass flap, which is then also referred to as a lamination flap, which is pivotally mounted and allows Kaitluftbypass a cross-sectional change.
  • a Mischluftdosierelement is arranged downstream of the cooling element, for adjusting a proportion of hot air, which is guided over the heating element and for adjusting a cooling air portion, which is guided past the heating element, that is generally for Mischluftdos mich.
  • the mixed air metering element serves to realize a change in cross section.
  • the Mischluftdosierelement thus significantly determines the temperature of the air in the mixing zone.
  • the Mischluftdosierelement is a mixed air damper or a combination of multiple flaps, which leads a correspondingly adjustable proportion of air from the air duct over or through the heating element.
  • the amount of air is adjustable, which is guided over the Kaitluftbypass.
  • the amount of air which flows into the mixing zone and, in particular, the temperature of the air in the mixing zone can also be adjusted by means of the mixed air metering element.
  • the air conditioner is designed such that the Kaltluftdosierelement and the Mischluftdosierelement be adjusted by means of only one common actuator.
  • actuator is understood in particular to be an active element, ie an actuator, in particular a motor, also called an adjustment motor, preferably a stepper motor or alternatively, for example, a servomotor.
  • Both Dosiereiemente, ie the Kaltluftdosierelement and the Mischluftdosierelement are consequently driven and adjusted by means of the same actuator.
  • This actuator is in particular also the only actuator which adjusts the two metering elements.
  • This embodiment is particularly cost-effective, since an additional actuator for the Kaitluftbypass is omitted and such is not available accordingly. For optimal adjustment of the different temperatures of the multiple partial air flows is sufficient but a single actuator for the participants Dosing.
  • the actuator has, for example, a cam, which is controlled via a servo motor and by means of which the two metering elements are then adjusted.
  • the actuator has two working areas, also referred to as adjustment areas, namely a first working area in which the Mischluftdosierelement is set and a second work area in which the Kaltluftdosierelement is set.
  • adjustment areas for example, different angular ranges of a volumetric rotation are then used to control and set the different metering elements.
  • the two metering elements can be adjusted independently of each other by means of the same actuator by adjusting and changing only one airflow at an actuation of the actuator on a respective work area or adjustment along this work area, which via the associated Dosage element is adjustable.
  • the cold air metering element and the Misch Kunststoffdosierelement are mechanically coupled together, ie mechanically coupled to a mechanical coupling.
  • the two metering elements are adjusted together, but not necessarily at the same time.
  • the dosing elements are connected to one another via a towed coupling, also kinematics.
  • the mechanical coupling is, for example, a common connection with the actuator.
  • a transmission is conceivable, is switched by means of which between the two metering, so that although both are driven by the same actuator, but only one is set with the actuator.
  • the kinematics by means of cam realized, which adjusted both dosing.
  • the cam itself is driven by a motor, for example.
  • a specially trained coupling kinematics which realizes the appropriate adjustability via suitable levers and bearing points.
  • the mechanical coupling ensures in particular that both metering elements are adjustable via the same actuator and are also adjusted, although not necessarily at the same time.
  • the mechanical coupling is based in particular on the idea that the additional cold air is necessary only in special situations, namely in particular when the setting options by means of the Misch Kunststoffdosierelements are exhausted.
  • the particular coupling advantageously allows adjustment of the metering such that the one metering is set only when a specific air conditioning requirement, in particular a temperature difference of Operaiuftströme, can not be operated by the other metering.
  • a desired air conditioning of the passenger compartment is initially attempted by means of the mixed air metering element.
  • the Kaltluftdosierelement is used instead.
  • the Mischluftdosierelement has an end position, and the Kaltluftdosierelement is only opened and set when the Mischluftdosierelement is set in the final position.
  • the end position of the Mischluftdosierelements is here in particular a position in which a maximum amount of air from the air duct is heated by means of the heating element.
  • flaps for the Misch Kunststoffdosierelement marks the end position in particular a stop, beyond which the flap or the flaps are not moved.
  • In the mixing zone can then achieve no stratification, since all the air which is supplied to the mixing zone is heated by the heating element alike.
  • a separate supply of cold air is then particularly useful in order to be able to generate partial air streams with different temperatures in an efficient manner at all. An inefficient increase in the temperature of the heating element is then dispensed with.
  • the heating element expediently projects only partially into the air duct.
  • the two paths are only so structurally separated from each other that in particular by adjusting the isch Kunststoffdosierelements the air flow can be divided differently on the two paths, which then depending on the setting a corresponding temperature of the air is generated in the mixing zone.
  • a certain cross-section of the air duct remains free of the heating element and then serves to forward the cooling air portion of the air.
  • the production of a stratified air flow in the mixing zone is dispensed with by an increase in the temperature at the heating element and by means of this the air is heated to at most about 50.degree.
  • the air conditioner is continuously operated in a particularly efficient Niederessel counsel and is particularly suitable for use in a vehicle with a heat pump, ie a vehicle in which the heating element by means of a heat pump heat is supplied.
  • the efficiency of the heat pump typically decreases significantly with increasing temperature at the heating element and undergoes a significant slump especially in the range above about 50 ° C, especially in combination with winter temperatures in central Europe of between -7 and 0 ° C.
  • the heat used for heating is taken in a possible variant via an ambient cooler from the environment of the vehicle, so that at high load of the heat pump to achieve a high temperature of the heating element, the ambient environment is increased risk of icing. Since now due to the separate cold air supply via the cold air bypass to increase comfort no stratification by means of the heating element is more necessary, it is possible to operate this at a correspondingly low temperature, ie at most about 50 ° C and thus the Efficient operation of the heat pump throughout, even at the low outside temperatures described above,
  • the chimney is preferably taken from the air downstream of the cooling element and upstream of the heating element, i.
  • the cold air bypass begins at the air duct and branches off from this air, which was previously cooled on the cooling element. In this way, the cold air has a defined temperature. In principle, however, it is also conceivable to remove the cold air as fresh air directly from the environment of the vehicle. In order to obtain the most cost-effective air conditioner, preferably also no separate cooling of the cold air in the cold air bypass.
  • the cold air is then fed downstream of the mixing zone directly to one of the partial air streams, in particular that partial stream, which is then flowed at chest level of a potential occupant in the passenger compartment.
  • the cold air bypass thus opens, for example, in one of the air outlets, which branches off the corresponding partial air flow from the mixing zone and feeds one of the ventilation levels.
  • the cold air is flowed into the mixing zone in order to form a stratified air flow in this way, which is then divided into a plurality of partial air flows.
  • the air conditioner is operable in a summer operation and in a winter operation and has a control unit, also referred to as a controller, which is designed such that the Kaltluftdosierelement is completely closed in summer operation and is set only in winter operation to the additional Supply cold air via the cold air bypass.
  • the control unit in particular controls the actuator, preferably in response to an air conditioning request and / or the outside temperature.
  • summer mode then takes place as needed, a mixture of hot air and cooling air in the mixing zone, in which case each a cooling air portion of the air flow in the air duct by means of Misch Kunststoffdosierelements is guided past the heating element, while a remaining portion of hot air is heated.
  • the cold air bypass is completely closed.
  • a use of the cold air bypass is therefore primarily in winter operation, in particular at maximum heating mitteis the heating element still a temperature difference to generate between the different partial air streams.
  • the cold-air bypass in particular allows quasi an extension of winter operation such that, despite complete heating of the air in the air duct and concomitant loss of stratification in the mixing zone, partial airflows with different temperatures are still generated.
  • the cold air bypass is also used in summer operation, i. additional cold air is supplied via the cold air bypass during summer operation.
  • additional cold air is supplied via the cold air bypass during summer operation.
  • the heat pump is operated at a lower power.
  • the Kaltluftdosierelement is controlled by means of the control unit for suitable adjustment of the temperature difference.
  • the temperature difference is used or a predetermined outlet temperature.
  • the Mischluftdosierelement is suitably regulated accordingly.
  • Fig. 1 is an air conditioner
  • a highly schematic air conditioner 2 which serves for the air conditioning of a passenger compartment 4 of a vehicle not shown in detail.
  • a Teifluftstrom T1, T2, T3 is flowed into several areas of the passenger compartment 4 via air outlets 6. These are used for air conditioning of the different areas, which are also referred to as ventilation levels.
  • the partial air flows T1, T2, T3 have different temperatures, ie have different temperatures.
  • the partial airflow T2 is cooler by a few ° C. than the two remaining partial airflows T1, T3.
  • the partial airflow T3 for the footwell have a temperature of about 45 ° C and the partial airflow T2 at breast height of an occupant only about 35 ° C.
  • the partial air flow T1, for example, also has a temperature of 45 ° C.
  • first air L is flowed or drawn into the air conditioner 2 and passes first a cooling element 8, which serves to cool the air L and is connected to a not shown cooling circuit of the air conditioner 8. Downstream of the cooling element 8, the air L is passed through an air duct 10 to a heating element 12, which serves to heat the air L and which is designed here as a heat exchanger, which is connected to a coolant circuit, not shown.
  • the heating element projects only partially into the air duct 10, so that the air can be guided via two different paths, namely as a cooling air component LK past the heating element 12 and / or as a warm air component LW through the heating element 12.
  • the air L is distributed by means of a ischluftdosierelements 14 on the two paths.
  • the Misch Kunststoffdosierelement 14 is here designed as a mixed air flap, which adjusts the cooling air component LK and the hot air component LW at the same time. However, it is also conceivable embodiment as two separate flaps. Both the cooling air component LK and the hot air component LW reach downstream of the heating element 12 in a mixing zone 16. Depending on the temperature of the heating element 12, the air L is then here as a layered air flow or the various air components LK, LW mix. In the case of a stratification, partial air streams T1, T2, T3 of different temperature can then be tapped in different regions of the mixing zone 16.
  • the maximum temperature of the heating element 12 in the exemplary embodiment shown here is limited to approximately 50.degree.
  • the air conditioner 2 additionally has a cold air bypass 18 for bypassing the heating element 12 and for supplying cold air K downstream Heating element 12.
  • the cold air K is removed in Fig. 1 of the air L downstream of the cooling element 8.
  • the cold air bypass 18 then opens directly into one of the air outlets 6, so that the associated partial airflow T2 is additionally cooled and a temperature difference relative to the other two partial airflows T1 and T3 is generated accordingly.
  • a Kaltluftdosierelement 20 is arranged in the cold air bypass 18, which is designed here as a bypass damper for opening and closing the cold air bypass 18, wherein intermediate positions are possible.
  • the cold air metering element 20 is closed, only with appropriate need additional cold air K is supplied.
  • the air L is influenced by means of the Mischiuftdosierelements 14 and the temperature and optionally a Layering in the mixing zone 16 is set. Only in those cases » in which no suitable stratification can be produced and in order to continue to operate the air conditioner 2 as efficiently as possible, the cold air metering element 20 is set.
  • both metering elements 14, 20 are adjusted by means of a common actuator 22, which is in particular an actuator, preferably a stepper motor.
  • the two metering elements 14, 20 are mechanically coupled to one another via the actuator 22 in such a way that a dragged adjustment is realized in which only one of the metering elements 14, 20 is always set at a given point in time.
  • the actuator 22 is then designed such that a Ve rste 11 cha rakterist ik as shown in Fig. 2 results.
  • the adjustment characteristic shows the position of the respective metering element 14, 20 as a function of a position of the actuator 22.
  • the position of the mixed air metering element 14 is represented by the two characteristic curves K1, K2, wherein the characteristic curve K1 shows a position with respect to the warm air portion LW and the characteristic curve K2 a position with respect to the cooling air component LK.
  • a third characteristic K3 shows the position of the Kaltluftdosierelements 20. Here corresponds to a position of 100% of a complete opening, a position of 0% corresponds to a closed state.
  • the actuator 22 has two working areas A1, A2, namely a first working area A1, in which only the Mischluftdosierelement 14 is set, ie a ratio of the air portions LK, LW, which flow into the mixing zone 16, and a second working area A2, in which only the Kaltluftdosierelement 20 is set,
  • a first working area A1 in which only the Mischluftdosierelement 14 is set
  • a ratio of the air portions LK, LW which flow into the mixing zone 16
  • a second working area A2 in which only the Kaltluftdosierelement 20 is set
  • the Mischluftdosierelement 14 at the boundary between the two working areas A1, A2 and over the entire working area A2 out in the end position, as illustrated especially the characteristic K1.
  • This juxtaposition of the work areas AI, A2 is an essential feature of the towed kinematics and the mechanical and temporally offset coupling of the two metering elements 14, 20 by means of the common actuator 22. It is clear
  • the air conditioner 2 further has, as shown in Fig. 1, a control unit 24, which among other things, the control of the actuator 22 is used. This is controlled in particular in response to an air conditioning request, which results, for example, from a heating or cooling request with respect to the passenger compartment 4 and / or an outside temperature, which is particularly an expression of the weather. Depending on the climate requirement then the air conditioner 2 is operated in a summer or winter operation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Klimagerät (2), zur Klimatisierung eines Fahrgastraums (4), mit einem Kühlelement (8), zur Kühlung von Luft (L), mit einem Luftkanal (10) stromab des Kühlelements (8), zur Führung der Luft (L), mit einem Heizelement (12) stromab des Luftkanals (10), zur Erwärmung der Luft (L), mit einer Mischzone (16) stromab des Heizelements (12), mit mehreren Luftauslässen (6), zum Ausströmen von mehreren Teilluftströmen (T1, T2, T3) aus der Mischzone (16) in unterschiedliche Bereiche des Fahrgastraums (4). Das Klimagerät (2) ist dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Kaltluftbypass (18) ausgebildet ist, der am Heizelement (12) vorbeigeführt ist, zur Zufuhr von zusätzlicher Kaltluft (K) stromab des Heizelements (12). Dadurch ist das Klimagerät (2) im Betrieb besonders effizient und gleichzeitig einfach in der Ausgestaltung und besonders kostengünstig. Desweiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb des Klimageräts (2).

Description

KLIMAGERÄT UND VERFAHREN ZUM BETRIEB EINES SOLCHEN
Die Erfindung betrifft ein Klimagerät, zur Klimatisierung eines Fahrgastraums, mit einem Kühlelement, zur Kühlung von Luft, mit einem Luftkanal stromab des Kühlelements, zur Führung der Luft, mit einem Heizelement stromab des Luftkanals, zur Erwärmung der Luft, mit einer Mischzone stromab des Heizelements, mit mehreren Luftauslässen, zum Ausströmen von mehreren Teil luftströmen aus der Mischzone in unterschiedliche Bereiche des Fahrgastraums.
Ein solches Klimagerät ist beispielsweise in der DE 10 2007 014 835 B4 beschrieben.
Ein Klimagerät dient regelmäßig der Klimatisierung des Fahrgastraums eines Fahrzeugs. Dazu wird dem Fahrgastraum Luft zugeführt, welche mittels des Klimageräts gekühlt oder geheizt wird. Die Luft wird entweder als Frischluft aus der Umgebung des Fahrzeugs entnommen oder als Umluft aus dem Fahrgastraum entnommen und dann umgewälzt. Im Klimagerät erfolgt eine Kühlung der Luft typischerweise mittels eines Klima-Verdampfers, welcher an einen Kältekreis angeschlossen ist und in welchem zur Wärmeaufnahme Kältemittel verdampft wird. Zur Beheizung von Luft weist das Klimagerät üblicherweise ein Heizungswärmetauscher auf, der an einen Kühlmittelkreislauf angeschlossen ist und von warmem Kühlmittel, beispielsweise Wasser durchströmt wird.
Zur Komfortsteigerung ist es möglich, die Luft in den Fahrgastraum auf unterschiedlichen Belüftungsebenen, d.h. in unterschiedliche Bereiche des Fahrgastraums, mit jeweils unterschiedlicher Temperatur einzuströmen. So wird es häufig als angenehmer empfunden, wenn auf Brusthöhe eingeströmte Luft um einige Grad kälter ist als in den Fußraum eingeströmte Luft. Hierzu ist es denkbar, im Sinne einer aktiven Schichtung den Luftstrom räumlich in mehrere Teilluftströme aufzuteilen und unterschiedlich zu erwärmen oder abzukühlen, bevor diese Teilluftströme dann jeweils in den Fahrgastraum eingeströmt werden. Eine solche Lösung erfordert jedoch eine Vielzahl zusätzlicher Stellglieder, d.h. Motoren oder allgemein Aktuatoren, und ist daher üblicherweise teuer.
In der DE 10 2007 014 835 B4 ist ein Klimagerät beschrieben, bei welchem Luft durch einen Heizungswärmeübertrager strömt, welcher zwei Kaltluftdurchlässe aufweist und welcher derart angeordnet ist, dass stromab desselben eine temperaturgeschichtete Luftströmung vorliegt, deren Schichten verschiedenen Luftauslässen zugeordnet sind. Dadurch lässt sich über unterschiedliche Auslässe Luft mit unterschiedlicher Temperatur in den Fahrgastraum einströmen.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Klimagerät anzugeben, welches einen erhöhten Komfort bei der Klimatisierung eines Fahrgastraums eines Fahrzeugs gewährleistet und dabei möglichst kostengünstig und effizient ist. Weiterhin soll das Klimasystem insbesondere zur Verwendung in einem Elektro- oder Hybridfahrzeug geeignet sein und dazu möglichst energieeffizient im Betrieb sein. Weiterhin soll ein Verfahren zum Betrieb des Klimageräts angegeben werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Klimagerät mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Klimagerät sinngemäß auch für das Verfahren und umgekehrt.
Das Klimagerät ist zur Klimatisierung eines Fahrgastraums ausgebildet, d.h. zur Verwendung in einem Fahrzeug. Das Klimagerät weist ein Kühlelement auf, zur Kühlung von Luft, einen Luftkanal stromab des Kühlelements, zur Führung der Luft, ein Heizelement stromab des Luftkanals, zur Erwärmung der Luft, eine Mischzone stromab des Heizelements sowie mehrere Luftauslässe, zum Ausströmen von mehreren Teilluftströmen aus der Mischzone in unterschiedliche Bereiche des Fahrgastraums. Erfindungsgemäß ist ein zusätzlicher Kaltluftbypass ausgebildet, der am Heizelement vorbeigeführt ist, zur Zufuhr von zusätzlicher Kaltluft stromab des Heizelements.
Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass bei einem möglichst kostengünstigen Klimagerät zur Erzeugung mehrere Teilluftströme mit unterschiedlichen Temperaturen sinnvollerweise auf eine aktive Schichtung mit zusätzlichen Stellgliedern und eine jeweils separate, aktive Klimatisierung der diversen Teilluftströme geeigneterweise verzichtet wird. Stattdessen ist die Mischzone, in welcher der vom Verdampfer abgekühlte Luftanteil und der vom Heizelement aufgewärmte Luftanteil aufeinander treffen, derart ausgeführt, dass sich stromab der Mischzone ein Luftstrom, d.h. hier insbesondere ein Gesamtluftstrom, mit einem Temperaturgradienten oder auch mit mehreren Temperaturzonen unterschiedlicher Temperatur ergibt. Stromab des Heizelements ist somit in der Mischzone ein geschichteter Luftstrom ausgebildet, der in unterschiedlichen Bereichen, d.h. Raumbereichen, auch unterschiedliche Temperaturen aufweist. Durch geschickte Anordnung der Luftauslässe lassen sich dann mehrere Teilluftströme mit unterschiedlichen Temperaturen erzeugen. Üblicherweise werden drei Teil luftströme erzeugt, für drei Bereiche des Fahrgastraums, welche auch Belüftungsebenen genannt werden, nämlich jeweils ein Teilstrom für den Fußraum, auf Brusthöhe des Insassen und entlang der Windschutzscheibe.
Der oben beschriebene geschichtete Luftstrom bedingt jedoch eine starke Beheizung mittels des Heizelements, da bei einer zu geringen Temperatur des Heizelements nicht genügend Kaltluft in die Mischzone eingeleitet werden kann, um eine Schichtung zu erzeugen. Zur Herstellung einer geeigneten Schichtung sind häufig Temperaturen von 80°C oder mehr am Heizelement nötig. Dadurch ergibt sich ein entsprechend hoher Energiebedarf. Dies ist besonders bei einem Elektro- oder Hybridfahrzeug kritisch, welches vorrangig mittels eines Hochvoltspeichers und eines elektrischen Antriebsstrangs angetrieben wird, da hier kein permanent betriebener Verbrennungsmotor zur Verfügung steht und Wärme generiert, sondern vielmehr über elektrische Zuheizer zugeheizt werden muss. Die hierzu notwendige Energie wird dann direkt dem Hochvoltspeicher entnommen, was sich direkt negativ auf die Reichweite des Fahrzeugs auswirkt. Besonders nachteilig wirkt sich die erforderliche hohe Temperatur beim Einsatz einer Wärmepumpe zur Beheizung des Fahrzeuginnenraumes aus,
Ein Kerngedanke der Erfindung besteht nun insbesondere darin, bei einem kostengünstigen Klimagerät ohne aktive Schichtung zusätzliche Kaltluft zuzuführen, um Teilluftströme mit unterschiedlicher Temperatur zu erzeugen, sodass die Notwendigkeit eines mittels des Heizelements in der Mischzone geschichteten Luftstroms entfällt. Dazu wird zusätzliche Kaltluft über den Kaltluftbypass am Heizelement und insbesondere auch an der Mischzone vorbeigeführt, d.h. nicht erwärmt, und stromab desselben der Luft zugeführt, um einen geeigneten Temperaturunterschied zu erzeugen. Das Heizelement wird dann vorteilhaft genau bei derjenigen Temperatur, d.h. einem entsprechenden Betriebspunkt, betrieben, welche gerade zum Erreichen der gewünschten Temperatur des wärmsten der Teilluftströme notwendig ist, insbesondere demjenigen in den Fußraum hinein. Ein ineffizienter Betrieb oberhalb dieser minimal benötigten Temperatur des Heizelements wird vermieden. Der Temperaturunterschied in dem kälteren Teilluftstrom wird dann durch Zufuhr, d.h. Beimischung, der zusätzlichen Kaltluft eingestellt.
Der Kaltluftbypass ist vom Luftkanal insbesondere räumlich getrennt, sodass keine Wechselwirkung, d.h. kein Temperaturaustausch zwischen der Kaltluft und derjenigen Luft erfolgt, welcher weiter durch den Luftkanal und bis in die Mischzone geführt wird. Hierzu sind die Luft und die Kaltluft beispielsweise durch separate Kanäle geführt oder zumindest durch eine Wandung voneinander räumlich getrennt.
In einer geeigneten Ausgestaltung ist das Heizelement als Heizungswärmetauscher ausgebildet, zum Austausch von Wärme zwischen einem Kühlmittel und Luft. Das Klimagerät weist dann insbesondere einen Kühlkreislauf auf, an welchen das Heizelement angeschlossen ist und aus welchem dem Heizelement Wärme zugeführt wird. In einer geeigneten Alternative ist das Heizelement ein Wärmepumpenkondensator oder ein Gaskühler des Klimageräts und dann insbesondere an einen Kältekreis des Klimageräts angeschlossen. Allgemein ist das Heizelement insbesondere ein Wärmetauscher, überträgt also Wärme zwischen zwei Wärmemedien, im Gegensatz zu einem elektrischen Heizelement, In einer geeigneten Ausgestaltung ist das Kühlelement als Klima-Verdampfer ausgebildet und an den Kältekreis des Klimageräts angeschlossen, über welchen dann Wärme abgeführt wird, die vom Kühlelement aufgenommen wird. In einer Variante erfolgt eine insbesondere indirekte Kühlung mittels eines Sekundärkreislaufs, d.h. eines sekundären Kühlkreislaufs. Dazu ist das Kühlelement beispielsweise als ein Wärmetauscher ausgebildet, welcher an den Sekundärkreislauf angeschlossen ist. Ähnlich dem Heizelement ist auch das Kühielement allgemein insbesondere ein Wärmetauscher, zur Übertragung von Wärme zwischen zwei Wärmemedien.
Der Kältekreis umfasst insbesondere auch eine Wärmepumpe, welche der Zufuhr von Wärme zum Heizelement dient. Eine solche Wärmepumpe ermöglicht eine besonders effiziente Verteilung von Wärme aus unterschiedlichen Teilen und Komponenten des Fahrzeugs, welche an den Kältekreises oder den Kühlkreislaufs angeschlossen sind. Insbesondere wird aus solchen Komponenten, die eine Wärmequelle darstellen, dann Wärme mittels der Wärmepumpe zum Heizelement geführt, welcher i.d.S. dann als Wärmesenke an die Wärmepumpe angebunden ist. Die Wärmepumpe ist insbesondere ein Teil des Klimageräts und weist üblicherweise einen Verdampfer, einen Kondensator und einen Verdichter auf, welche jeweils an den Kältekreis angeschlossen sind. Der Kondensator ist dann regelmäßig ein wassergekühlter Kondensator, welcher entsprechend über den Kühlkreisiauf gekühlt wird und Wärme an diesen abgibt. Um vom Kondensator dann Wärme an das Heizelement weiterzugeben, ist dieser zweckmäßigerweise im Kühlkreis stromab des Kondensators angeordnet.
Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass als Heizelement ein elektrisches Heizelement verwendet wird oder dass dem Heizelement im Kühlmittelkreislauf ein elektrischer Zuheizer vorgeschaltet ist. Vorzugsweise wird bei dem Klimagerät jedoch auf jegliche elektrisch betriebenen Zuheizer und Hetzelemente verzichtet und stattdessen lediglich Abwärme von Fahrzeugkomponenten oder aus der Umgebung verwendet, wodurch dann das Klimagerät besonders energieeffizient ist. Besonders bevorzugt und effizient ist eine Wärmezufuhr zum Heizelement mittels einer Wärmepumpe. Über den Kaitluftbypass wird eine bestimmte Menge an Kaltluft zugeführt. Das Klimagerät weist nun geeigneterweise ein Kaltluftdosierelement auf, zum Einstellen der Menge an Kaitluft, die durch den Kaitluftbypass zugeführt wird, d.h. zur Kaltluftdosierung. Das Kaltluftdosierelement ist beispielsweise eine Bypassklappe, die dann auch als Schichtungsklappe bezeichnet wird, welche schwenkbar gelagert ist und im Kaitluftbypass eine Querschnittsänderung ermöglicht. In geschlossenem Zustand wird dann keine Kaltluft geführt, in offenem Zustand wird je nach Stellung des Kaltluftdosierelements eine gewisse Menge an Kaltluft zugeführt. Zusätzlich ist hierbei stromab des Kühlelements ein Mischluftdosierelement angeordnet, zum Einstellen eines Warmluftanteils, welcher über das Heizelement geführt ist sowie zum Einstellen eines Kühlluftanteils, der am Heizelement vorbeigeführt wird, d.h. allgemein zur Mischluftdosierung. Analog zum Kaltluftdosierelement dient das Mischluftdosierelement zur Realisierung einer Querschnittsänderung. Das Mischluftdosierelement bestimmt somit wesentlich die Temperatur der Luft in der Mischzone. Beispielsweise ist das Mischluftdosierelement eine Mischluftklappe oder eine Kombination aus mehreren Klappen, welche einen entsprechend einstellbaren Anteil der Luft aus dem Luftkanal über oder durch das Heizelement führt. Mittels des Kaltluftdosierelements ist dann die Menge an Luft einstellbar, welche über den Kaitluftbypass geführt wird. Mittels des Mischluftdosierelements ist dagegen die Menge an Luft einstellbar, welche in die Mischzone einströmt, sowie insbesondere auch die Temperatur der Luft in der Mischzone.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das Klimagerät derart ausgebildet, dass das Kaltluftdosierelement und das Mischluftdosierelement mittels lediglich eines gemeinsamen Stellglieds eingestellt werden. Dabei wird unter Stellglied insbesondere ein aktives Element verstanden, d.h. ein Aktuator, insbesondere ein Motor, auch Versteilmotor genannt, vorzugsweise ein Schrittmotor oder alternativ beispielsweise ein Servomotor. Beide Dosiereiemente, d.h. das Kaltluftdosierelement und das Mischluftdosierelement, werden folglich mittels desselben Stellglieds angetrieben und eingestellt. Dieses Stellglied ist insbesondere auch das einzige Stellglied, welches die beiden Dosierelemente einstellt. Diese Ausgestaltung ist besonders kostengünstig, da auf ein zusätzliches Stellglied für den Kaitluftbypass verzichtet wird und ein solches entsprechend nicht vorhanden ist. Zur optimalen Einstellung der unterschiedlichen Temperaturen der mehreren Teilluftströme genügt vielmehr ein einziges Stellglied für die beteiligten Dosierelemente. Das Stellglied weist beispielsweise eine Kurvenscheibe auf, welche über einen Servomotor angesteuert wird und mittels welcher die beiden Dosierelemente dann verstellt werden.
Geeigneterweise weist das Stellglied zwei Arbeitsbereiche, auch als Einstellbereiche bezeichnet, auf, nämlich einen ersten Arbeitsbereich, in welchem das Mischluftdosierelement eingestellt wird und einen zweiten Arbeitsbereich, in welchem das Kaltluftdosierelement eingestellt wird. Bei einem Schrittmotor werden dann beispielsweise unterschiedliche Winkelbereiche einer Voliumdrehung zur Ansteuerung und zum Einstellen der unterschiedlichen Dosierelemente verwendet. Allgemein lassen sich in der Ausgestaltung mit zwei Arbeitsbereichen die beiden Dosierelemente dann mittels desselben Stellglieds trotzdem gewissermaßen unabhängig voneinander einstellen, indem bei einer Betätigung des Stellglieds auf einem jeweiligen Arbeitsbereich oder Verstellen entlang dieses Arbeitsbereichs auch lediglich derjenige Luftstrom eingestellt und verändert wird, welcher über das zugehörige Dosierelement einstellbar ist. Es wird also entweder im Kaltluftbypass oder im Luftkanal der Querschnitt verändert, jedoch nicht in beiden zugleich. Beispielsweise wird auf einem jeweiligen Arbeitsbereich auch nur das zugehörige Dosierelement verstellt, während das andere Dosierelement in einer bestimmten Ruhestellung verharrt. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass beide Dosierelemente gleichzeitig eine Bewegung ausführen, dann allerdings nur eine dieser Bewegungen tatsächlich einen Effekt bezüglich des jeweiligen Luftstroms zeigt.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind das Kaltluftdosierelement und das Mischluftdosierelement mechanisch miteinander gekoppelt, d.h. mit einer mechanischen Kopplung mechanisch gekoppelt. Dabei werden die beiden Dosierelemente zwar gemeinsam verstellt, jedoch nicht notwendigerweise gleichzeitig. Mit anderen Worten: die Dosierelemente sind über eine geschleppte Kopplung, auch Kinematik miteinander verbunden. Die mechanische Kopplung ist beispielsweise eine gemeinsame Verbindung mit dem Stellglied. Alternativ ist auch ein Getriebe denkbar, mittels dessen zwischen den beiden Dosierelementen umgeschaltet wird, sodass zwar beide von demselben Stellglied angetrieben werden, jedoch immer nur eines mit dem Stellglied eingestellt wird. Bei einer beispielhaften, geeigneten Ausgestaltung ist die Kinematik mittels Kurvenscheibe realisiert, welche beide Dosierelemente verstellt. Die Kurvenscheibe selbst wird z.B. von einem Motor angetrieben. Denkbar ist allerdings auch eine speziell ausgebildete Kopplungskinematik, welche über geeignete Hebel und Lagerpunkte die entsprechende Verstellbarkeit realisiert. Allgemein ist durch die mechanische Kopplung insbesondere sichergestellt, dass beide Dosierelemente über dasselbe Stellglied verstellbar sind und auch verstellt werden, wenn auch nicht notwendigerweise zeitgleich.
Der mechanischen Kopplung liegt insbesondere der Gedanke zugrunde, dass die zusätzliche Kaltluft nur in speziellen Situationen notwendig ist, nämlich insbesondere dann, wenn die Einstellungsmöglichkeiten mittels des Mischluftdosierelements erschöpft sind. Die besondere Kopplung ermöglicht vorteilhafterweise ein Verstellen der Dosierelemente derart, dass das eine Dosierelement lediglich dann eingestellt wird, wenn eine konkrete Klimatisierungsanforderung, insbesondere ein Temperaturunterschied der Teiliuftströme, nicht mehr durch das andere Dosierelement bedient werden kann. Beispielsweise wird zunächst mittels des Mischluftdosierelements versucht eine gewünschte Klimatisierung des Fahrgastraums zu erzielen. Falls jedoch im Rahmen der Einstellmöglichkeiten des Mischluftdosierelements keine geeignete Schichtung möglich ist und kein geeigneter Temperaturunterschied zwischen den Teilströmen erzeug bar ist, wird stattdessen das Kaltluftdosierelement verwendet. Mittels des Kaltluftbypasses ist somit quasi ein erweiterter Einstellbereich des Klimageräts hinsichtlich einer möglichst komfortablen Klimatisierung des Fahrgastraums realisiert.
In einer geeigneten Ausgestaltung weist das Mischluftdosierelement eine Endstellung auf, und das Kaltluftdosierelement wird lediglich dann geöffnet und eingestellt, wenn das Mischluftdosierelement in der Endstellung eingestellt ist. Die Endstellung des Mischluftdosierelements ist hierbei insbesondere eine Stellung, in welcher eine maximale Menge an Luft aus dem Luftkanal mittels des Heizelements erwärmt wird. Bei Verwendung einer oder mehrerer Klappen für das Mischluftdosierelement markiert die Endstellung insbesondere einen Anschlag, über welchen hinaus die Klappe oder die Klappen nicht weiter verfahrbar sind. In der Mischzone lässt sich dann keine Schichtung erzielen, da sämtliche Luft, welche der Mischzone zugeführt wird, mittels des Heizelements gleichermaßen erwärmt wird. In diesem Fall ist eine separate Zuführung von Kaltluft dann besonders sinnvoll, um überhaupt auf effiziente Weise Teilluftströme mit unterschiedlichen Temperaturen erzeugen zu können. Auf eine ineffiziente Erhöhung der Temperatur des Heizelements wird dann verzichtet.
Um bereits in der Mischzone einen geschichteten Luftstrom erzeugen zu können, ragt das Heizelement zweckmäßigerweise lediglich teilweise in den Luftkanal hinein. Dadurch ergeben sich im Luftkanal insbesondere zwei Pfade für die Luft, nämlich ein erster Pfad durch das Heizelement hindurch und ein zweiter Pfad an diesem vorbei. Die beiden Pfade sind dabei lediglich derart baulich voneinander getrennt, dass insbesondere durch Einstellen des ischluftdosierelements der Luftstrom auf die beiden Pfade unterschiedlich aufgeteilt werden kann, wodurch dann je nach Einstellung eine entsprechende Temperatur der Luft in der Mischzone erzeugt wird. Ein bestimmter Querschnitt des Luftkanals bleibt jedoch frei vom Heizelement und dient dann der Weiterleitung des Kühlluftanteils der Luft.
Vorzugsweise wird auf die Erzeugung eines geschichteten Luftstroms in der Mischzone durch eine Erhöhung der Temperatur am Heizelement verzichtet und mittels diesem die Luft auf höchstens etwa 50°C erwärmt. Dadurch wird das Klimagerät durchgängig in einem besonders effizienten Niederheizbetrieb betrieben und eignet sich besonders zur Verwendung in einem Fahrzeug mit einer Wärmepumpe, d.h. einem Fahrzeug, bei welchem dem Heizelement mittels einer Wärmepumpe Wärme zugeführt wird. Die Effizienz der Wärmepumpe nimmt typischerweise mit steigender Temperatur am Heizelement deutlich ab und erfährt besonders im Bereich oberhalb von etwa 50°C einen deutlichen Einbruch, besonders in Kombination mit im Winter in Mitteleuropa üblichen Außentemperaturen zwischen -7 und 0°C. Die zum Heizen verwendete Wärme wird in einer möglichen Variante über einen Umgebungskühler aus der Umgebung des Fahrzeugs entnommen, sodass bei hoher Last der Wärmepumpe, um eine hohe Temperatur des Heizelements zu erreichen, am Umgebungskühier verstärkt die Gefahr einer Vereisung besteht. Da nun aufgrund der separaten Kaltluftzuführung über den Kaltluftbypass zur Komfortsteigerung keine Schichtung mittels des Heizelements mehr notwendig ist, ist es möglich, diesen auf einer entsprechend geringen Temperatur, d.h. höchstens etwa 50°C zu betreiben und somit die Wärmepumpe durchgängig effizient zu betreiben, auch bei den oben beschriebenen, niedrigen Außentemperaturen,
Die Ka!tiuft wird vorzugsweise der Luft stromab des Kühlelements und stromauf des Heizelements entnommen, d.h. der Kaltluftbypass beginnt am Luftkanal und zweigt aus diesem Luft ab, welche zuvor am Kühlelement gekühlt wurde. Auf diese Weise weist die Kaltluft eine definierte Temperatur auf. Grundsätzlich ist es jedoch auch denkbar, die Kaltluft als Frischluft direkt aus der Umgebung des Fahrzeugs zu entnehmen. Um ein möglichst kostengünstiges Klimagerät zu erhalten, erfolgt vorzugsweise auch keine separate Kühlung der Kaltluft im Kaltluftbypass.
Bevorzugterweise wird die Kaltluft dann stromab der Mischzone direkt einem der Teilluftströme zugeführt, insbesondere demjenigen Teilstrom, welcher dann auf Brusthöhe eines potentiellen Insassen in den Fahrgastraum eingeströmt wird. In dieser Ausgestaltung mündet der Kaltluftbypass also beispielsweise in einem der Luftauslässe, welcher den entsprechenden Teilluftstrom von der Mischzone abzweigt und einer der Belüftungsebenen zuführt. In einer grundsätzlich ebenfalls geeigneten Variante wird die jedoch Kaltluft in die Mischzone eingeströmt, um auf diese Weise dort einen geschichteten Luftstrom auszubilden, welcher anschließend in mehrere Teilluftströme aufgeteilt wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Klimagerät in einem Sommerbetrieb und in einem Winterbetrieb betreibbar und weist eine Steuereinheit, auch als Controller bezeichnet, auf, die derart ausgebildet ist, dass das Kaltluftdosierelement im Sommerbetrieb vollständig geschlossen wird und lediglich im Winterbetrieb eingestellt wird, um die zusätzliche Kaltluft über den Kaltluftbypass zuzuführen. Dazu steuert die Steuereinheit insbesondere das Stellglied an, und zwar vorzugsweise in Abhängigkeit einer Klimatisierungsanforderung und/oder der Außentemperatur. Im Sommerbetrieb erfolgt dann je nach Bedarf eine Mischung von Warmluftanteil und Kühlluftanteil in der Mischzone, wobei dann jeweils ein Kühlluftanteil des Luftstroms im Luftkanal mittels des Mischluftdosierelements am Heizelement vorbeigeführt wird, während ein verbleibender Warmluftanteil erwärmt wird. Der Kaltluftbypass ist hierbei vollständig geschlossen. Eine Verwendung des Kaltluftbypass erfolgt demnach vorrangig im Winterbetrieb, um insbesondere bei maximaler Beheizung mitteis des Heizelements noch eine Temperaturdifferenz zwischen den unterschiedlichen Teilluftströmen zu erzeugen. Der Kaltluftbypass ermöglicht hierbei insbesondere quasi eine Erweiterung des Winterbetriebs derart, dass trotz vollständiger Beheizung der Luft im Luftkanal und damit einhergehendem Verlust einer Schichtung in der Mischzone noch Teilluftströme mit unterschiedlichen Temperaturen erzeugt werden.
In einer vorteilhaften Variante wird der Kaltluftbypass jedoch auch im Sommerbetrieb verwendet, d.h. es wird im Sommerbetrieb zusätzliche Kaltluft über den Kaltluft-Bypass zugeführt. In diesem Fall ist es dann möglich, eine geringere Temperatur am Heizelement einzustellen und dennoch eine vorteilhafte Temperaturdifferenz zwischen den Teilluftströmen, also z.B. dem Fußraum und der Belüftung in Brusthöhe zu erzielen. In diesem Fall wird dann insbesondere auch die Wärmepumpe mit geringerer Leistung betrieben. Durch Verwendung zusätzlicher Kaltluft im Sommerbetrieb wird somit insgesamt die Effizienz des Klimageräts verbessert.
Zweckmäßigerweise wird zur geeigneten Einstellung des Temperaturunterschieds das Kaltluftdosierelement mittels der Steuereinheit geregelt. Als Regelgröße wird beispielsweise der Temperaturunterschied verwendet oder eine vorgegebene Ausblastemperatur. Auch das Mischluftdosierelement wird zweckmäßigerweise entsprechend geregelt.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:
Fig. 1 ein Klimagerät und
Fig. 2 eine Verstellcharakteristik für Dosierelemente des Klimageräts.
In Fig. 1 ist stark schematisiert ein Klimagerät 2 dargestellt, welches zur Klimatisierung eines Fahrgastraums 4 eines nicht näher gezeigten Fahrzeugs dient. Dazu wird in mehrere Bereiche des Fahrgastraums 4 über Luftauslässe 6 jeweils ein Teifluftstrom T1 , T2, T3 eingeströmt. Diese dienen zur Klimatisierung der unterschiedlichen Bereiche, welche auch als Belüftungsebenen bezeichnet werden. So wird in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel der Teilstrom T1 entlang einer nicht näher dargestellten Windschutzscheibe des Fahrzeugs geführt, der Teil ström T2 etwa in Brusthöhe eines nicht gezeigten Insassen ausgeströmt und der Teilstrom T3 in einen Fußraum des Fahrzeugs. Zur Erhöhung des Komforts sind die Teilluftströme T1 , T2, T3 unterschiedlich temperiert, d.h. weisen unterschiedliche Temperaturen auf. Zumindest ist in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel der Teilluftstrom T2 um einige °C kühler als die beiden übrigen Teilluftströme T1 , T3. Beispielsweise soll der Teilluftstrom T3 für den Fußraum eine Temperatur von etwa 45°C aufweisen und der Teilluftstrom T2 in Brusthöhe eines Insassen lediglich etwa 35°C. Der Teilluftstrom T1 weist beispielsweise ebenfalls eine Temperatur von 45°C auf.
Zur Klimatisierung wird zunächst Luft L in das Klimagerät 2 eingeströmt oder eingezogen und passiert zunächst ein Kühlelement 8, welches zur Kühlung der Luft L dient und an einen nicht gezeigten Kältekreis des Klimageräts 8 angeschlossen ist. Stromab des Kühlelements 8 wird die Luft L durch einen Luftkanal 10 zu einem Heizelement 12 geführt, welches der Erwärmung der Luft L dient und welches hier als Heizungswärmetauscher ausgebildet ist, der an einen nicht gezeigten Kühlmittelkreislauf angeschlossen ist. In Fig. 1 ragt das Heizelement lediglich teilweise in den Luftkanal 10 hinein, sodass die Luft über zwei unterschiedliche Pfade geführt werden kann, nämlich als ein Kühlluftanteil LK am Heizelement 12 vorbei und/oder als ein Warmluftanteil LW durch das Heizelement 12 hindurch.
Die Luft L wird dabei mittels eines ischluftdosierelements 14 auf die beiden Pfade verteilt. Das Mischluftdosierelement 14 ist hier als Mischluftklappe ausgebildet, welche zugleich den Kühlluftanteil LK und den Warmluftanteil LW einstellt. Denkbar ist jedoch auch eine Ausgestaltung als zwei separate Klappen. Sowohl der Kühlluftanteil LK als auch der Warmluftanteil LW gelangen stromab des Heizelements 12 in eine Mischzone 16. Je nach Temperatur des Heizelements 12 liegt die Luft L dann hier als geschichteter Luftstrom vor oder die verschiedenen Luftanteile LK, LW vermischen sich. Im Falle einer Schichtung können in unterschiedlichen Bereichen der Mischzone 16 dann Teilluftströme T1 , T2, T3 unterschiedlicher Temperatur abgegriffen werden. Eine solche Schichtung bedingt jedoch einen hinreichend großen Temperaturunterschied zwischen dem Kühlluftanteil LK und dem Warmluftanteil LW und eine starke Erwärmung über das Heizungswärmetauscher 12, welches dann eine Temperatur von beispielsweise bis zu 80°C aufweisen muss, d.h. weit oberhalb einer eigentlich benötigten Temperatur, beispielsweise der oben erwähnten 45°C. Dies geht jedoch üblicherweise zu Lasten der Effizienz des Klimageräts 2 und insbesondere einer nicht näher gezeigten Wärmepumpe des Klimageräts 2, welche unter Anderem der Versorgung des Heizelements 12 mit Wärme dient. Diese Wärmepumpe entnimmt die zum Erwärmen verwendete Wärme beispielsweise über einen nicht gezeigten Umgebungskühler aus der Umgebung des Fahrzeugs und muss bei starker Beheizung mit besonders hoher Leistung betrieben werden, wodurch entsprechend auch die Gefahr einer Vereisung für den Umgebungskühler entsteht. Diese Gefahr ergibt sich besonders bei niedrigen Außentemperaturen, beispielsweise im Bereich von -7 bis 0°C, d.h. insbesondere im Winter.
Um das Klimagerät 2 dennoch insbesondere in einem Winterbetrieb besonders effizient zu betreiben, ist die maximale Temperatur des Heizelements 12 in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel auf etwa 50°C beschränkt. Um dann dennoch insbesondere bei einer ausbleibenden Schichtung der Luft L in der Mischzone 16 verschiedene Teilluftströme T1 , T2, T3 mit unterschiedlichen Temperaturen bereitzustellen, weist das Klimagerät 2 zusätzlich einen Kaltluftbypass 18 auf, zur Umgehung des Heizelements 12 und zur Zuführung von Kaltluft K stromab des Heizelements 12. Die Kaltluft K wird dabei in Fig. 1 der Luft L stromab des Kühlelements 8 entnommen. In der hier gezeigten Ausführungsform mündet der Kaltluftbypass 18 dann direkt in einen der Luftauslässe 6, sodass der zugehörige Teilluftstrom T2 zusätzlich gekühlt wird und entsprechend ein Temperaturunterschied gegenüber den anderen beiden Teilluftströmen T1 und T3 erzeugt wird. Dadurch wird auch bei dem hier besonders kostengünstigen, einfachen und effizienten Klimagerät 2 eine Komfortsteigerung realisiert.
Zum Einstellen der Menge an Kaltluft K, welche zugeführt wird, und somit letztendlich zum Einstellen des Temperaturunterschieds, ist im Kaltluftbypass 18 ein Kaltluftdosierelement 20 angeordnet, welches hier als eine Bypassklappe zum Öffnen und Schließen des Kaltluftbypass 18 ausgebildet ist, wobei auch Zwischenpositionen möglich sind. Üblicherweise ist das Kaltluftdosierelement 20 geschlossen, lediglich bei entsprechendem Bedarf wird zusätzliche Kaltluft K zugeführt. Mit anderen Worten: zunächst wird mittels des Mischiuftdosierelements 14 die Luft L entsprechend beeinflusst und die Temperatur und gegebenenfalls eine Schichtung in der Mischzone 16 eingestellt. Erst in solchen Fällen» in denen keine geeignete Schichtung herstellbar ist und um das Klimagerät 2 weiterhin möglichst effizient zu betreiben, wird das Kaltluftdosierelement 20 eingestellt. Dies ist hier insbesondere dann der Fall, wenn das Mischluftdosierelement 14 eine Endstellung wie in Fig. 1 gezeigt einnimmt und die gesamte Luft L über das Heizelement 12 erwärmt wird. Ein geschichteter Luftstrom in der Mischzone 16 ist dann nicht mehr möglich, sodass dann entsprechend Kaltluft K zugeführt wird, indem das Kaltluftdosierelement 20 eingestellt und der Kaltluftbypass 18 zumindest teilweise geöffnet wird.
Um das Klimagerät 2 weiterhin möglichst kostengünstig und einfach zu gestalten wird auf die separate Ansteuerung und Einstellung des Kaltluftdosierelement 20 und des Mischluftdosierelements 14, d.h. der beiden Dosierelemente 14, 20 verzichtet. Stattdessen werden beide Dosierelemente 14, 20 mittels eines gemeinsamen Stellglieds 22 eingestellt, welches insbesondere ein Aktuator ist, vorzugsweise ein Schrittmotor. Dabei sind die beiden Dosierelemente 14, 20 über das Stellglied 22 derart miteinander mechanisch gekoppelt, dass eine geschleppte Einstellung realisiert ist, bei welcher zu einem gegebenen Zeitpunkt immer lediglich eines der Dosierelemente 14, 20 eingestellt wird. Diese werden also zeitversetzt zueinander eingestellt, nämlich gerade derart, dass eine Betätigung durch das Stellglied 22 erst dann zu einer Verstellung des Kaltluftdosierelements 20 führt, wenn das Mischluftdosierelement 14 in der Endstellung ist. Die beiden Dosierelemente 14, 20 sind demnach insgesamt über eine geschleppte Kinematik miteinander verbunden [Siehe Anmerkung auf S.8]
Das Stellglied 22 ist dann derart ausgebildet, dass sich eine Ve rste 11 cha rakterist i k wie in Fig. 2 gezeigt ergibt. Die Verstellcharakteristik zeigt dabei die Stellung des jeweiligen Dosierelements 14, 20 in Abhängigkeit einer Stellung des Stellglieds 22. Die Stellung des Mischluftdosierelement 14 ist hierbei durch die beiden Kennlinien K1 , K2 dargestellt, wobei die Kennlinie K1 eine Stellung bezüglich des Warmluftanteils LW zeigt und die Kennlinie K2 eine Stellung bezüglich des Kühlluftanteils LK. Eine dritte Kennlinie K3 zeigt die Stellung des Kaltluftdosierelements 20. Dabei entspricht eine Stellung von 100% einer vollständigen Öffnung, eine Stellung von 0% entspricht einem geschlossenen Zustand. Gemäß Fig. 2 weist das Stellglied 22 zwei Arbeitsbereiche A1 , A2 auf, nämlich einen ersten Arbeitsbereich A1 , in welchem lediglich das Mischluftdosierelement 14 eingestellt wird, d.h. ein Verhältnis der Luftanteile LK, LW, welche in die Mischzone 16 einströmen, und einen zweiten Arbeitsbereich A2, in welchem lediglich das Kaltluftdosierelement 20 eingestellt wird, Dabei befindet sich das Mischluftdosierelement 14 an der Grenze zwischen den beiden Arbeitsbereichen A1 , A2 sowie über den kompletten Arbeitsbereich A2 hinaus in der Endstellung, wie besonders die Kennlinie K1 verdeutlicht. Diese Aneinanderreihung der Arbeitsbereiche AI , A2 ist ein wesentliches Merkmal der geschleppten Kinematik und der mechanischen und zeitlich versetzten Kopplung der beiden Dosierelemente 14, 20 mittels des gemeinsamen Stellglieds 22. Dabei wird deutlich, dass erst dann zusätzliche Kaltluft K über den Kaltluftbypass 18 zugeführt wird, wenn eine maximale Beheizung der Luft L vorliegt.
Das Klimagerät 2 weist weiterhin wie in Fig. 1 gezeigt eine Steuereinheit 24 auf, welche unter Anderem der Ansteuerung des Stellglieds 22 dient. Dieses wird insbesondere in Abhängigkeit einer Klimatisierungsanforderung angesteuert, welche sich beispielsweise aus einer Heiz- oder Kühlanforderung bezüglich des Fahrgastraums 4 ergibt und/oder einer Außentemperatur, welche insbesondere ein Ausdruck der Witterung ist. Je nach Klimatisierungsanforderung wird dann das Klimagerät 2 in einem Sommerbetrieb oder einem Winterbetrieb betrieben.
Bezugszeichenliste
2 Klimagerät
4 Fahrgastraum
6 Luftauslass
8 Kühlelement
10 Luftkanal
12 Heizelement
14 Mischluftdosierelement 16 Mischzone
18 Kaltluftbypass
20 Kaltluftdosierelement 22 Stellglied
24 Steuereinheit
A1 erster Arbeitsbereich A2 zweiter Arbeitsbereich
K1 , K2, K3 Kennlinie
L Luft
LK Kühlluftanteil
LW Warmluftanteil
T1 , T2, T3 Teilluftstrom

Claims

Ansprüche
1. Klimagerät (2), zur Klimatisierung eines Fahrgastraums (4), mit einem Kühlelement (8), zur Kühlung von Luft (L), mit einem Luftkanal (10) stromab des Kühlelements (8), zur Führung der Luft (L), mit einem Heizelement (12) stromab des Luftkanals (10), zur Erwärmung der Luft (L), mit einer Mischzone (16) stromab des Heizelements (12), mit mehreren Luftauslässen (6), zum Ausströmen von mehreren Teilluftströmen (T1 , T2, T3) aus der Mischzone (16) in unterschiedliche Bereiche des Fahrgastraums (4), dadurch gekennzeichnet,
dass ein zusätzlicher Kaltluftbypass (18) ausgebildet ist, der am Heizelement (12) vorbeigeführt ist, zur Zufuhr von zusätzlicher Kaltluft (K) stromab des Heizelements (12).
2. Klimagerät (2) nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
dass dieses ein Kaltluftdosierelement (20) aufweist, zum Einstellen der Menge an Kaltluft (K), die durch den Kaltluftbypass (18) zugeführt wird, und dass stromab des Kühlelements (8) ein Mischluftdosierelement (14) angeordnet ist, zum Einstellen eines Warmluftanteils (LW), welcher über das Heizelement (12) geführt ist sowie zum Einstellen eines Kühlluftanteils (LK), der am Heizelement (12) vorbeigeführt wird.
3. Klimagerät (2) nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet,
dass dieses derart ausgebildet ist, dass das Kaltluftdosierelement (20) und das Mischluftdosierelement (14) mittels lediglich eines gemeinsamen Stellglieds (14) eingestellt werden.
4. Klimagerät (2) nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (14) zwei Arbeitsbereiche (AI , A2) aufweist, nämlich einen ersten Arbeitsbereich (A1 ), in welchem das Mischluftdosierelement (14) eingestellt wird und einen zweiten Arbeitsbereich (A2), in welchem die Kaltluftdosierelement (20) eingestellt wird.
5. Klimagerät (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Kaltluftdosierelement (20) und das Mischluftdosierelement (14) mechanisch miteinander gekoppelt sind.
6. Klimagerät (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Mischluftdosierelement (14) eine Endstellung aufweist und das Kaltluftdosierelement (20) lediglich dann geöffnet und eingestellt wird, wenn das Mischluftdosierelement (14) in der Endstellung eingestellt ist.
7. Klimagerät (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Heizelement (12) lediglich teilweise in den Luftkanal (10) hineinragt.
8. Klimagerät (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Heizelement (12) die Luft (L) auf höchstens etwa 50 °C erwärmt.
9. Klimagerät (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche
dadurch gekennzeichnet,
dass der Kaltluftbypass (18) die Kaltluft (K) stromab der Mischzone (16) direkt einem der Teilluftströme (T1 , T2, T3) zuführt.
10. Klimagerät (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass dieses in einem Sommerbetrieb und in einem Winterbetrieb betreibbar ist und eine Steuereinheit (24) aufweist, die derart ausgebildet ist, dass das Kaltluftdosierelement (20) im Sommerbetrieb vollständig geschlossen wird und im Winterbetrieb eingestellt wird, um die zusätzliche Kaltluft (K) über den Kaltluftbypass (20) zuzuführen, 1. Verfahren zum Betrieb eines Klimageräts (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit welchem ein Fahrgastraum (4) klimatisiert wird, wobei diesem Luft (L) zugeführt wird, welche mittels eines Kühlelements (8) gekühlt wird, anschließend durch einen Luftkanal (10) geführt wird, anschließend mittels eines Heizelements (12) erwärmt wird, anschließend in eine Mischzone (16) geführt wird und von hier aus über mehrere Luftauslässe (6) und in mehreren Teilluftströmen (T1 , T2, T3) in unterschiedliche Bereiche des Fahrgastraums (4) eingeströmt wird, wobei zusätzliche Kaltluft (K) über einen Kaltluftbypass (18) an dem Heizelement (12) vorbeigeführt und stromab des Heizelements (12) zugeführt wird.
PCT/EP2016/074453 2015-10-21 2016-10-12 Klimagerät und verfahren zum betrieb eines solchen WO2017067832A1 (de)

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