DE19725978A1 - Kraftfahrzeugklimatisierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Klimatisierung von Kraftfahrzeugen ist es bekannt, neben der Abwärme des Motors auch eine Klimaanlage in ihrer Strömungsrichtung umzukehren, so daß der Kondensator und der Verdampfer in der Klimaanlage ihre Funktionen vertauschen. Hierdurch erhält man eine Wärmepumpe, die jedoch mit abnehmender Temperatur der Außenluft ihren hohen Wirkungsgrad verliert, da die niedrige Außenlufttemperatur nicht mehr in der Lage ist, den im Umkehrbetrieb als Verdampfer fungierenden Kondensator zu erwärmen. Als Folge hiervon kann es zur Vereisung der Anlage kommen. Weitere Probleme bereitet die aufwendige Umkehrung des Flusses des Kühlmittels sowie auch die Geräuschentwicklung in dem Verdampfer, wenn dieser in Umkehrrichtung durchströmt wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Komponenten einer Kälte-Klimaanlage zu Heizungszwecken zu nutzen, wobei der apparative Aufwand und insbesondere der strömungstechnische Aufwand gering sein soll.

Diese Aufgabe wird gelöst mit Klimaanlagen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 2.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Ausführungsformen.

In der vorliegenden Erfindung wird der Verdampfer der Klimaanlage (im vorliegenden Fall gelten als Verdampfer auch entsprechende Wärmetauscher, in denen durch Expansion eines Fluids der Umgebung Wärme entzogen wird, beispielsweise bei der Verwendung von CO₂-Klimaanlagen bzw. Klimaanlagen mit überkritischen Gasen) nicht als Kondensator betrieben, wie es bei der bekannten Umkehrung der Flußrichtung des Kühlmittels in Klimaanlagen der Fall ist. Vielmehr behält der Verdampfer bei der Verwendung desselben als Heizelement seine Funktion und damit auch die in ihm vorliegende Strömungsrichtung des Fluids in der Klimaanlage bei. Dies trägt wesentlich zu einer Vereinfachung der Nutzung der Klimaanlage als Heizung bei. Um die Heizwirkung in dem Verdampfer zu erzielen, wird in der Klimaanlage der Kondensator (in der vorliegenden Erfindung gilt als Kondensator auch ein Wärmetauscher, in dem ein komprimiertes Gas im wesentlichen unter Beibehaltung seines Druckes abgekühlt wird, wie es bei der Verwendung von CO₂- bzw. überkritisch betriebenen Klimaanlagen der Fall ist) zumindest teilweise, vorzugsweise überwiegend und insbesondere vollständig außer Funktion gesetzt, wodurch die Kompressionswärme (adiabatische Erwärmung), die durch den Kompressor in das Fluid eingebracht wird, entsprechend in den Verdampfer gelangt, und dort an die in den Innenraum des Kraftfahrzeugs strömende Luft abgegeben wird.

Erfindungsgemäß ist also die Wärmetauscherfunktion des Kondensators außer Kraft gesetzt, d. h. es erfolgt nicht mehr die am Kondensator im Kühlbetrieb erfolgende Wärmeabgabe und auch nicht eine Wärmeaufnahme, wie sie bei der bekannten Verwendung von Klimaanlagen als Heizungswärmepumpe der Fall ist. Insbesondere durch das letztere Merkmal wird zwar nicht mehr ein so hoher Heizungswirkungsgrad erreicht, dies kann jedoch in Kauf genommen werden, da bei der Verwendung der Klimaanlage als Heizungswärmepumpe der Wirkungsgrad insbesondere dann gering ist, wenn die Heizenergie besonders gebraucht wird, nämlich bei besonders niedrigen Außentemperaturen (unterhalb -10°C). Statt dessen wird die erfindungsgemäße Klimaanlage hinsichtlich des Verdampfers als reiner Überträger von in Wärme umgesetzter Bewegungsenergie genutzt, d. h. der Kompressor erhitzt durch Komprimieren das Fluid und das erhitzte Fluid gibt seine Kompressionswärme in dem Verdampfer ab.

Damit das Fluid vor dem Kompressor wieder expandieren kann, ist üblicherweise ein Expansionsventil vorgesehen, daß prinzipiell auch zwischen dem Verdampfer und dem Kompressor angeordnet sein kann. Hierbei besteht aber die Gefahr der Vereisung. Da die Klimaanlage für den gewöhnlichen Betrieb bereits ein Expansionsventil besitzt, das dem Verdampfer (in Strömungsrichtung gesehen) vorgeschaltet ist, kann dieses Expansionsventil auch bei dem Betrieb des Verdampfers als Heizungswärmetauscher genutzt werden, so daß das Fluid durch die Expansion zwar eine Abkühlung erfährt, die jedoch nicht zu einer Abkühlung des Fluids bis auf die Temperatur führt, die das Fluid beim Zulauf zu dem Kompressor hatte. Hierdurch steht dem Verdampfer in dem Fluid eine Wärmemenge zur Verfügung, die an den Innenraum des Kraftfahrzeugs abgegeben werden kann. Sofern das vorhandene Expansionsventil für die erfindungsgemäße Heizanwendung nicht geeignet ist (z. B. einen zu kleinen Durchlaß hat), wird vor (oder auch nach) dem Verdampfer eine zusätzliche Drossel vorgesehen, die vorzugsweise in dem Bypaß angeordnet ist.

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die ca. 2 kW bis 5 kW betragende Aufnahmeleistung des Kompressors genutzt werden kann zur Beheizung des Kraftfahrzeuginnenraumes, wobei diese Heizungswärme bereits wenige Sekunden nach der Inbetriebnahme der Klimaanlage zu Beheizungszwecken zur Verfügung steht.

Zum Betrieb der Klimaanlage in ihrer Heizfunktion können insbesondere zwei schaltungstechnische Merkmale zur Anwendung kommen, von denen jedes für sich zu dem gewünschten Ergebnis führt. Zum einen kann der Kondensator durch eine Überbrückung (Bypaß, Kurzschluß) abgeschaltet werden, d. h. das Fluid wird anstatt durch den Kondensator an diesem vorbei geleitet. Alternativ erhält der Kondensator eine Wärmeabschottung, d. h. er wird gegenüber seiner Umgebungsluft isoliert, wodurch seine Wärmetauscherfunktion außer Kraft gesetzt ist. Hierdurch erfolgt (wie bei der Überbrückung) keine oder nur eine geringe Abgabe der Fluidwärme an die Umgebung, so daß die Fluidwärme - trotz Verdampfung bzw. Expansion - in dem Verdampfer zur Verfügung steht.

Vorteilhaft kann die Überbrückung des Kondensators durch einen Bypaß erfolgen, der über ein Ventil alternativ zum Kondensator geschaltet wird. Hierbei kann beispielsweise ein Drei- Wege-Ventil zum Einsatz kommen, in einfacher Weise können auch einfache Sperrventile eingesetzt werden, die alternativ die Zuleitung zu dem Bypaß oder zu dem Kondensator schalten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Figur näher beschrieben.

Eine Klimaanlage 1 enthält einen Fluidkreislauf 2, dessen Flußrichtung (Pfeile) stets in eine Richtung erfolgt. Der Fluidkreislauf 2 wird angetrieben von einem Kompressor 3, der von einem (nicht dargestellten) Motor über eine Riemenscheibe 4 angetrieben wird. Das komprimierte Fluid, das bei den üblicherweise verwendeten Kältemitteln, beispielsweise R134a, einen Druck von ca. 20 bar bis 30 bar aufweist, verläßt den Kompressor 3 und strömt zu einem Drei-Wege-Ventil 5, das durch Verstellen um 90°C in die Stellung "Heizen" (H) oder "Kühlen" (K) schaltbar ist. Abgebildet ist die Stellung "Heizen", in der das Fluid in einen Bypaß 6 geleitet wird, der einen Kondensator 7 überbrückt.

Der Bypaß 6 mündet ohne Ventil in die Abströmleitung 8 des Kondensators 7 (das Drei- Wege-Ventil kann alternativ oder zusätzlich auch nach dem Kondensator eingesetzt werden) in der auch ein Trockner 9 angeordnet ist. Der Trockner 9 dient der Entfernung von Restfeuchte in dem Fluid.

Nach dem Trockner 9 gelangt das Fluid über ein Expansionsventil 10 in einen Verdampfer 11, um von dort über einen Muffler 12 wieder in den Kompressor 3 zu gelangen. Das Expansionsventil 10, kann, wie dargestellt, als Regelgröße das abströmende Fluid von dem Verdampfer 11 haben, auch andere, insbesondere temperaturgesteuerte Regelmechanismen sind möglich.

Wenn das Expansionsventil 10 für den Heizungsbetrieb nicht geeignet ist (z. B. einen zu geringen Durchfluß hat), so kann der Bypaß 6 an Stelle der gepunkteten Anbindung 14 unter Umgehung des Expansionsventils 10 (gestrichelt 15) an den Verdampfer 11 angekoppelt sein, wobei ggf. eine Drossel 16 zur Expansion des Fluids vorgesehen sein kann.

Durch die Umgehung des Kondensators 7 mittels des Bypasses 6 gelangt das Fluid, das den Kompressor 3 mit einer Temperatur von ca. 100°C bis 120°C (abhängig vom Fluid und von der Art der Klimaanlage) verläßt, in etwa mit dieser Temperatur in den Verdampfer, wohingegen in der Stellung K des Ventils 5 in dem Kondensator das Fluid um ca. 30 K bis 50 K abgekühlt (und ggf. kondensiert) wird. Durch dieses höhere Temperaturniveau in dem Verdampfer 11 wird trotz Expansion des Fluids eine hohe Wärmemenge zur Verfügung gestellt, so daß die durch den Verdampfer 11 in den Innenraum 13 des (nicht dargestellten) Kraftfahrzeuges strömende Luft deutlich erwärmt wird. Durch Verstellen des Drei-Wege-Ventils 5 in Stellung K arbeitet die Klimaanlage 1 im üblichen Kältebetrieb.

Zur Komfort- und Sicherungszwecken des Betriebs können ein oder mehrere Sensoren den Betrieb, insbesondere in der Stellung H überwachen, wobei insbesondere Temperatursensoren (auch Drucksensoren) geeignet sind. Mittels der Sensoren kann beispielsweise die Fluidtemperatur vor und/oder nach dem Verdampfer 11 bzw. dem Kompressor 3 überwacht werden.

Claims (8)

1. Klimaanlage, insbesondere Kraftfahrzeugklimaanlage, mit einem geschlossenen Fluidkreislauf (2), in dem ein Kompressor (3) ein komprimierbares Fluid unter einem ersten Druck empfängt und unter einem zweiten Druck, der höher ist als der erste Druck, abgibt, ein Kondensator (7) bzw. erster Wärmetauscher das von dem Kompressor (3) abgegebene Fluid empfängt und in einem kondensierten und/oder abgekühlten Zustand abgibt, ein Verdampfer (11) bzw. zweiter Wärmetauscher das von dem Kondensator (7) bzw. ersten Wärmetauscher abgegebene Fluid empfängt das Fluid verdampft und/oder expandiert und von dem das Fluid in dem geschlossenen Kreislauf (2) wieder zu dem Kompressor (3) gelangt, wobei das Fluid in dem Verdampfer (11) bzw. zweiten Wärmetauscher Wärmeenergie aufnimmt und in dem Kondensator (7) bzw. ersten Wärmetauscher Wärmeenergie abgibt, gekennzeichnet durch eine zuschaltbare zumindest teilweise Überbrückung (6) und/oder Wärmeabschottung des Kondensators (7) bzw. ersten Wärmetauschers.

2. Klimaanlage, insbesondere Kraftfahrzeugklimaanlage, mit einem geschlossenen Fluidkreislauf (2), in dem ein Kompressor (3) ein komprimierbares Fluid unter einem ersten Druck empfängt und unter einem zweiten Druck, der höher ist als der erste Druck, abgibt, ein Kondensator (7) bzw. erster Wärmetauscher das von dem Kompressor (3) abgegebene Fluid empfängt und in einem kondensierten und/oder abgekühlten Zustand abgibt, ein Verdampfer (11) bzw. zweiter Wärmetauscher das von dem Kondensator (7) bzw. ersten Wärmetauscher abgegebene Fluid empfängt, das Fluid verdampft und/oder expandiert und von dem das Fluid in dem geschlossenen Kreislauf (2) wieder zu dem Kompressor (3) gelangt, wobei das Fluid in dem Verdampfer (11) bzw. zweiten Wärmetauscher Wärmeenergie aufnimmt und in dem Kondensator (7) bzw. ersten Wärmetauscher Wärmeenergie abgibt, gekennzeichnet durch eine zuschaltbare zumindest teilweise Außerfunktionsetzung (6) des Kondensators (7) bzw. ersten Wärmetauschers unter Beibehalt der Strömungsrichtung (Pfeile) des Fluids durch den Verdampfer (11) bzw. zweiten Wärmetauscher.

3. Klimaanlage nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine zuschaltbare zumindest teilweise Überbrückung (6) und/oder Wärmeabschottung des Kondensators (7) bzw. ersten Wärmetauschers.

4. Klimaanlage nach Anspruch 1 oder 3, gekennzeichnet durch ein Drei-Wege-Ventil oder ein in ODER-Stellung betreibbares Doppelventil zur Anströmung entweder des Kondensators (7) bzw. ersten Wärmetauschers oder eines Bypasses (6), der den Kondensator (7) bzw. ersten Wärmetauscher überbrückt.

5. Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Überbrückung bzw. Wärmeabschottung bzw. Außerfunktionsetzung des Kondensators bzw. ersten Wärmetauschers das Fluid in dem Verdampfer (11) bzw. zweiten Wärmetauscher Wärmeenergie abgibt.

6. Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Überbrückung bzw. Wärmeabschottung bzw. Außerfunktionsetzung des Kondensators (7) bzw. ersten Wärmetauschers keine Kondensation des Fluids erfolgt.

7. Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor das Fluid stets von dem Verdampfer (11) bzw. zweiten Wärmetauscher empfängt ohne Zwischenschaltung des Kondensators (7) bzw. ersten Wärmetauschers.

8. Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Expansionsventil (10) im Zufluß des Verdampfers (11) bzw. zweiten Wärmetauschers, das auch bei der Überbrückung bzw. Wärmeabschottung bzw. der Außerfunktionsetzung des Kondensators (7) bzw. ersten Wärmetauschers der Expansion des Fluids dient.