DE19839002A1 - Im Kältekreis integriertes Heizsystem - Google Patents
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Abstract
Heizungs- und Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges mit einem vom Kühlmittel des Motors beaufschlagbaren Heizwärmetauscher und mit einem im Kältemittelkreislauf der Klimaanlage angeordenten Kompressor zur Verdichtung eines gasförmigen Kältemittels, wobei der Heizwärmetauscher 3 neben dem vom Kühlmittel durchflossenen Tauscherbereich 6 einen separaten Tauscherbereich 7 für das aufgeheizte Kältemittel aufweist, der über eine auf der Druckseite des Kompressors 8 aus dem Kältemittelkreislauf abzweigende Bypassleitung 14 mit aufgeheiztem Kältemittel beaufschlagbar ist, wobei die Bypassleitung 14 nach dem Durchlaufen des Heizwärmetauschers 3 auf der Saugseite des Kompressors 8 wieder in den Kältemittelkreislauf mündet.
Description
Die Erfindung betrifft eine Heizungs- und Klimaanlage eines
Kraftfahrzeuges mit einem vom Kühlmittel des Motors
beaufschlagbaren Heizwärmetauscher und mit einem im
Kältemittelkreislauf der Klimaanlage angeordneten Kompressor
zur Verdichtung eines gasförmigen Kältemittels.
Moderne, auf besonders gute Energienutzung ausgelegte
Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen erzeugen mitunter
weniger Abwärme, als für Komfortzwecke insbesondere für die
Beheizung des Innenraumes benötigt wird. Bei derartigen
Fahrzeugen ist es bekannt, Zusatzheizungen einzusetzen, die
den fehlenden Wärmebedarf decken. Als Zusatzheizungen sind
vor allem Kraftstoffheizungen oder elektrisch betriebene
Heizungen bekannt. Außerdem ist es bekannt, vorhandene
Klimaanlagen zur Heizung einzusetzen, wobei das durch den
Kompressor komprimierte heiße Kältemittel aus dem
Kältemittelkreislauf über eine Bypaßleitung abgezweigt und
durch einen Wärmetauscher geführt wird. Dieser Wärmetauscher
ist wie auch der vom Kühlmittel durchflossene
Heizwärmetauscher im Strom der auszublasenden Luft angeordnet
und erwärmt diese bei Bedarf.
Nachteilig an dem bekannten System ist zunächst der hohe
Einbau- und Kostenaufwand, der mit der Integration zweier
hintereinander angeordnete Wärmetauscher einhergeht. So
bedürfen letztere Wärmetauscher eines großen Einbauraumes und
bieten dabei der durchströmenden Luft einen hohen Widerstand.
Der erhöhte Widerstand führt dazu, daß für den Luftstrom
erzeugenden Ventilator mehr Leistung erforderlich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Heizungs- und
Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges so auszulegen, daß bei
geringem Bauraum eine Zusatzheizung geschaffen wird, mit
welcher der in den Fahrzeuginnenraum geleitete Luftstrom
effektiv aufheizbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Heizungs- und Klimaanlage nach
Anspruch 1 gelöst.
Dadurch daß der Heizwärmetauscher nicht nur durch das
Kühlmittel des Verbrennungsmotors sondern zusätzlich noch
über eine auf der Druckseite des Kompressors aus dem
Kältemittelkreislauf abzweigende Bypaßleitung mit
aufgeheiztem Kältemittel beaufschlagbar ist, kann die
Beheizung des Luftstromes in einem einzigen Wärmetauscher
erfolgen. Dieser Wärmetauscher kann in der Startphase des
Motors, solange das Kühlwasser kalt ist, mit aufgeheiztem
Kältemittel durchströmt werden und dann auf den normalen
Kühlmittelbetrieb umstellen. Die Steuerung des Kühl- bzw.
Kältemittelstromes erfolgt dabei durch regelbare Ventile in
den Leitungen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist der
Heizwärmetauschers neben der vom Kühlmittel durchflossenen
Leitung eine separate Leitung für das aufgeheizte Kältemittel
auf. In dieser Form können die Leitungen an die besonderen
Bedürfnisse des flüssigen Kühlmittels und des gasförmigen
Kältemittels angepaßt und die Austauschtemperatur des
Heizwärmetauschers über die separat einstellbaren Flüsse im
Kühlmittelkreislauf und im Kältemittelkreislauf eingestellt
werden. Je nach Kühlmittel- bzw. Kältemitteltemperatur können
die Ströme gleichzeitig oder zeitlich verschoben in den
Heizwärmetauscher geleitet werden.
Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Heizungs- und
Klimaanlage ist, daß die im Kraftfahrzeug verfügbare
Wärmemenge optimal zur Aufheizung der Luft eingesetzt werden
kann. Gleichzeitig läßt sich das erfindungsgemäße System auf
einfache Weise so auslegen, daß die Geräusche minimiert
werden.
Insgesamt zeichnet sich das System wegen der Reduzierung der
notwendigen Bauteile durch eine hohe Zuverlässigkeit und
durch geringe Bereitstellungskosten aus. Bei guter Anpassung
der Geometrie des Heizwärmetauschers läßt sich ein geringer
Luftwiderstand bei effektiver Wärmeübertragung erreichen, so
daß der für die Erzeugung des Luftstromes nötige
Energieverbrauch klein gehalten werden kann. Vorteilhaft ist
auch, daß sich das erfindungsgemäße System für alle Arten von
Klimaanlagen, beispielsweise für wasserseitig- oder
luftseitig gesteuerte Anlagen und alle Arten von Kältemitteln
einsetzen läßt. Beispielsweise kann das System ohne Probleme
in Klimaanlagen vorgesehen sein, die CO2 statt der
herkömmlichen Kältemittel einsetzen.
Vorteilhafterweise wird das Kältemittel über ein steuerbares
3-Wege-Ventil aus dem Kältemittelkreislauf abzweigt und der
Bypaßleitung zugeführt. Dabei ist es vorteilhaft, nach der
Abzweigung ein Gasexpansionsventil in der Bypaßleitung
vorzusehen, um eine Überhitzung des Kompressors zu vermeiden.
Über die Einstellung des vorteilhafterweise im Durchfluß
einstellbaren oder regelbaren Expansionsventiles läßt sich
die Temperatur des gasförmigen Kältemittels in der
Bypaßleitung einstellen. Wenn zudem der Fluß im
Kühlmittelkreislauf durch ein Kühlmittelventil einstellbar
ist, läßt sich die Temperatur im Heizwärmetauscher unter
effektiver Nutzung der vorhanden Wärmemenge optimal
einstellen.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Heiz-
Klimaanlage ist in der Zeichnung dargestellt und wird im
folgenden näher beschrieben.
Die Figur zeigt ein thermodynamisches Zusatzheizsystem, das
eine Klimaanlage 1 und eine Heizanlage 2 aufweist. Beide
Systeme sind über einen gemeinsamen Heizwärmetauscher 3, der
in diesem Ausführungsbeispiel all Doppelkammerwärmetauscher
ausgebildet ist, gekoppelt. Der Heizungsanlage 2 wird das
Kühlwasser des nicht dargestellten Verbrennungsmotors über
die Kühlmittelleitung 4 zugeführt, wobei der Fluß des
Kühlmittels durch ein Kühlmittelventil 5 einstellbar, das bei
Bedarf geschlossen werden kann. Der Doppelkammerwärmetauscher
3 weist einerseits einen Kühlmitteltank 6 und andererseits
einen Tank 7 für das gasförmige Kältemittel mit den jeweils
zugeordneten nicht dargestellten Wärmetauscherrohren auf. Das
über die Kühlmittelleitung 4 zugeführte warme Kühlwasser
durchströmt die Kühlmittelseite des Heizwärmetauschers, bevor
es nunmehr abgekühlt dem Motor rückgeführt wird.
Die Klimaanlage 2 weist alle Komponenten einer bekannten
Klimaanlage auf und dient im Bedarfsfall der Kühlung des
Fahrzeuginnenraumes. In ihrem Kreislauf befinden sich als
Herzstück der Kompressor 8, der das komprimierte Kältemittel
über eine Druckleitung 9 einem Kondensator 10 zuführt. Hinter
dem Kondensator ist eine Sammler/Trockner-Einheit 11
angeordnet, in der das Kältemittel für die Expansion in einem
nachfolgenden einstellbaren Expansionsventil 12 aufbereitet
wird. Das Kältemittel wird schließlich dem Verdampfer 13
zugeführt, der die Kühlung des Luftstromes herbeiführt.
Erfindungsgemäß zweigt hinter dem Kompressor auf dessen
Druckseite von der Druckleitung 9 eine Bypaßleitung 14 ab,
die mit dem vom Kompressor 8 aufgeheizten Kältemittel
beaufschlagbar ist. Für die Abzweigung ist ein 3-Wege-Ventil
15 vorgesehen, das in die Druckleitung 9 eingebaut ist. Das
3-Wege-Ventil 15 ist mittels eines Antriebes schaltbar.
Durch das 3-Wege-Ventil 15 ausgekoppelt wird das heiße
Kältemittel über die Bypaßleitung 14 einem stufenlos
einstellbaren Gasexpansionsventil 16 zugeführt, über das die
Temperatur des Kältemittels vor Eintritt in den
Heizwärmetauscher 3 regelbar ist. Das je nach Bedarf
abgekühlte Kältemittel gelangt über die Bypaßleitung 14 auf
die Kältemittelseite des Doppelkammerwärmetauschers 3 in den
Tank 7 für das gasförmige Kältemittel. Nach dem Durchlaufen
des Heizwärmetauschers 3 mündet die Bypaßleitung 14 auf der
Saugseite des Kompressors 8 in den Kältemittelkreislauf. Um
einen Fluß des Kältemittels in den Verdampfer 13 zu
vermeiden, ist in dem Kältemittelkreislauf ein
Rückschlagventil 17 eingebaut, das in Richtung des
Verdampfers 13 sperrt.
Claims (8)
1. Heizungs- und Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges mit
einem vom Kühlmittel des Motors beaufschlagbaren
Heizwärmetauscher und mit einem im Kältemittelkreislauf
der Klimaanlage angeordneten Kompressor zur Verdichtung
eines gasförmigen Kältemittels,
dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwärmetauscher
(3) zusätzlich über eine auf der Druckseite des
Kompressors (8) aus dem Kältemittelkreislauf
abzweigende Bypaßleitung (14) mit aufgeheiztem
Kältemittel beaufschlagbar ist, wobei die Bypaßleitung
(14) nach dem Durchlaufen des Heizwärmetauschers (3)
auf der Saugseite des Kompressors (8) wieder in den
Kältemittelkreislauf mündet.
2. Anlage nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Heizwärmetauschers (3) neben dem vom Kühlmittel
durchflossenen Tauscherbereich (6) einen separaten
Tauscherbereich (7) für das aufgeheizte Kältemittel
aufweist.
3. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Bypaßleitung
(14) über ein steuerbares 3-Wege-Ventil (15) vom
Kältemittelkreislauf abzweigt.
4. Anlage nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die in der
Bypaßleitung (14) ein Gasexpansionsventil (16)
angeordnet ist.
5. Anlage nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das
Gasexpansionsventil (16) einstellbar oder regelbar ist.
6. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Fluß im
Kühlmittelkreislauf durch ein Kühlmittelventil (5)
einstellbar ist.
7. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die
Austauschtemperatur des Heizwärmetauschers (3) über den
Fluß im Kühlmittelkreislauf und den Fluß im
Kältemittelkreislauf einstellbar ist.
8. Anlage nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß im
Kältemittelkreislauf zwischen der einmündenden
Bypaßleitung (14) und dem Verdampfer (13) ein
Rückschlagventil (17) angeordnet ist.
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