DE102009017755B4

DE102009017755B4 - Heizungskühlmittelströmungssteuerung für ein HVAC-Modul

Info

Publication number: DE102009017755B4
Application number: DE102009017755.8A
Authority: DE
Inventors: Gregory A. Major; Edwin J. Stanke
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-04-21
Filing date: 2009-04-16
Publication date: 2020-08-13
Anticipated expiration: 2029-04-17
Also published as: DE102009017755A1; BRPI0900947A2; US8740103B2; CN101564976A; US20090261176A1

Abstract

Verfahren zum Erwärmen von Luft, die durch einen Heizungswärmetauscher (38) eines HVAC-Moduls (40) strömt, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass:(a) Luft durch einen Verdampfer (48) des HVAC-Moduls (40) strömen gelassen wird,(b) die gesamte Luft, die durch den Verdampfer (48) strömt, durch den Heizungswärmetauscher (38) für alle HVAC-Betriebsbedingungen strömen gelassen wird;(c) ein Strömungsregelventil (32) geöffnet wird, um eine Strömung von heißem Kühlmittel von einem Motor (22) in den Heizungswärmetauscher (38) zu bewirken, dadurch gekennzeichnet , dass die durch das Öffnen des Strömungsregelventils (32) bewirkte Strömung so lange dauert, bis das Kühlmittel in dem Heizungswärmetauscher (38) durch heißes Kühlmittel von dem Motor (22) ersetzt ist; wobei:(d) nach Schritt (c) das Strömungsregelventil (32) geschlossen wird, um die Strömung des heißen Kühlmittels in den Heizungswärmetauscher (38) zu stoppen, sobald das heiße Kühlmittel das Kühlmittel in dem Heizungswärmetauscher (38) ersetzt hat;(e) eine Temperatur des heißen Kühlmittels bestimmt wird; und (f) die Schritte (c) bis (e) wiederholt werden, wenn bestimmt wird, dass die Temperatur des heißen Kühlmittels auf eine vorbestimmte Temperaturschwelle abgekühlt ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum Erwärmen von Luft, die durch einen Heizungswärmetauscher eines Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungs (HVAC)-Moduls strömt.
Solch ein Verfahren ist beispielsweise aus der US 4 949 779 A bekannt geworden.
In einem herkömmlichen HVAC-Modul wird eine Lufttemperaturklappe (Mischklappe) verwendet, um die Strömung von Luft durch oder um den Heizungswärmetauscher herum zu leiten, nachdem die Luft durch den Verdampfer strömt, und eine Mischkammer ist stromabwärts des Heizungswärmetauschers angeordnet, um zuzulassen, dass die Luft durch den Heizungswärmetauscher strömt, um sich mit der Luft zu mischen, die um den Heizungswärmetauscher herum strömt. Dies lässt eine gleichmäßige Temperatur der aus dem HVAC-Modul strömenden Luft zu, indem die kühlere Luft, die um den Heizungswärmetauscher herum geströmt ist, mit der wärmeren Luft gemischt wird, die durch den Heizungswärmetauscher geströmt ist. Allerdings kann bei diesen herkömmlichen Systemen das HVAC-Modul auf Grund des für die Mischklappe und die Mischkammer benötigten Raumes größer sein als erwünscht und überdies wird das heiße Kühlmittel kontinuierlich durch den Heizungswärmetauscher gepumpt, unabhängig davon, ob dies notwendig ist oder nicht.
Bei einigen ist ein Ventil hinzugefügt, um die Strömung von Kühlmittel durch den Heizungswärmetauscher zu stoppen, wenn sie nicht notwendig ist. Bei anderen wird eine Pumpe mit einer Pulsbreitenmodulation oder einer Ein/Aus-Steuerung verwendet, um den Anteil der maximalen Kühlmittelströmung, die durch den Heizungswärmetauscher strömt, auf der Basis des aktuellen Heizungsbedarfes des HVAC-Systems zu steuern. Die Pulsbreitenmodulation ist eine lineare Strömungsregelung des strömenden Kühlmittels mit reduzierter Strömung, wenn eine reduzierte Leistung benötigt wird, und höherer Strömung, wenn eine höhere Heizleistung benötigt wird. Allerdings überwinden diese Varianten des herkömmlichen Systems noch immer nicht einige der Nachteile des herkömmlichen HVAC-Moduls.
Zusammenfassung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zum Erwärmen von Luft, die durch einen Heizungswärmetauscher eines HVAC-Moduls strömt, vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte, dass: Luft durch einen Verdampfer des HVAC-Moduls strömen gelassen wird; im Wesentlichen die gesamte Luft, die durch den Verdampfer strömt, durch einen Heizungswärmetauscher für alle HVAC-Betriebsbedingungen strömen gelassen wird; ein Ventil geöffnet wird, um eine Strömung von heißem Kühlmittel von einem Motor in den Heizungswärmetauscher zu bewirken, die so lange dauert, bis das Kühlmittel in dem Heizungswärmetauscher durch heißes Kühlmittel von dem Motor ersetzt ist; das Ventil geschlossen wird, um die Strömung des heißen Kühlmittels in den Heizungswärmetauscher zu stoppen, sobald das heiße Kühlmittel das Kühlmittel in dem Heizungswärmetauscher ersetzt hat; eine Temperatur des heißen Kühlmittels bestimmt wird; und der Heizungswärmetauscher mit heißem Kühlmittel aufgefüllt wird, wenn bestimmt wird, dass die Temperatur des heißen Kühlmittels auf eine vorbestimmte Temperaturschwelle abgekühlt ist.
Eine Ausführungsform zieht ein HVAC-System für ein Fahrzeug in Erwägung. Das HVAC-System kann ein HVAC-Modul, einen Heizungswärmetauscher-Kühlmittelkreis und ein Strömungsregelventil umfassen. Das HVAC-Modul kann ein Gebläse, einen Verdampfer stromabwärts in einem Luftstrom von dem Gebläse und einen Heizungswärmetauscher, der neben dem und stromabwärts in dem Luftstrom von dem Verdampfer angeordnet ist, wobei der Verdampfer eine Oberfläche aufweist und der Heizungswärmetauscher eine Oberfläche aufweist, die im Wesentlichen gleich der Oberfläche des Verdampfers ist, und ein HVAC-Gehäuse umfassen, welches den Verdampfer und den Heizungswärmetauscher enthält und ausgebildet ist, um den gesamten Luftstrom, der durch den Verdampfer strömt, immer durch den Heizungswärmetauscher zu leiten. Der Heizungswärmetausche-r-Kühlmittelkreis ist ausgebildet, um Kühlmittel von einem Motor zu dem Heizungswärmetauscher und zurück zu dem Motor zu leiten. Das Strömungsregelventil ist in dem Heizungswärmetauscher-Kühlmittelkreis angeordnet und ist ausgebildet, um eine Strömung des Kühlmittels in dem Heizungswärmetauscher-Kühlmittelkreis selektiv zu stoppen.
Ein Vorteil einer Ausführungsform besteht darin, dass das Steuern der periodischen Strömung von Kühlmittel in den Heizungswärmetauscher eine erwünschte Lufttemperatursteuerung zulässt, selbst wenn die gesamte Luftströmung durch den Verdampfer auch durch den Heizungswärmetauscher strömt. Dies gestattet die Beseitigung einer Mischklappe. Das schnelle Fluten und Stoppen einer Strömung erzeugt auch eine relativ gleichmäßige Temperatur über die Fläche des Heizungswärmetauschers hinweg, wodurch die Notwendigkeit einer Mischkammer stromabwärts des Heizungswärmetauschers beseitigt wird. Die Beseitigung einer Mischklappe und einer Mischkammer reduziert die Größe und vereinfacht die Unterbringung des HVAC-Moduls in einem Fahrzeug. Dies kann besonders vorteilhaft in kleinen Kraftfahrzeugen sein, die minimalen Raum für das HVAC-Modul aufweisen.
Figurenliste

Die 1 ist eine schematische Veranschaulichung eines Fahrzeuges und eines HVAC-Systems für das Fahrzeug.

Detaillierte Beschreibung
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Fahrzeug gezeigt, das allgemein mit 10 bezeichnet ist. Das Fahrzeug 10 umfasst einen Motorraum 12 und einen Fahrgastraum 14. Innerhalb der Räume 12, 14 befinden sich ein Motorkühlsystem 16 und ein Heizungs-, Lüftungs- und Klimatisierungs (HVAC)-System 18.
Das Motorkühlsystem 16 umfasst eine Wasserpumpe 20, die Wasser durch einen Motor 22 und weitere Abschnitte des Motorkühlsystems 16 drückt. Diese Wasserpumpe 20 kann durch den Motor 22 angetrieben sein. Ein Kühler 24 und ein Ventilator 26 werden auf eine herkömmliche Weise verwendet, um Wärme aus dem Motorkühlmittel zu entfernen. Ein Thermostat 28 wird auf eine herkömmliche Weise verwendet, um die Strömung von Kühlmittel durch den Kühler 24 selektiv zu sperren, wenn sich das Kühlmittel unterhalb einer gewünschten Betriebstemperatur befindet.
Ein Heizungswärmetauscher-Auslass 30 aus dem Motor 22 leitet Kühlmittel zu einem Einlass 33 einer elektrischen Strömungsregelpumpe 34. Die Strömungsregelpumpe 34 ist optional, abhängig von dem speziellen Fahrzeug, in dem das HVAC-System 18 verwendet wird. Zum Beispiel kann die Strömungsregelpumpe 34 als eine zusätzliche Pumpe benötigt werden, wenn die durch den Motor angetriebene Wasserpumpe 20 keine ausreichende Strömung erzeugt, um einen Heizungswärmetauscher 38 schnell genug mit heißem Kühlmittel zu füllen (wie unten stehend erläutert). Ein Auslass 37 der Strömungsregelpumpe 34 leitet Fluid zu einem elektronisch gesteuerten Strömungsregelventil 32. Ein Controller 36 ist mit der Strömungsregelpumpe 34 und dem Strömungsregelventil 32 verbunden und steuert den Betrieb derselben. Dieser Controller 36 kann separat sein oder kann in einem anderen Controller wie z. B. einem HVAC-Controller integriert sein. Das Ventil ist ein Ein/Aus (Offen/Geschlossen)-Ventil, welches selektiv die Strömung von Kühlmittel in den Heizungswärmetauscher 38 zulässt, der in einem HVAC-Modul 40 angeordnet ist. Eine Kühlmittelleitung 42 leitet Kühlmittel von dem Heizungswärmetauscher 38 zu einem Einlass der Wasserpumpe 20, die einen Heizungswärmetauscher-Kühlmittelkreis 50 vervollständigt. Die in 1 gezeigten Strichlinien repräsentieren Kühlmittelleitungen, durch die Motorkühlmittel strömt.
Das HVAC-System 18 umfasst das HVAC-Modul 40, innerhalb dessen ein Gebläse 44 angeordnet ist, um Luft durch einen Lufteinlass 46 anzusaugen und diese durch einen Verdampfer 48 zu leiten. Stromabwärts des Verdampfers 48 befindet sich der Heizungswärmetauscher 38. Der Heizungswärmetauscher 38 besitzt eine Oberfläche, die im Wesentlichen gleich der Oberfläche des Verdampfers 48 ist, wobei sich der Heizungswärmetauscher 38 vorzugsweise unmittelbar stromabwärts des Verdampfers 48 befindet. Ein HVAC-Gehäuse 41 ist geformt, um die gesamte Luft, die durch den Verdampfer 48 strömt, ohne eine Heizungswärmetauscher-Umgehungsströmung durch den Heizungswärmetauscher 38 zu leiten. Diese Anordnung kann verwendet werden, da keine Temperaturmischklappe benötigt wird. Überdies kann die Mischkammer stromabwärts des Heizungswärmetauschers 38 beseitigt werden, da die gesamte Luft, die durch den Verdampfer 48 strömt, auch durch den Heizungswärmetauscher 38 strömt. Die Beseitigung des Raumes, der für eine Mischklappe und eine Mischkammer notwendig ist, gestattet es, dass das HVAC-Modul 40 kleiner ist und minimiert daher den Unterbringungsraum. Das HVAC-Modul 40 kann auch eine/n Defrosterauslass und -klappe 52, eine/n Bodenauslass und -klappe 54 und eine/n Armaturenbrettauslass und -klappe 56 umfassen, die Luft in verschiedene Abschnitte des Fahrgastraumes 14 leiten.
Ein Kältemittelabschnitt 58 des HVAC-Systems 18 kann den Verdampfer 48, ein thermisches Expansionsventil 60, einen Kältemittelverdichter 62 und einen Kondensator 64 umfassen, die auf eine herkömmliche Weise über Kältemittelleitungen 66 miteinander verbunden sind. Der Kältemittelverdichter 62 kann durch den Motor 22 auf eine herkömmliche Weise oder, falls erwünscht, durch einen Elektromotor angetrieben sein. Die in 1 gezeigten Strichpunktlinien repräsentieren Kältemittelleitungen, durch die Kältemittel strömt.
Das Füllen des Kältemittelabschnitts 58 mit Kältemittel und des Motorkühlsystems 16 mit Kühlmittel kann auf eine herkömmliche Weise bewerkstelligt werden.
Nunmehr wird der Betrieb des HVAC-Systems 18 erläutert. In dem HVAC-Modul 40 strömt im Wesentlichen die gesamte Luft, die durch den Verdampfer 48 strömt, auch durch den Heizungswärmetauscher 38, sodass eine periodische Strömungsregelung des Heizungswärmetauschers 38 - d. h., die Steuerung der periodischen Strömung von heißem Kühlmittel in den Heizungswärmetauscher 38 - ein wesentlicher Faktor bei der Steuerung der HVAC-Modul-Auslasslufttemperatur ist.
In Situationen mit hohem Wärmebedarf wird der Controller 36, nachdem das Kühlmittel durch den Motor 22 erwärmt worden ist, das Strömungsregelventil 32 öffnen. Der Controller 36 steuert das Strömungsregelventil 32, um die Menge an Kühlmittelströmung zu regeln - eine größere Gesamtströmung für mehr Wärmeübertragung von dem Heizungswärmetauscher und eine geringere Strömung, um die Wärmeübertragung von dem Heizungswärmetauscher zu reduzieren. Es wird auch das Gebläse 44 betrieben, um Luft durch den Heizungswärmetauscher 38 zu blasen. Wenn eine zusätzliche Kühlmittelströmung benötigt wird, um dem hohen Wärmebedarf gerecht zu werden, wird die Strömungsregelpumpe 34, falls damit ausgestattet, eingeschaltet, um dadurch die Wärmeübertragung in den Fahrgastraum 14 zu maximieren.
Bei geringen Heizungsbelastungen, wie z. B. nachdem ein Fahrgastraum 14 bereits aufgewärmt wurde, oder in einem Klimatisierungsmodus, wenn der Kältemittelverdichter 62 läuft und gekühlte Luft, die aus dem Verdampfer 48 strömt, etwas erwärmt werden soll, wird der Controller 36 das Strömungsregelventil 32 öffnen und den Heizungswärmetauscher 38 schnell mit heißem Kühlmittel fluten. Sobald eine ausreichende Strömung stattgefunden hat, um das Kühlmittel in dem Heizungswärmetauscher 38 durch das heiße Kühlmittel zu ersetzen, wird der Controller 36 die Strömungsregelpumpe 34 (falls diese in Betrieb ist) stoppen und das Strömungsregelventil 32 schließen, um die Strömung von Kühlmittel in den Heizungswärmetauscher 38 zu stoppen. Das Gebläse 44 wird betrieben, um Luft durch den Verdampfer 48 und dann durch den Heizungswärmetauscher 38 zu blasen, wo sie Wärme aufnimmt, bevor sie durch eine oder mehrere der Entlüftungsöffnungen 52, 54, 56 nach außen gedrückt wird. Nach dem Abfallen auf eine vorbestimmte Temperatur, die eine Heizungswärmetauscher-Rippentemperatur, eine Temperaturmessung von Kühlmittel in dem Heizungswärmetauscher 38 selbst oder ein anderer Indikator der Temperatur des Kühlmittels in dem Heizungswärmetauscher 38 (z. B. eine abgeschätzte Temperatur auf der Basis einer Gebläsedrehzahl, Umgebungslufttemperatur und Zeit) sein kann, wird der Controller 36 das Ventil 32 wieder öffnen und die Pumpe 34 aktivieren und den Heizungswärmetauscher 38 mit einer weiteren Charge von heißem Kühlmittel aus dem Motor 22 fluten. Danach wird die Pumpe 34 wieder stoppen und das Ventil 32 wird geschlossen werden. Dieser Vorgang wird dann wiederholt, um die für den Fahrzeug-Fahrgastraum 14 benötigte Wärme bereitzustellen. Die Gebläsedrehzahl oder andere Parameter des HVAC-Moduls 40 können derart eingestellt sein, dass die anfängliche höhere Temperatur des Kühlmittels berücksichtigt wird, wenn eine neue Charge an den Heizungswärmetauscher 38 geliefert wird.
Dieses schnelle Fluten und Stoppen der Kühlmittelströmung kann eine relativ gleichmäßige Temperatur über die Fläche des Heizungswärmetauschers 38 hinweg erzeugen, wobei sich die Temperatur über der gesamten Fläche des Heizungswärmetauschers 38 relativ gleichmäßig ändert, wenn die Wärmeenergie an die Luft übertragen wird. Somit ist die Notwendigkeit irgendeiner Mischkammer stromabwärts des Heizungswärmetauschers 38 beseitigt.

Claims

Verfahren zum Erwärmen von Luft, die durch einen Heizungswärmetauscher (38) eines HVAC-Moduls (40) strömt, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, dass: (a) Luft durch einen Verdampfer (48) des HVAC-Moduls (40) strömen gelassen wird, (b) die gesamte Luft, die durch den Verdampfer (48) strömt, durch den Heizungswärmetauscher (38) für alle HVAC-Betriebsbedingungen strömen gelassen wird; (c) ein Strömungsregelventil (32) geöffnet wird, um eine Strömung von heißem Kühlmittel von einem Motor (22) in den Heizungswärmetauscher (38) zu bewirken, dadurch gekennzeichnet , dass die durch das Öffnen des Strömungsregelventils (32) bewirkte Strömung so lange dauert, bis das Kühlmittel in dem Heizungswärmetauscher (38) durch heißes Kühlmittel von dem Motor (22) ersetzt ist; wobei: (d) nach Schritt (c) das Strömungsregelventil (32) geschlossen wird, um die Strömung des heißen Kühlmittels in den Heizungswärmetauscher (38) zu stoppen, sobald das heiße Kühlmittel das Kühlmittel in dem Heizungswärmetauscher (38) ersetzt hat; (e) eine Temperatur des heißen Kühlmittels bestimmt wird; und (f) die Schritte (c) bis (e) wiederholt werden, wenn bestimmt wird, dass die Temperatur des heißen Kühlmittels auf eine vorbestimmte Temperaturschwelle abgekühlt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (c) ferner dadurch definiert ist, dass eine Strömungsregelpumpe (34) aktiviert wird, wenn das Strömungsregelventil (32) geöffnet wird, und wobei der Schritt (d) ferner dadurch definiert ist, dass die Strömungsregelpumpe (34) gestoppt wird, wenn das Strömungsregelventil (32) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (e) ferner dadurch definiert ist, dass eine Rippentemperatur an dem Heizungswärmetauscher (38) gemessen wird, um die Temperatur des heißen Kühlmittels zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt (e) ferner dadurch definiert ist, dass die Temperatur des heißen Kühlmittels bestimmt wird, indem die Temperatur des heißen Kühlmittels auf der Basis einer Drehzahl eines Gebläses (44), einer Umgebungslufttemperatur und einer Zeitdauer, in der das heiße Kühlmittel in den Heizungswärmetauscher (38) geströmt ist, abgeschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schritte (a) und (b) ferner dadurch definiert sind, dass eine Oberfläche des Heizungswärmetauschers (38) im Wesentlichen gleich einer Oberfläche des Verdampfers (48) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, welches umfasst, dass ein Kältemittelverdichter (62) betrieben wird und ein gekühltes Kältemittel durch den Verdampfer (48) strömen gelassen wird.