DE102007063251B4

DE102007063251B4 - Heiz- und/ oder Klimaanlage mit Peltiertechnik für ein Kraftfahrzeug und Verfahren hierzu

Info

Publication number: DE102007063251B4
Application number: DE102007063251.9A
Authority: DE
Inventors: Helmut Walter; Christof Böttcher
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2007-12-31
Filing date: 2007-12-31
Publication date: 2022-06-02
Anticipated expiration: 2028-01-01
Also published as: DE102007063251A1

Abstract

Heiz- und/ oder Klimaanlage mit Peltiertechnik für ein Kraftfahrzeug, mit einem Klimagerät (5), mit dem Frischluft (FL) aus der Umgebung und/ oder Umluft (UL) aus dem Fahrzeuginnenraum als zu konditionierende Luft angesaugt, diese über einen Verdampfer (4) des Klimagerätes (5) als Innenwärmeaustauscher und einen von Kühlflüssigkeit eines Kühlflüssigkeitskreislaufs des Fahrzeugmotors (M) durchströmten Heizungswärmeaustauscher (7) geblasen und konditioniert in den Fahrzeuginnenraum ausgeblasen wird, dadurch gekennzeichnet, dass in den Heizungswärmeaustauscher (7) wenigstens ein Peltierelement (14) integriert ist, dessen erste Seite (14.1) mit Wärmeaustauschwänden, nämlich denjenigen Wänden , an denen der Wärmeaustausch mit der zu konditionierenden Luft erfolgt, verbunden ist und dessen zweite Seite (14.2) an einen „Waste“-Fluidkreislauf (9) mit einem „Waste“-Wärmeaustauscher (10) als Außenwärmeaustauscher angeschlossen ist, und dass das Peltierelement (14) bei entsprechender elektrischer Polung die Wärmeaustauschwände des Heizungswärmeaustauschers (7) erwärmt oder kühlt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Heiz- und/ oder Klimaanlage mit Peltiertechnik für ein Kraftfahrzeug, die bei Fahrtantritt insbesondere effizient zu heizen und zu kühlen vermag.
Moderne Antriebe produzieren aufgrund ihres hohen internen Wirkungsgrades nur wenig Abwärme, was zu langen Vorlaufzeiten für eine Heizung bei Fahrtantrieb führt. Abhilfe schafft eine Kraftstoffzuheizung oder eine PTC-Element-Zuheizung. Kraftstoffzuheizer zeigen eine gute Energiebilanz, weil zu deren Antrieb Primärenergie eingesetzt werden kann. Allerdings sind diese teuer und daher mit höheren Investitionen verbunden. Weniger kostenintensiv sind dagegen die PTC-Elemente, die aber mit Sekundärenergie (elektrischer Strom) betrieben werden und deswegen eine schlechtere Energiebilzanz zeigen, da die Erzeugung des Stromes verlustbehaftet ist. Eine Heiz- und Klimaanlage für ein Brennstoffzellenkraftfahrzeug mit PTC-Zuheizer ist aus der DE 199 27 518 A1 bekannt. Über den Verdampfer eines Klimagerätes geleitete Kaltluft und über einen Wärmetauscher eines Brennstoffzellen-Kühlkreises sowie den PTC-Zuheizer geleitete Warmluft werden bedarfsweise in gesonderten Luftströmen in die Fahrgastzelle geleitet. Der PTC-Zuheizer ist als gesonderter Luft-Wärmeaustauscher ausgebildet, was als bauraumtechnisch nachteilig anzusehen ist.
Die DE 10 2006 025 320 A1 offenbart einen Flachrohr-Wärmetauscher, dessen Rohre mit einem PTC-Element als Zusatzheizer ausgestattet sind.
Eine Alternative zu den vorstehend genannten Zuheizungen ist der Einsatz der Thermoelektrik in Form von Peltiertechnik. Obwohl bei dieser auch elektrischer Strom als Energieträger eingesetzt wird, ist eine deutlich höhere Leistungszahl (COP = Coefficient of Performance) möglich, die das Verhältnis von erzielter Heiz- oder Kälteleistung zu der dazu aufgewendeten Leistung beschreibt. Ein PTC-Widerstand hat eine maximale Leistungszahl von 1, wohingegen mit der Peltiertechnik eine Leistungszahl von 2 bis 5 erzielt werden kann. Allerdings sind zur Realisierung einer solch hohen Leistungszahl relativ große Bauräume erforderlich, da zwar die Flüssigkeitsseite des erforderlichen Peltierelement-Wärmeaustauschers kompakt ist, aber die Luftseite eine sehr große Lamellen-Oberfläche erfordert. Dieses führt zu Problemen bei der Integration des Wärmeaustauschers in ein konventionelles Klimagerät.
Aus der DE 10 2006 001 304 A1 ist eine Klimatisierungsvorrichtung bekannt, die ein Peltier-Element als als Heiz- bzw. Kühleinheit einsetzt. Seine erste Seite ist mittels eines eigenen Luft-Wärmeaustauschers mit der Luft in der Fahrzgastzelle gekoppelt, um diese bedarfsgerecht zu klimatisieren. Seine zweite Seite ist zur effizienten Abfuhr von dabei anfallender Wärme (im Kühlfall) bzw. Kälte (im Heizfall) mit einem Kühlmittelkreis gekoppelt, der seinerseits einen gesonderten Kühlmittel/Luft-Wärmeaustauscher mit einem von der Fahrgastzelle zur Umgebung führenden Abluftkanal aufweist. Insbesondere aufgrund der benötigten zwei zusätzlichen Wärmeaustauscher ist diese Gestaltung bauraumtechnisch ungünstig.
Die WO 97/22 486 A1 offenbart eine Klimatisierungsvorrichtung mit drei schaltbaren Kühlmittelkreisen, deren erster ein Heizkreis ist, der Abwärme eines Verbrennungsmotors zur Wärmezufuhr an einen luftseitig mit der Fahrgastzelle verbundenen Luft/Kühlmittel-Wärmetauscher leitet. Alternativ kann ein zweiter, als Kühlkreis gestalteter Kühlmittelkreis kühlmittelseitig mit dem Luft/Kühlmittel-Wärmetauscher verbunden werden. Dieser durchläuft einen Kühlmittel/Kühlmittel-Wärmetauscher mit integriertem Peltier-Element, der thermisch mit dem der Wärme-Abfuhr dienenden dritten Kühlmittelkreis verbunden ist.
Bei einer Heiz- und/ oder Klimaanlage nach der DE 198 29 440 A1 ist in dem zum Luftaustritt führenden Kanal die zweite Seite eines Peltierelement-Wärmetauschers angeordnet, dessen erste Seite in einem Umluft-Ansaug-Kanal angeordnet ist. Der Peltierelement-Wärmetauscher ist bevorzugt stromauf eines im Heiz-/ Klimagerät des Fahrzeugs angeordneten Verdampfers einer Klimaanlage angeordnet, dem in üblicher Weise ein Heizungs-Wärmetauscher nachgeschaltet ist, um die Klimatisierungsluft in gewünschter Weise zu temperieren. Dabei dient der Peltierelement-Wärmetauscher als Zusatzheizer, wenn die Heizleistung des HeizungsWärmetauschers nicht ausreicht, um die Klimatisierungsluft auf die gewünschte Temperatur zu erwärmen. Der Platzbedarf für diese Heiz- und/ oder Klimaanlage ist durch die Einbindung des Peltierelement-Wärmeaustauschers nach dem Verdampfer entsprechend groß.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Heiz- und/ oder Klimaanlage mit Peltiertechnik für ein Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 kompakt und so zu gestalten, dass diese besonders bauraumgünstig den Fahrzeuginnenraum bei Fahrtantritt effizient heizen, aber auch kühlen kann.
Diese Aufgabe wird bei einer Heiz- und/ oder Klimaanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Die Erfindung betrifft eine Heiz- und/ oder Klimaanlage mit Peltiertechnik für ein Kraftfahrzeug, die ein Klimagerät mit dem Verdampfer der Klimaanlage als Innenwärmetauscher und einen diesem nachgeschalteten und von Motorkühlflüssigkeit durchströmten Heizungswärmetauscher zur Konditionierung der in den Fahrzeuginnenraum zu blasenden Luft aufweist. Gemäß der Erfindung ist in den Heizungswärmetauscher wenigstens ein Peltierelement integriert. Dessen erste Seite ist mit den Wärmeaustausch-Wänden des Heizungswärmetauschers verbunden, d.h. mit denjenigen Wänden, an denen der Wärmeaustausch mit der zu konditionierenden Luft erfolgt, und dessen zweite Seite mit einem „Waste“-Fluidkreislauf, über den die an dieser Seite erzeugte Kälte oder Wärme abgeführt und vermittels eines „Waste“-Wärmeaustauschers als Außenwärmeaustauscher an die Umgebung abgegeben wird. Das Peltierelement kann in Abhängigkeit von dessen elektrischer Polung die Wärmeaustausch-Wände des Heizungswärmeaustauschers erwärmen oder kühlen und auf diese Weise als Zuheizer oder Kühler dienen.
Wird der Heizungswärmeaustauscher von der Motorkühlflüssigkeit durchströmt, und ist die erste Seite des Peltierelementes auf Erwärmung gepolt, werden die Wärmeaustauschwände, die durch die Motorkühlflüssigkeit erwärmt werden, zusätzlich erwärmt, so dass das Peltierelement als Zuheizer arbeitet. Die auf dessen Rückseite (zweite Seite) erzeugte Kälte wird über den „Waste“-Kreislauf und den Außenwärmeaustauscher an die Umgebung abgeführt. Insbesondere in der Startphase des Fahrzeugmotors mit einer längeren Vorlaufzeit für eine für eine spürbare Heizung macht sich die Zuheizung vorteilhaft bemerkbar.
Zudem kann der Motorkühlkreislauf mit einem Sperrventil versehen sein, über das dieser für den Heizungswärmeaustauscher unterbrochen werden kann. Wird der Motorkühlkreislauf unterbrochen, so dass der Heizungswärmeaustauscher nicht von der Motorkühlflüssigkeit durchströmt wird, und ist die erste Seite des Peltierelementes auf Kühlen gepolt, arbeiten dieses und der gesamte Heizungswärmeaustauscher als Kühler. Die auf der zweiten Seite der Peltierelemente erzeugte Wärme wird über den „Waste“-Kreislauf abgeführt.
Auf diese Weise kann der Fahrzeuginnenraum bei Fahrtantritt effizient geheizt, aber auch gekühlt werden. Das mit dem vorbeschriebenen Heizungswärmeaustauscher ausgestattete Klimagerät ist kompakt und benötigt nur unwesentlich mehr Bauraum als ein konventionelles Klimagerät. Es ist auch denkbar, dass das Klimagerät durch die separat betreibbaren Peltierelemente des Heizungswärmeaustauschers, der auch als kombinierter Wärmeaustauscher bezeichnet werden kann, für eine einfache Standklimatisierung vor Fahrtantritt verwendet werden kann.
Der Heizungswärmeaustauscher kann ein Rohr-Lamellen-Wärmeaustauscher mit wenigstens einem kühlflüssigkeitsführenden Rohr sein, das mit Wärmeaustausch-Lamellen als Wärmeaustauschwände besetzt ist, bei dem die Lamellen auf der dem Rohr abgewandten Seite mit der ersten Seite des Peltierelementes verbunden sind. Dessen zweite Seite ist wärmeübertragend an einen Fluidkanal zum Abführen der erzeugten Kälte oder Wärme angeschlossen. Vorteilhaft sind das Rohr und der Fluidkanal als mäanderförmige Rohrschlangen ausgebildet und dabei versetzt zueinander angeordnet. Es sind mehrere Peltierelemente am mäanderförmigen Fluidkanal angeordnet, wobei deren zweite Seite den Fluidkanal umschließt. Dadurch ergibt sich eine dichte Lamellenpackung mit einer großen wärmeaustauschenden Oberfläche.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen schematisch:

1: eine Heiz- und/ oder Klimaanlage mit im Heizungswärmeaustauscher angeordneten Peltierelementen,
2: den Aufbau des Heizungswärmeaustauschers,
3: den wärmetechnischen Aufbau des Heizungswärmeaustauschers in einem Ausschnitt und
4: eine Draufsicht auf den Heizungswärmeaustauscher.

Die in 1 gezeigte Klimaanlage umfasst als Hauptbestandteile einen vom Fahrzeugmotor M angetriebenen (Kältemittel-) Kompressor 1, einen Kondensator 2, ein Expansionsorgan 3 und einen Verdampfer 4. Der Verdampfer 4 ist als Innenwärmetauscher in einem Klimagerät 5 angeordnet, in dem diesem ein Gebläse 6 für Frischluft FL aus der Umgebung und/ oder Umluft UL aus dem Fahrzeuginnenraum vorgeschaltet und über eine Temperaturregelklappe TKI ein von der Kühlflüssigkeit des Fahrzeugmotors M durchströmter Heizungswärmeaustauscher 7 nachgeschaltet sind. Stromab des Heizungswärmeaustauschers 7 sind Luftausströmer 8 angeordnet, über die die durch den Verdampfer 4 und diesen (7) konditionierte Luft KL in den Fahrzeuginnenraum geblasen wird. Im Heizungswärmeaustauscher 7 ist des Weiteren ein „Waste“- Fluidkreislauf 9 ausgebildet, der außerhalb desselben an einen „Waste“-Wärmeaustauscher 10 als Außenwärmeaustauscher angeschlossen ist.
In 2 ist der Aufbau des Heizungswärmeaustauschers 7 dargestellt. Dieser weist einen Lamellenblock 11 aus Aluminium auf, an dessen Lamellen 12 die im Heizungswärmeaustauscher 7 zu temperierende Luft KL vorbeigeblasen wird. Die einzelnen Lamellen 12 sind mit einer die Motorkühlflüssigkeit führenden mäanderförmigen Rohrschlange 13 und mit Peltierelementen 14 wärmeübertragend verbunden, wobei die Peltierelemente 14 im Bereich des Lamellenblocks 11 einem mäanderförmig ausgebildeten „Waste“-Fluidkanal 15 wärmeübertragend umgeben, der den „Waste“- Fluidkreislauf 9 im Heizungswärmeaustauscher 7 ausbildet. 2 zeigt, dass die Rohrschlange 13 und der „Waste“-Fluidkanal 15 versetzt zueinander angeordnet, und 3, dass diese dabei voneinander beabstandet sind.
In 4 ist zu erkennen, dass die Peltierelemente 14 mit ihrer ersten Seite 14.1, die dem „Waste“-Fluidkanal 15 abgewandt ist, mit den Lamellen 12 wärmeübertragend verbunden sind, an denen der Wärmeaustausch mit der zu temperierenden Luft KL erfolgt, und dass diese (14) mit ihrer zweiten Seite 14.2 an den „Waste“-Fluidkanal 15 wärmeübertragend angeschlossen sind.
Wenn die Peltierelemente 14 so geschaltet sind, dass deren erste Seite 14.1 erwärmt wird, so werden die Lamellen 12 erwärmt, und die auf der zweiten Seite 14.2 erzeugte Kälte über den „Waste“-Wärmeaustauscher 10 an die Umgebung abgeführt. Die Erwärmung der Lamellen 12 kann zusätzlich zu der durch die Motorflüssigkeit erfolgenden Erwärmung (Rohrschlange 13) erfolgen, so dass bei Fahrtantritt eine schnellere Erwärmung der konditionierten Luft KL zu verzeichnen ist. Werden die Peltierelemente 14 so geschaltet, dass deren erste Seite 14.1 gekühlt wird, so werden die Lamellen 12 und damit der Lamellenblock 11 abgekühlt, und es kann bei Motorstillstand oder bei Sperren des Motorkühlflüssigkeitskreislaufs für den Heizungswärmeaustauscher durch ein Sperrventil 16 eine Abkühlung des Lamellenblockes 11 vorgenommen werden. Die an der zweiten Seite 14.2 erzeugte Wärme wird über den „Waste“-Wärmeaustauscher 10 an die Umgebung abgeführt.
Bezugszeichenliste

1: Kompressor
2: Kondensator
3: Expansionsorgan
4: Verdampfer
5: Klimagerät
6: Gebläse
7: Heizungswärmeaustauscher
8: Luftausströmer
9: „Waste“-Fluidkreislauf
10: „Waste“-Wärmeaustauscher
11: Lamellenblock
12: Lamellen
13: Rohrschlange, Rohr
14: Peltierelemente
14.1: erste Seite eines Peltierelementes
14.2: zweite Seite eines Peltierelementes
15: „Waste“-Fluidkanal
16: Sperrventil
FL: Frischluft
KL: konditionierte/ temperierte Luft
M: Fahrzeugmotor
TKI: Temperaturregelklappe
UL: Umluft

Claims

Heiz- und/ oder Klimaanlage mit Peltiertechnik für ein Kraftfahrzeug, mit einem Klimagerät (5), mit dem Frischluft (FL) aus der Umgebung und/ oder Umluft (UL) aus dem Fahrzeuginnenraum als zu konditionierende Luft angesaugt, diese über einen Verdampfer (4) des Klimagerätes (5) als Innenwärmeaustauscher und einen von Kühlflüssigkeit eines Kühlflüssigkeitskreislaufs des Fahrzeugmotors (M) durchströmten Heizungswärmeaustauscher (7) geblasen und konditioniert in den Fahrzeuginnenraum ausgeblasen wird, dadurch gekennzeichnet, dass in den Heizungswärmeaustauscher (7) wenigstens ein Peltierelement (14) integriert ist, dessen erste Seite (14.1) mit Wärmeaustauschwänden, nämlich denjenigen Wänden , an denen der Wärmeaustausch mit der zu konditionierenden Luft erfolgt, verbunden ist und dessen zweite Seite (14.2) an einen „Waste“-Fluidkreislauf (9) mit einem „Waste“-Wärmeaustauscher (10) als Außenwärmeaustauscher angeschlossen ist, und dass das Peltierelement (14) bei entsprechender elektrischer Polung die Wärmeaustauschwände des Heizungswärmeaustauschers (7) erwärmt oder kühlt.
Heiz- und/ oder Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlflüssigkeitskreislauf des Fahrzeugmotors (M) ein Sperrventil (16) für den Heizungswärmeaustauscher (7) angeordnet ist.
Heiz- und/ oder Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizungswärmeaustauscher (7) ein Rohr-Lamellen-Wärmeaustauscher mit wenigstens einem kühlflüssigkeitsführenden Rohr (13) ist, das mit dem Wärmeaustausch dienenden Lamellen (12) besetzt ist, und dass die Lamellen (12) auf der dem Rohr (13) abgewandten Seite mit einer ersten Seite (14.1) des Peltierelementes (14) verbunden ist, dessen zweite Seite (14.2) an einen „Waste“-Fluidkanal (15) angeschlossen ist.
Heiz- und/ oder Klimaanlage nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr und der „Waste“-Fluidkanal (15) als mäanderförmige Rohrschlangen ausgebildet und dabei versetzt zueinander angeordnet sind, und dass am „Waste“-Fluidkanal (15) mehrere mit den Lamellen (12) verbundene Peltierelemente (14) angeordnet sind.
Heizungswärmeaustauscher (7) für ein Klimagerät in einem Kraftfahrzeug, der von Kühlflüssigkeit eines Kühlflüssigkeitskreislaufs des Fahrzeugmotors (M) durchströmt wird und in dem von einem Innenwärmetauscher gekühlte Frischluft aus der Umgebung und/ oder Umluft aus dem Fahrzeuginnenraum als zu konditionierende Luft temperiert und in den Fahrzeuginnenraum geblasen wird, dadurch gekennzeichnet, dass in diesen wenigstens ein Peltierelement (14) integriert ist, dessen erste Seite (14.1) mit Wärmeaustauschwänden, nämlich mit denjenigen Wänden , an denen der Wärmeaustausch mit der zu konditionierenden Luft (KL) erfolgt, verbunden ist und dessen zweite Seite (14.2) an einen „Waste“-Fluidkreislauf (9) mit einem „Waste“-Wärmeaustauscher (10) als Außenwärmeaustauscher angeschlossen ist, und dass das Peltierelement (14) bei entsprechender elektrischer Polung die Wärmeaustauschwände des Heizungswärmeaustauschers (7) erwärmt oder kühlt.
Verfahren zum Betreiben einer Heiz- und/ oder Klimaanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das in den Heizungswärmeaustauscher (7) integrierte wenigstens eine Peltierelement (14) so geschaltet ist, dass seine erste Seite (14.1) erwärmt wird, sodass der Heizungswärmeaustauscher (7) entweder als Standheizer oder bei laufendem Fahrzeugmotor (M) als Zuheizer verwendet wird.
Verfahren zum Betreiben einer Heiz- und/ oder Klimaanlage nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das in den Heizungswärmeaustauscher (7) integrierte wenigstens eine Peltierelement (14) so geschaltet ist, dass seine erste Seite (14.1) gekühlt wird, sodass der Heizungswärmeaustauscher (7) als Kühler für die in den Fahrzeuginnenraum zu blasende Luft (KL) verwendet wird, nämlich entweder als Standklimaanlage oder bei laufendem Fahrzeugmotor (M) als Zusatzklimaanlage.