DE10233414B4

DE10233414B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Heizen und Kühlen eines Fahrzeuginnenraums

Info

Publication number: DE10233414B4
Application number: DE10233414A
Authority: DE
Inventors: Steffen Korfmann; Thomas Karbach; Frank Färber
Original assignee: Webasto SE
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 2002-07-23
Filing date: 2002-07-23
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2022-07-24
Also published as: DE10233414A1

Abstract

Vorrichtung zum Heizen und Kühlen eines Innenraums eines Fahrzeugs mit
– einem Heizungswärmetauscher (10), der mit einem Heizungssystem des Fahrzeugs verbunden ist,
– einem Kühlwärmetauscher (12), der mit Mitteln zum Abführen von Wärme verbunden ist,
– einem mit einem Kältekreis verbundenen Verdampfer (16) und
– einem Gebläse (14) zum Fördern von zu erwärmender beziehungsweise zu kühlender Luft durch den Verdampfer (16) und durch den Heizungswärmetauscher (10) beziehungsweise durch den Kühlwärmetauscher (12),
– wobei der Verdampfer (16) eine erste Ebene definiert, die zu einer Lufteintrittsebene in dem Verdampfer (16) und einer hierzu im Wesentlichen parallelen Luftaustrittsebene aus dem Verdampfer (16) im Wesentlichen parallel ist,
– wobei der Kühlwärmetauscher (12) eine zweite Ebene definiert, die zu einer Lufteintrittsebene in den Kühlwärmetauscher (12) und einer hierzu im Wesentlichen parallelen Luftaustrittsebene aus dem Kühlwärmetauscher (12) im Wesentlichen parallel ist, und
– wobei der Heizungswärmetauscher (10), der...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Heizen und Kühlen eines Innenraums eines Fahrzeugs mit einem Heizungswärmetauscher, der mit einem Heizungssystem des Fahrzeugs verbunden ist, einem Kühlwärmetauscher, der mit Mitteln zum Abführen von Wärme verbunden ist, einem mit einem Kältekreis verbundenen Verdampfer und einem Gebläse zum Fördern von zu erwärmender beziehungsweise zu kühlender Luft durch den Verdampfer und durch den Heizungswärmetauscher beziehungsweise durch den Kühlwärmetauscher, wobei der Verdampfer eine erste Ebene definiert, die zu einer Lufteintrittsebene in dem Verdampfer und einer hierzu im Wesentlichen parallelen Luftaustrittsebene aus dem Verdampfer im Wesentlichen parallel ist, wobei der Kühlwärmetauscher eine zwei te Ebene definiert, die zu einer Lufteintrittsebene in dem Kühlwärmetauscher und einer hierzu im Wesentlichen parallelen Luftaustrittsebene aus dem Kühlwärmetauscher im Wesentlichen parallel ist, und wobei der Heizungswärmetauscher, der Kühlwärmetauscher und der Verdampfer in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung.
Derartige Vorrichtungen und Verfahren sind gemäß dem Stand der Technik bekannt.
Die DE 100 52 134 A1 beschreibt ein Heiz-, Belüftungs- und/oder Klimagerät, bei dem ein Verdampfer, ein Heizungswärmetauscher und ein Zusatzheizungswärmetauscher innerhalb eines Gehäuses angeordnet sind.
Die DE 199 06 497 A1 offenbart ein System, bei dem in einem Verdampfer eines Kältekreises ein Kälteträger gekühlt wird. Dieser Kälteträger kann über unterschiedliche Führungen einem Kältespeicher oder direkt einem in einem Klimagerät angeordneten Standklimawärmetauscher zugeführt werden. Im Stand des Fahrzeugs kann der Kältespeicher dazu verwendet werden, Wärme aus dem Standklimawärmetauscher abzuführen, so dass eine Standklimatisierung stattfinden kann. In dem Klimagerät sind weiterhin ein Gebläse und ein Heizungswärmetauscher vorgesehen. Von dem Gebläse wird Luft durch den Standklimawärmetauscher und nachfolgend durch den Heizungswärmetauscher gefördert. Ebenfalls ist es möglich, dass Luft, die durch den Standklimawärmetauscher gefördert wurde, am Heizungswärmetauscher vorbei und nachfolgend in den Fahrzeuginnenraum strömt.
Die DE 100 36 038 A1 offenbart eine Klimaanlage, bei der hintereinander ein Gebläse, ein Verdampfer, ein Zusatzwärmetauscher und ein Heizungswärmetauscher angeordnet sind. Der Zusatzwärmetauscher lässt sich während des Betriebs des Verbrennungsmotors als Kühlzusatzwärmetauscher betreiben. Alle Komponenten sind räumlich parallel angeordnet.
Die JP 60259517 A betrifft eine Klimaanlage mit einem Verdampfer und einem hierzu schräg angeordneten Heizkörper.
Die DE 195 39 517 A1 offenbart ein Klimakompaktmodul für Kraftfahrzeuge, bei dem in verschiedenen Frischluftführungen einerseits ein Heizgerät und ein Wärmetauscher und andererseits ein einer Kühleinrichtung zugeordneter Wärmetauscher vorgesehen sind.
In einer früheren, unveröffentlichten Patentanmeldung ist ein Klimagerät beschrieben, bei dem ein mit einem Kältekreis verbundener Verdampfer direkt in dem Klimagerät angeordnet ist. Während des Betriebs des Kältekreises, das heißt insbesondere während der Fahrt des Fahrzeugs, wird der Verdampfer von Luft durchströmt, so dass durch aus dem Klimagerät austretende Luft eine Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums erfolgen kann. Weiterhin sind in diesem Klimagerät ein Heizungswärmetauscher und ein Lufteintritt von einer Luftzusatzheizung vorgesehen, so dass eine Erwärmung des Fahrzeugsinnenraums sowohl im Stand als auch im Fahrbetrieb erfolgen kann, wobei die Luftzusatzheizung als Zuheizgerät oder als Standheizgerät zum Einsatz kommen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gattungsgemäße Vorrichtungen und Verfahren so weiterzubilden, dass unterschiedliche Kühl- und Heizbetriebsarten sowohl bei der Fahrt als auch im Stand des Fahrzeugs möglich sind und wobei insbesondere ein besonders einfaches und einen zuverlässigen Betrieb ermöglichendes Konzept zur Verfügung gestellt werden soll.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung baut auf der gattungsgemäßen Vorrichtung dadurch auf, dass der Kühlwärmetauscher ein Standklimawärmetauscher ist, dass die erste Ebene und die zweite Ebene nicht parallel sind, so dass aus dem Verdampfer ausgetretene Luft ohne Durchtritt durch den Standklimawärmetauscher in den Heizungswärmetauscher eintreten kann, und dass in das Gehäuse ein Luftaustritt einer Luftzusatzheizung mündet. Durch die nicht parallele Anordnung von Ver dampfer und Standklimawärmetauscher steht der in den Heizungswärmetauscher eintretenden Luft ein Weg zur Verfügung, der den Standklimawärmetauscher umgeht. Bei geeigneter Einstellung von Luftführungsmitteln ist es somit möglich, Luft direkt nach dem Durchtritt durch den Verdampfer in den Heizungswärmetauscher einströmen zu lassen. Da es somit nicht erforderlich ist, dass die Luft vor dem Eintritt in den Heizungswärmetauscher durch den Standklimawärmetauscher gefördert wird, kann ein damit verbundener luftseitiger Druckverlust vermieden werden. Letztlich kann also bei gegebener Gebläseleistung ein erhöhter Druck im Ausblasbereich des Klimagerätes zur Verfügung gestellt werden. Bei Systemen des Standes der Technik ist in dem Klimagerät vielfach lediglich ein Standklimawärmetauscher vorgesehen, so dass, falls das Klimagerät auch während der Fahrt verwendet werden soll, allein der Standklimawärmetauscher für die Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums verwendet wird. Um eine eventuell erwünschte zusätzliche Klimatisierung während der Fahrt bereitstellen zu können, müssen andere Maßnahmen ergriffen werden, beispielsweise durch ein zusätzliches Gebläse, das mit einem weiteren Wärmetauscher oder einem weiteren Verdampfer zusammenwirkt. Auf der Grundlage der vorliegenden Erfindung gelingt es nun, eine größere Anzahl von Komponenten, die zum Heizen und Kühlen des Fahrzeuginnenraums zum Einsatz kommen, in integrierter Form bereitzustellen. Ein Gebläse fördert zu erwärmende beziehungsweise zu kühlende Luft sowohl durch einen Verdampfer, der vorzugsweise während der Fahrt verwendet wird, als auch durch einen Standklimawär metauscher. Ebenfalls, wie auch beim Stand der Technik, wird dasselbe Gebläse verwendet, um zu erwärmende Luft durch einen Heizungswärmetauscher zu fördern.
Die Erfindung ist in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass der Verdampfer in Strömungsrichtung der von dem Gebläse geförderten Luft vor dem Standklimawärmetauscher angeordnet ist. Eine solche Anordnung bietet sich an, da auf diese Weise beispielsweise vermieden werden kann, dass im Heizbetrieb die dem Heizungswärmetauscher zugeführte Luft zunächst durch den Standklimawärmetauscher gefördert werden muss. Vielmehr ist möglich, die aus dem Gebläse austretende Luft durch den Verdampfer zu fördern und danach entweder durch den Standklimawärmetauscher oder durch den Heizungswärmetauscher.
Aus ähnlichen Gründen ist es nützlich, dass der Verdampfer in Strömungsrichtung der von dem Gebläse geförderten Luft vor dem Heizungswärmetauscher angeordnet ist. Dies ist weiterhin aus dem Grund vorteilhaft, da so aus dem Heizungswärmetauscher austretende Luft ohne weitere Umwege direkt einem Luftmischbereich beziehungsweise den Luftaustrittsöffnungen zum Innenraum hin zugeführt werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist weiterhin dadurch von besonderem Vorteil, dass von der Luftzusatzheizung erwärmte Luft in einen Luftmischbereich eingebracht werden kann, wo sie mit durch den Verdampfer und durch den Standklimawärmetauscher und/oder den Heizungswärmetauscher in den Luftmischbereich eingebrachter Luft vermischt werden kann. Auf diese Weise können weitere Betriebszustände realisiert werden, sei es durch Verwendung der Luftzusatzheizung als zusätzliche Heizung während der Fahrt oder durch Verwendung der Luftzusatzheizung als Standheizung.
In diesem Zusammenhang ist es besonders nützlich, dass sich der von der Luftzusatzheizung erwärmte Luftstrom und der mit dem von der Luftzusatzheizung erwärmten Luftstrom zu vermischende Luftstrom in dem Luftmischbereich kreuzen. Hierdurch erfolgt einerseits eine gute Vermischung der Luftströmungen, andererseits können Ausströmöffnungen, die zum Beispiel vorwiegend von der Luftzusatzheizung beströmt werden sollen, an Stellen angeordnet sein, die der Strömungsrichtung der Luft aus der Luftzusatzheizung angepasst sind.
Das erfindungsgemäße System ist weiterhin in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass der Heizungswärmetauscher und der Standklimawärmetauscher im Wesentlichen baugleich sind. Durch diese Auslegung des Systems im Sinne des Gleichteilekonzeptes können Aufwand und Kosten bei der Herstellung, bei der Wartung und bei der Reparatur der Systeme verringert werden.
Die Erfindung besteht weiterhin in einem Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei in einem ersten Betriebszustand im Wesentlichen die gesamte aus dem Verdampfer austretende Luft ohne Durchtritt durch den Standklimawärmetauscher in den Heizungswärmetauscher eintritt, so dass ein reiner Heizbetriebszustand vorliegt, in einem zweiten Betriebszustand im Wesentlichen die gesamte aus dem Verdampfer austretende Luft in den Standklimawärmetauscher eintritt, so dass ein reiner Kühlbetriebszustand vorliegt, in einem dritten Betriebszustand ein erster Teil der aus dem Verdampfer austretende Luft ohne Durchtritt durch den Standklimawärmetauscher in den Heizungswärmetauscher eintritt und ein zweiter Teil der aus dem Verdampfer austretenden Luft in den Standklimawärmetauscher eintritt, so dass ein Mischbetriebszustand vorliegt, und in einem vierten Betriebszustand von der Luftzusatzheizung erwärmte Luft in einen Luftmischbereich eingebracht wird, wo sie mit durch den Verdampfer und durch den Standklimawärmetauscher und/oder den Heizungswärmetauscher in den Luftmischbereich eingebrachter Luft vermischt wird. Auf diese Weise werden die Besonderheiten und Vorzüge des erfindungsgemäßen Systems beziehungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch im Rahmen eines Heiz- beziehungsweise Klimatisierungsverfahrens umgesetzt.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es insbesondere aufgrund der geeigneten Anordnung von Verdampfer, Standklimawärmetauscher und Heizungswärmetauscher innerhalb eines Gehäuses möglich ist, unter geringem luftseitigen Druckverlust zuverlässig arbeitende Klimatisierungs- und Heizbetriebszustände zu realisieren. Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn der Verdampfer vor dem Heizungswärmetauscher beziehungsweise dem Standklimawärmetauscher angeordnet ist. Vor allem ist es nützlich, wenn der Standklimawärmetauscher in einem Winkel zum Verdampfer angeordnet ist, so dass ohne luftseitigen Druckverlust ein Eintritt von aus dem Verdampfer ausgetretener Luft. direkt in den Heizungswärmetauscher möglich wird.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand besonders bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Systems;
2 eine schematische Darstellung des Systems zur Erläuterung eines ersten Betriebszustandes;
3 eine schematische Darstellung des Systems zur Erläuterung eines zweiten Betriebszustandes;
4 eine schematische Darstellung des Systems zur Erläuterung eines dritten Betriebszustandes; und
5 eine schematische Darstellung des Systems zur Erläuterung eines weiteren Betriebszustandes.
1:
In einem Gehäuse 50 sind ein Verdampfer 16, ein Standklimawärmetauscher 12 und ein Heizungswärmetauscher 10 angeordnet. Das Gehäuse 50 umfasst einen ersten Lufteintritt 40 und einen zweiten Lufteintritt 34. Weiterhin sind Luftaustrittsöffnungen vorgesehen: eine Luftaustrittsöffnung 26, die einen zentralen beziehungsweise seitlichen Bereich im Fahrzeuginnenraum mit gekühlter beziehungsweise erwärmter Luft versorgt, ein Luftaustritt 28 für den Fußraum und ein Luftaustritt 30, der den Bereich der Windschutzscheibe versorgt, beispielsweise zum Defrosten. Außerhalb des Gehäuses 50 ist ein Gebläse 14 angeordnet, das Luft durch den Lufteintritt 40 in das Gehäuse 50 fördert. Die Luft wird durch einen Lufteintritt 22 angesaugt, wobei die Luft vor dem Eintritt in das Gebläse 14 durch einen Luftfilter 24 strömt. Weiterhin ist eine Luftzusatzheizung 18 vorgesehen, der über einen Lufteintritt 32 und einen Luftkanal 36 zu erwärmende Luft zugeführt werden kann. Die erwärmte Luft kann aus der Luftzusatzheizung 18 über einen Luftkanal 38 und einen Lufteintritt 34 in das Gehäuse 50 einströmen. In dem Gehäuse 50 ist ein Luftmischbereich 20 vorgesehen, in dem sich Luftströmungen aus den Wärmetauschern 10, 12 und aus dem Lufteintritt 34 der Luftzusatzheizung vermischen können.
2:
Hier ist ein reiner Heizbetriebszustand dargestellt, bei dem eine Luftströmung durch den Heizungswärmetauscher 10 durch einen Pfeil gezeigt ist. Dieser Betriebszustand ist dadurch besonders vorteilhaft, dass die Luft unmittelbar nach dem Austritt aus dem Verdampfer 16 in den Heizungswärmetauscher 10 eintreten kann, ohne vorher durch den Standklimawärmetauscher 12 hindurchzutreten. Dies gelingt insbesondere dadurch, dass die Hauptebenen von Verdampfer 16 und Standklimawärmetauscher 12 nicht parallel sind, das heißt einen Winkel miteinander bilden. Hierdurch kann die Luft bei geeigneter Einstellung von Führungselementen nach dem Austritt aus dem Verdampfer 16 um den unteren Bereich des Standklimawärmetauschers 12 strömen und so direkt in den Heizungswärmetauscher 10 eintreten. Die erwärmte Luft tritt daher ohne durch den Standklimawärmetauscher 12 verursachten Druckverlust aus dem Heizungswärmetauscher 10 aus und erreicht den Luftmischbereich 20 des Gehäuses 50.
3:
Es ist ein reiner Kühlbetriebszustand gezeigt. Aus dem Verdampfer 16 austretende Luft tritt durch den Standklimawärmetauscher 12 in den Luftmischbereich 20 ein, was durch einen Pfeil dargestellt ist. Dieser Kühlbetriebszustand kann sowohl während der Fahrt als auch im Stand des Fahrzeugs vorliegen. Während der Fahrt wird die Kühlung durch den Verdampfer 16 und eventuell zusätzlich durch den Standklimawärmetauscher 12 vorgenommen, während im Stand der Standklimawärmetauscher 12 allein operiert.
4:
Es ist ein Mischbetriebszustand dargestellt, bei dem Luft sowohl durch den Heizungswärmetauscher 10 als auch durch den Standklimawärmetauscher 12 strömt. Die Luftströmungen sind wiederum durch Pfeile gezeigt.
5:
Bei diesem weiteren Betriebszustand wird im Luftmischbereich 20 Luft aus der Zusatzheizung 18, die aus dem Lufteintritt 34 in den Luftmischbereich 20 eintritt mit Luft gemischt, die durch den Heizungswärmetauscher 10 in den Luftmischbereich 20 eintritt.

10: Heizungswärmetauscher
12: Standklimawärmetauscher
14: Gebläse
16: Verdampfer
18: Luftzusatzheizung
20: Luftmischbereich
22: Lufteintritt
24: Luftfilter
26: Luftaustritt zentral/Seite
28: Luftaustritt Fuß
30: Luftaustritt Defrost
32: Lufteintritt Luftzusatzheizung
34: Luftaustritt (Luftzusatzheizung)
36: Luftkanal
38: Luftkanal
40: Lufteintritt (Gebläse)
50: Gehäuse

Claims

Vorrichtung zum Heizen und Kühlen eines Innenraums eines Fahrzeugs mit – einem Heizungswärmetauscher (10), der mit einem Heizungssystem des Fahrzeugs verbunden ist, – einem Kühlwärmetauscher (12), der mit Mitteln zum Abführen von Wärme verbunden ist, – einem mit einem Kältekreis verbundenen Verdampfer (16) und – einem Gebläse (14) zum Fördern von zu erwärmender beziehungsweise zu kühlender Luft durch den Verdampfer (16) und durch den Heizungswärmetauscher (10) beziehungsweise durch den Kühlwärmetauscher (12), – wobei der Verdampfer (16) eine erste Ebene definiert, die zu einer Lufteintrittsebene in dem Verdampfer (16) und einer hierzu im Wesentlichen parallelen Luftaustrittsebene aus dem Verdampfer (16) im Wesentlichen parallel ist, – wobei der Kühlwärmetauscher (12) eine zweite Ebene definiert, die zu einer Lufteintrittsebene in den Kühlwärmetauscher (12) und einer hierzu im Wesentlichen parallelen Luftaustrittsebene aus dem Kühlwärmetauscher (12) im Wesentlichen parallel ist, und – wobei der Heizungswärmetauscher (10), der Kühlwärmetauscher (12) und der Verdampfer (16) in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, – dass der Kühlwärmetauscher ein Standklimawärmetauscher (12) ist, – dass die erste Ebene und die zweite Ebene nicht parallel sind, so dass aus dem Verdampfer (16) ausgetretene Luft ohne Durchtritt durch den Standklimawärmetauscher (12) in den Heizungswärmetauscher (10) eintreten kann, und – dass in das Gehäuse ein Luftaustritt (34) einer Luftzusatzheizung (18) mündet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (16) in Strömungsrichtung der von dem Gebläse (14) geförderten Luft vor dem Standklimawärmetauscher (12) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (16) in Strömungsrichtung der von dem Gebläse geförderten Luft vor dem Heizungswärmetauscher (10) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der Luftzusatzheizung (18) erwärmte Luft in einen Luftmischbereich (20) eingebracht werden kann, wo sie mit durch den Verdampfer (16) und durch den Standklimawärmetauscher (12) und/oder den Heizungswärmetauscher (10) in den Luftmischbereich (20) eingebrachter Luft vermischt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der von der Luftzusatzheizung (18) erwärmte Luftstrom und der mit dem von der Luftzusatzheizung (18) erwärmten Luftstrom zu vermischende Luftstrom in dem Luftmischbereich (20) kreuzen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizungswärmetauscher (10) und der Standklimawärmetauscher (12) im Wesentlichen baugleich sind.
Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei – in einem ersten Betriebszustand im Wesentlichen die gesamte aus dem Verdampfer (16) austretende Luft ohne Durchtritt durch den Standklimawärmetauscher (12) in den Heizungswärmetauscher (10) eintritt, so dass ein reiner Heizbetriebszustand vorliegt, – in einem zweiten Betriebszustand im Wesentlichen die gesamte aus dem Verdampfer (16) austretende Luft in den Standklimawärmetauscher (12) eintritt, so dass ein reiner Kühlbetriebszustand vorliegt, – in einem dritten Betriebszustand ein erster Teil der aus dem Verdampfer (16) austretende Luft ohne Durchtritt durch den Standklimawärmetauscher (12) in den Heizungswärmetauscher (10) eintritt und ein zweiter Teil der aus dem Verdampfer (16) austretenden Luft in den Standklimawärmetauscher (12) eintritt, so dass ein Mischbetriebszustand vorliegt, und – in einem vierten Betriebszustand von der Luftzusatzheizung (18) erwärmte Luft in einen Luftmischbereich (20) eingebracht wird, wo sie mit durch den Verdampfer (16) und durch den Standklimawärmetauscher (12) und/oder den Heizungswärmetauscher (10) in den Luftmischbereich (20) eingebrachter Luft vermischt wird.