DE10259045A1

DE10259045A1 - Heizklimagerät für den Fahrgastraum eines Kraftfahrzeuges mit flüssigkeitsgekühltem Antriebsaggregat

Info

Publication number: DE10259045A1
Application number: DE2002159045
Authority: DE
Inventors: Robert Mager; Hary Geiger
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-12-17
Filing date: 2002-12-17
Publication date: 2004-07-08

Abstract

Für ein Heizklimagerät für den Fahrgastraum eines Kraftfahrzeuges mit flüssigkeitsgekühltem Antriebsaggregat wird für ein reduziertes Bauvolumen vorgeschlagen, dass ein einem Kühlmittel-Zuluft-Wärmeaustausch dienender erster Wärmetauscher mindestens eine Kühlmittel-Sammelkammer aufweist, in der ein zweiter Wärmetauscher als ein mit einem Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage in Verbindung stehender Leitungsabschnitt zur Aufnahme heißen Kältemittels integriert angeordnet ist, wobei dem ersten Wärmetauscher eine gesonderte Förderpumpe für das Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreis des Antriebsaggregates zur Zirkulation im ersten Wärmetauscher zugeordnet ist, und schließlich der als Verdampfer dienende dritte Wärmetauscher dem ersten Wärmetauscher benachbart vorgeschaltet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Heizklimagerät für den Fahrgastraum eines Kraftfahrzeuges mit flüssigkeitsgekühltem Antriebsaggregat, umfassend zum gesteuerten Heizen der Fahrgastraum-Zuluft einen ersten, mit dem Kühlmittelkreis des Antriebsaggregates verbundenen Kühlmittel-Zuluft-Wärmetauscher sowie einen in einem Kältemittelkreislauf angeordneten zweiten Wärmetauscher zur gesteuerten Aufnahme heißen Kältemittels, ferner einen dritten, mit dem Kältemittelkreislauf verbundenen Wärmetauscher als Verdampfer zum Kühlen oder Trocknen (Reheat) der Zuluft.

Ein derartiges Heizklimagerät mit drei gesondert angeordneten Wärmetauschern ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 101 26 257 A1 bekannt, wobei das Heizklimagerät Bestandteil einer vorzugsweise mit Kohlendioxid (CO2) betriebenen Klimaanlage für den Fahrgastraum eines Kraftfahrzeuges ist. Hierbei dient der im Kältemittelkreislauf angeordnete zweite Wärmetauscher durch gesteuerte Zufuhr von heißem, dampf- bzw. gasförmigem Kältemittel insbesondere nach einem Kaltstart des Antriebsaggregates einer raschen Erwärmung der in den Fahrgastraum gerichteten Zuluft. Das bekannte Heizklimagerät baut durch die separiert angeordneten, drei Einzelwärmetauscher relativ groß, und ist ferner bauaufwändig.

Weiter ist in den noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldungen P 102 39 876 und P 102 39 877 jeweils eine CO2-Klimaanlage für ein Fahrzeug mit einem flüssigkeitsgekühlten Antriebsaggregat beschrieben, wobei insbesondere bei einem Kaltstart des Antriebsaggregates dessen Kühlmittel über einen Kältemittel/Kühlmittel-Wärmetauscher durch Zufuhr von heißem, dampf- bzw. gasförmigen Kältemittel rasch erwärmt wird. Einem Kühlmittel-Zuluft-Wärmetauscher der jeweiligen Klimaanlage wird das auf diese Weise rasch erwärmte Kühlmittel aus dem Antriebsaggregat zugeführt zur raschen Erwärmung der Zuluft für den Fahrgastraum.

Zur schnellen Erwärmung der Fahrgastraum-Zuluft ist des weiteren aus der britischen Patentanmeldung GB 2 326 932 A ein Kühlmittel-Zuluft-Wärmetauscher mit an beiden Schmalseiten angeordneten Kühlmittel-Sammelkammern bekannt, in denen elektrische Heizeinrichtungen angeordnet sind zur zusätzlichen Kühlmittelerwärmung zur schnelleren Anwärmung der Zuluft. Diesem Zweck dient auch eine aus der GB 2 242 260 A bekannte Einrichtung ähnlicher Art.

Schließlich zeigt und beschreibt die britische Patentschrift GB 0 552,188 einen Wärmetauscher für eine Brennkraftmaschine, der im unteren Endbereich mit einer Sammelkammer ausgebildet ist zur Aufnahme von zahlreichen Rohrleitungen, durch die bei Bedarf gesteuert Abgas der Brennkraftmaschine geleitet ist zur schnelleren Erwärmung des Kühlmittels.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschriebene, gattungsgemäße Heizklimagerät mit reduziertem Bauraumaufwand auszubilden.

Diese Aufgabe ist mit dem Patentanspruch 1 dadurch gelöst, dass der erste Wärmetauscher mindestens eine Kühlmittel-Sammelkammer aufweist, in der der zweite Wärmetauscher als ein mit dem Kältemittelkreislauf in Verbindung stehender Leitungsabschnitt zur gesteuerten Aufnahme heißen Kältemittels integriert angeordnet ist, wobei dem ersten, vom Kühlmittelkreis des Antriebsaggregates gesteuert abtrennbaren Wärmetauscher eine gesonderte Förderpumpe für eine Kühlmittel-Zirkulation im ersten Wärmetauscher zugeordnet ist, und schließlich der als Verdampfer dienende dritte Wärmetauscher dem ersten Wärmetauscher benachbart vorgeschaltet ist.

Mit der erfindungsgemäßen Integration des zweiten, von einem relativ heißen Kältemittel beaufschlagbaren Wärmetauschers im ersten, einem Kühlmittel-Zuluft-Wärmeaustausch dienenden Wärmetauscher ist der Bauraumaufwand des Heizklimagerätes vorteilhaft reduziert, wobei ferner mit einer gesonderten Zusatz-Förderpumpe für den ersten Wärmetauscher ein effektiver Wärmeaustausch zwischen dem integrierten zweiten und dem ersten Wärmetauscher erzielt ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung bezüglich der miteinander kombinierten ersten und zweiten Wärmetauscher und der verschiedenen Anordnungen der Förderpumpe sind in den Ansprüchen 2 mit 5 angegeben. Im Anspruch 6 ist eine Anordnung des erfindungsgemäßen Heizklimagerätes in einem CO2-Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage zum Heizen und Kühlen der Zuluft beschrieben. Anspruch 7 umfasst eine Weiterbildung der vorgenannten Anordnung für einen Reheat-Betrieb zum Trocknen der Zuluft.

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt
1 ein Heizklimagerät einer Klimaanlage für den Fahrgastraum eines Kraftfahrzeuges mit flüssigkeitsgekühltem Antriebsaggregat,
2 eine Weiterbildung des Heizklimagerätes nach 1 für einen zusätzlich möglichen Reheat-Betrieb,
3–7 vorteilhafte Ausgestaltungen der miteinander baulich kombinierten ersten und zweiten Wärmetauscher sowie verschiedener Anordnungen der Förderpumpen einschließlich des jeweiligen Antriebes.
Ein Heizklimagerät 27 für einen Fahrgastraum eines nicht gezeigten Kraftfahrzeuges mit einem flüssigkeitsgekühlten Antriebsaggregat 6 steht einerseits mit einem Kühlmittelkreis 12 des Antriebsaggregates 6 und andererseits mit einem Kältemittelkreislauf 14 einer Klimaanlage 28 in Wirkverbindung. Vorzugsweise ist die Klimaanlage 28 mit Kohlendioxid – CO2 – als Kältemittel betrieben.
Ein CO2-Kältemittelkreislauf 14 umfasst bekanntlich einen Verdichter 1, einen Gaskühler 2, einen inneren Wärmetauscher 3 sowie einen Verdampfer 4 mit vorgeschaltetem Expansionsorgan 8 und einen im Rücklauf zum Verdichter 1 dem inneren Wärmetauscher 3 vorgeschalteten Sammler 5. Stromab des Verdichters 1 ist ein steuerbares Umschaltventil 10 vorgesehen, das in einem Fall dazu dient, dass das CO2-Kältemittel durch die vorgenannten Einrichtungen in der angegebenen Reihenfolge strömt, wobei der Verdampfer 4 als Kältemittel-Zuluft-Wärmetauscher der Kühlung der über das Heizklimagerät 27 geführten Zuluft dient.
Weiter umfasst das Heizklimagerät 27 einen mit dem Kühlmittelkreis 12 des Antriebsaggregates 6 verbundenen Kühlmittel-Zuluft-Wärmetauscher 13 zum gesteuerten Heizen der Fahrgastraum-Zuluft.
Schließlich ist dem Heizklimagerät 27 ein weiterer, mit dem Kältemittelkreislauf 14 verbundener Wärmetauscher 7 zugeordnet, der stromab des Umschaltventils 10 über eine Vorlaufleitung 29 und über eine Rücklaufleitung 26 mit dem Rücklauf zum Verdichter 1 in den CO2-Kältemittelkreislauf 14 eingebunden ist. Der Wärmetauscher 7 dient in bekannter Weise zusätzlich zum Heizen der Zuluft durch gesteuerte Aufnahme heißen Kältemittels.
Gegenüber dem vorbeschriebenen, aus der eingangs bereits erwähnten Offenlegungsschrift DE 101 26 257 A bekannten Stand der Technik ist mit der nachstehend beschriebenen Erfindung eine Anordnung mehrerer Wärmetauscher in einem Heizklimagerät 27 aufgezeigt zur Reduzierung des Bauvolumens bzw. des erforderlichen Einbauraumes des Heizklimagerätes 27.
Der erfindungsgemäße Vorschlag hierfür sieht vor, dass der dem Kühlmittel-Zuluft-Wärmeaustausch dienende erste Wärmetauscher 13 mindestens eine Kühlmittel-Sammelkammer 15 aufweist, in der der zweite Wärmetauscher 7 als ein mit dem Kältemittelkreislauf 14 in Verbindung stehender Leitungsabschnitt 16 zur gesteuerten Aufnahme heißen Kältemittels integriert angeordnet ist, wobei dem ersten, vom Kühlmittelkreis 12 des Antriebsaggregates 6 gesteuert abtrennbaren Wärmetauscher 13 eine gesonderte Förderpumpe 17 bzw. 24 für eine Kühlmittel-Zirkulation im ersten Wärmetauscher 13 zugeordnet ist, und schließlich der als Verdampfer dienende dritte Wärmetauscher 4 dem ersten Wärmetauscher 13 benachbart vorgeschaltet ist.
Um insbesondere bei einem Kaltstart des Antriebsaggregates 6 und damit verbunden einem kalten Kühlmittel im ersten Wärmetauscher 13 trotzdem eine rasch erwärmte Zuluft für den jeweiligen Fahrgastraum zu erhalten, wird das durch die Verdichtung mittels des Verdichters 1 auf ca. 130° C erwärmte Kältemittel CO2 über das Umschaltventil 10 und die Vorlaufleitung 29 sowie die Expansionseinheit 8' dem im ersten Wärmetauscher 13 integrierten zweiten Wärmetauscher 7 zugeführt, der als Leitungsabschnitt 16 gemäß 3 als Heizwendel gestaltet ist. Um den Wärmeaustausch zwischen den Medien der beiden Wärmetauscher 7 und 13 zu beschleunigen, ist in der Sammelkammer 15 des ersten Wärmetauschers 13 eine Förderpumpe 17 angeordnet, die mittels einer im Leitungsabschnitt 16 angeordneten, vom umlaufenden CO2-Kältemittel beaufschlagten Expansions-Antriebseinrichtung 18 angetrieben ist. Kann nämlich das mit Verdichtungstemperatur zugeleitete CO2-Kältemittel die stromauf des zweiten Wärmetauschers 7 bzw. des Leitungsabschnittes 16 vorgesehene Expansionseinheit 8' gesteuert ungedrosselt passieren, steht für die Arbeitsverrichtung in der Expansions-Antriebseinrichtung 18 ein hohes Energiepotential zur Verfügung. Das mit ca. 130°C und vorzugsweise ungedrosselt zuströmende Kältemittel weist stromab der Pumpen-Antriebseinrichtung 18 dann aufgrund der Arbeitsverrichtung zum Pumpenantrieb eine Temperatur von ca. 70°C auf. Die jeweilige Pumpen-Antriebsleistung läßt sich somit durch eine gesteuerte Einstellung der Expansionseinheit 8' leicht bewerkstelligen.
Zur Steigerung des Wärmeaustausches weist gemäß 4 der erste Wärmetauscher 13 gegenüber der Ausführung nach 3 eine weitere Sammelkammer 19 auf mit einem weiteren Leitungsabschnitt 20, der mit dem ersten Leitungsabschnitt 16 der ersten Sammelkammer 15 über einen Vorlauf 21 verbunden ist, und der über einen Rücklauf 22 mit dem Kältemittelkreislauf 14 in Verbindung steht. Beide Leitungsabschnitte 16 und 20 können als Heizwendeln gestaltet sein und zusätzlich mit Wärmeableitrippen versehen sein.
Einen andere Pumpenanordnung ist aus 5 ersichtlich, wobei in einer der beiden Sammelkammern 15 oder 19 benachbart verlaufend angeordneten Zulaufleitung 23 des ersten Wärmetauschers 13 eine extern angeordnete Förderpumpe 24 als Zusatzpumpe vorgesehen ist. Zum Antrieb kann ein Elektromotor dienen.
Bezüglich des Antriebes der extern angeordneten Förderpumpe 24 zeigt 6 eine Anordnung, bei der eine im Leitungsabschnitt 16 angeordnete Expansions-Antriebseinrichtung 18 zum Antrieb der Förderpumpe 24 dient, wobei die Antriebseinrichtung 18 im ersten Leitungsabschnitt 16 innerhalb der ersten Sammelkammer 15 des ersten Wärmetauschers 13 vorgesehen ist. Im übrigen stimmt dieser Wärmetauscher 13 in seiner Ausgestaltung mit zwei Sammelkammern 15 und 19 identisch mit den Wärmetauschern 13 der vorgenannten 4 und 5 überein.
7 zeigt schließlich eine Pumpen-Antriebsanordnung, bei der die Expansions-Antriebseinrichtung 18 in einer Zuleitung 25 zum ersten Leitungsabschnitt 16 außerhalb der ersten Sammelkammer 15 angeordnet ist.
Die vorstehende Beschreibung der Erfindung macht deutlich, dass der integrierte zweite Wärmetauscher 7 durch heißes CO2-Kältemittel zum Heizen des Kühlmittels im ersten Wärmetauscher 13 dient, wobei zunächst der Wärmetauscher 13 vom übrigen Kühlmittelkreis 12 des Antriebsaggregates 6 abgetrennt ist, und jede Förderpumpe 17 oder 24 eine Zirkulation des Kühlmittels im jeweiligen ersten Wärmetauscher 13 bewirkt für einen raschen Wärmeaustausch. Die Erfindung weist gegenüber dem genannten Stand der Technik auch den Vorteil auf, dass mit dem durch heißes CO2-Kältemittel zunächst erwärmten Kühlmittel eine physiologisch unangenehm heiße Zuluft aus dem Heizklimagerät vermieden ist. Das Kühlmittel dämpft somit eine zu rasche Erwärmung der Zuluft. Des weiteren kann der erste Wärmetauscher 13 gesteuert mit dem Kühlmittelkreis 12 des Antriebsaggregates 6 wieder verbunden werden zur schnelleren Temperierung des Kühlmittels im Antriebsaggregat.
Weiter ergibt die Beschreibung, dass der dem ersten Wärmetauscher 13 gemäß 1 stromauf der Zuluft vorgeschaltete dritte Wärmetauscher 4 als Verdampfer zum gesteuerten Kühlen der Zuluft dient.
Für einen gleichzeitigen bzw. parallelen Betrieb des zweiten Wärmetauschers 7 zur deutlichen Unterstützung der Zuluft-Erwärmung mit dem dritten, als Verdampfer wirkenden Wärmetauscher 4 zur Trocknung der Zuluft durch Abkühlung ist die in 1 gezeigte Klimaanlage 28 weiter dadurch verbessert, dass in einer Rücklaufleitung 26 des zweiten, integrierten Wärmetauschers 7 ein weiteres steuerbares Umschaltventil 11 angeordnet ist, das für einen Reheat-Betrieb die Rücklaufleitung 26 mit einem Expansionsorgan 8 stromauf des als Verdampfer dienenden dritten Wärmetauschers 4 verbindet. Mit dieser aus 2 erkennbaren Ausgestaltung ist dem Verdampfer bzw. dritten Wärmetauscher 4 die für eine starke Abkühlung zum Trocknen der Zuluft erforderliche Masse an CO2-Kältemittel zugeführt.
Mit der Erfindung ist in vorteilhafter Weise eine Erhöhung der Aufheizdynamik im Heizfall durch sehr kleine Kühlmittelmengen erzielt. Weiter ist eine kostengünstige Gestaltung des Heizklimagerätes mit der Integration der beiden Wärmetauscher erreicht. Schließlich ergibt sich mit den in den 1 und 2 jeweils gezeigten Kreislaufschema eine bordnetzneutral und motorunabhängige Anordnung im jeweiligen Kraftfahrzeug.

Claims

Heizklimagerät für den Fahrgastraum eines Kraftfahrzeuges mit flüssigkeitsgekühltem Antriebsaggregat, – umfassend zum gesteuerten Heizen der Fahrgastraum-Zuluft einen ersten, mit dem Kühlmittelkreis (12) des Antriebsaggregates (6) verbundenen Kühlmittel-Zuluft-Wärmetauscher (13) sowie – einen in einem Kältemittelkreislauf (14) angeordneten zweiten Wärmetauscher (7) zur gesteuerten Aufnahme heißen Kältemittels, ferner – einen dritten, mit dem Kältemittelkreislauf (14) verbundenen Wärmetauscher (4) als Verdampfer zum Kühlen oder Trocknen (Reheat) der Zuluft, dadurch gekennzeichnet, – dass der erste Wärmetauscher (13) mindestens eine Kühlmittel-Sammelkammer (15,19) aufweist, in der – der zweite Wärmetauscher (7) als ein mit dem Kältemittelkreislauf (14) in Verbindung stehender Leitungsabschnitt (16,20) zur gesteuerten Aufnahme heißen Kältemittels integriert angeordnet ist, wobei – dem ersten, vom Kühlmittelkreis (12) des Antriebsaggregates (6) gesteuert abtrennbaren Wärmetauscher (13) eine gesonderte Förderpumpe (17,24) für eine Kühlmittel-Zirkulation des Kühlmittels im ersten Wärmetauscher (13) zugeordnet ist, und schließlich – der als Verdampfer dienende dritte Wärmetauscher (4) dem ersten Wärmetauscher (13) benachbart vorgeschaltet ist.
Heizklimagerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderpumpe (17) in der Sammelkammer (15,19) angeordnet ist und mittels einer im Leitungsabschnitt (16,20) angeordneten, vom umlaufenden Kältemittel beaufschlagten Expansions-Antriebseinrichtung (18) angetrieben ist. (3)
Heizklimagerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, – dass der erste Wärmetauscher (13) eine weitere Sammelkammer (19) umfasst mit einem weiteren Leitungsabschnitt (20), der – mit dem ersten Leitungsabschnitt (16) der ersten Sammelkammer (15) über einen Vorlauf (21) verbunden ist, und – dessen Rücklauf (22) mit dem Kältemittelkreislauf (14) in Verbindung steht. (4)
Heizklimagerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einer einer Sammelkammer (15,19) benachbart verlaufend angeordneten Zulaufleitung (23) des ersten Wärmetauschers (13) eine extern angeordnete Förderpumpe (24) als Zusatzpumpe vorgesehen ist. (5)
Heizklimagerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, – dass die externe Förderpumpe (24) von einer vom Kältemittel beaufschlagten Expansions-Antriebseinrichtung (18) angetrieben angeordnet ist, wobei – die Antriebseinrichtung (18) in einem Leitungsabschnitt (16,20) innerhalb einer der Sammelkammern (15,19) oder – in einer Zuleitung (25) zu einem Leitungsabschnitt (16,20) außerhalb einer der Sammelkammern (15,19) angeordnet ist. (6,7)
Heizklimagerät nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, – dass der im ersten Wärmetauscher (13) baulich integrierte zweite Wärmetauscher (7) Teil eines mit Kohlendioxid (CO2) betriebenen Kältemittelkreislaufes (14) ist mit einem Verdichter (1), einem Gaskühler (2), einem inneren Wärmetauscher (3) sowie einem Verdampfer (4) mit vorge schaltetem Expansionsorgan (8) und einer im Rücklauf zum Verdichter (1) dem inneren Wärmetauscher (3) vorgeschalteten Sammler (5), wobei – der zweite Wärmetauscher (7) durch heißes Kältemittel zum Heizen des Kühlmittels im ersten Wärmetauscher (13) dient, und – der dem ersten Wärmetauscher (13) stromauf der Zuluft vorgeschaltete, als Verdampfer dienende dritte Wärmetauscher (4) zum gesteuerten Kühlen der Zuluft wirksam ist. (1,2)
Heizklimagerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, – dass in einer Rücklaufleitung (26) des zweiten, integrierten Wärmetauschers (7) ein steuerbares Umschaltventil (11) angeordnet ist, das – für einen Reheat-Betrieb die Rücklaufleitung (26) mit einem Expansionsorgan (8) stromauf des als Verdampfer dienenden dritten Wärmetauschers (4) verbindet.(2)
Heizklimagerät nach den Ansprüchen 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung/Regelung der Expansions-Antriebseinrichtung (18) zum Pumpenantrieb mittels des stromauf vorgesehenen Expansionsorgans (8') bewirkt ist.