DE4117337A1 - Fahrzeug-klimaanlage nach dem sorptionsprinzip - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeug-Klimaanlage nach dem Sorptionsprinzip mit Luftkanälen für zumindest zwei von einem Luftstrom beaufschlagbare Sorptionsbehälter sowie für einen luftdurchströmten Verdampfer für das Sorptions- Arbeitsmittel. Das technologische Umfeld ist in der DE 33 42 985 C2 beschrieben.

Klimaanlagen nach dem Sorptionsprinzip nutzen die Eigen­ schaft eines Sorptionsmittels, ein Arbeitsmittel begierig aufzunehmen. Hierbei wechselt das Arbeitsmittel seinen Aggregatzustand, d. h. es gelangt von der flüssigen Phase in die gasförmige Phase, wobei der Umgebung Wärme entzo­ gen wird. Erfolgt dieser Phasenwechsel in einem luft­ durchströmten Verdampfer-Wärmetauscher, so kann der am Verdampfer abgekühlte Luftstrom zur Klimatisierung eines Fahrzeuges verwendet werden. Nachdem das in einem ersten Sorptionsbehälter befindliche Sorptionsmittel die maxi­ male Menge von Arbeitsmittel aufgenommen hat, wird dieses Arbeitsmittel durch Beheizung des Sorptionsbehälters wie­ der ausgetrieben und nach Kondensation in einem externen Sammelbehälter gesammelt. Gleichzeitig kann ein zweiter mit nichtgesättigtem Sorptionsmittel befüllter Sorptions­ behälter Arbeitsmittel aufnehmen, wodurch weiterhin am Verdampfer-Wärmetauscher ein gekühlter Luftstrom erzeugt werden kann.

Bei der Aufnahme von Arbeitsmittel wird im Sorptionsmit­ tel bzw. im Sorptionsbehälter Wärme frei, die entweder abgeführt werden muß oder in einem anderen Anwendungsfall einer erfindungsgemäßen Fahrzeug-Klimaanlage zur Be­ heizung des Fahrzeug-Innenraumes herangezogen werden kann. Der oben genannten DE 33 42 985 C2, die als bevor­ zugtes Sorptionsmittel Zeolith und als bevorzugtes Ar­ beitsmittel Wasser bzw. Wasserdampf vorschlägt, ist zu entnehmen, daß eine oben beschriebene Fahrzeug-Klimaan­ lage einen hohen Bauaufwand erforderlich machen würde.

Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine einfache, kom­ pakte Anordnung für eine Fahrzeug-Klimaanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aufzuzeigen. Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß stromab der im wesentlichen nebeneinander angeordneten Sorptionsbe­ hälter Verschlußorgane vorgesehen sind, um einen Luft­ strom durch die Sorptionsbehälter entweder zu unterbinden oder in den Fahrzeug-Innenraum oder in die Umgebung zu leiten, und daß der im Fahrzeug-Innenraum mündende Luft­ kanal für den Verdampfer-Luftstrom mittels eines Ver­ schlußorganes absperrbar ist. Vorteilhafte Weiterbildun­ gen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

Erfindungsgemäß sind für die einzelnen in Luftkanälen ge­ führten Luftströme durch die beiden Sorptionsbehälter so­ wie durch den Verdampfer Verschlußorgane vorgesehen, die beispielsweise als einfache Klappen ausgebildet sein kön­ nen. Für jeden Sorptionsbehälter muß dabei eine Schaltung möglich sein, die es erlaubt, den Luftstrom entweder durch den Sorptionsbehälter in die Umgebung zu leiten - dies ist während des Sorptionsprozesses bei Kühlung des Fahrzeug-Innenraumes erforderlich - oder den Luftstrom durch den Sorptionsbehälter in den Fahrzeug-Innenraum zu führen - dies erfolgt während des Sorptionsprozesses bei einer Beheizung des Fahrzeug-Innenraumes -, oder jegli­ ches Durchströmen des Sorptionsbehälters zu verhindern, da nur dann ein wirksames Austreiben des Arbeitsmittels durch eine externe Beheizung des Sorptionsbehälters mög­ lich ist. Bevorzugt erfolgt diese externe Beheizung elek­ trisch und/oder mittels eines Wärmeträgerkreislaufes. Insbesondere kann dieser Wärmeträgerkreislauf durch die Kühlflüssigkeit des Fahrzeug-Antriebs gebildet werden. Eine erfindungsgemäße Fahrzeug-Klimaanlage ist besonders geeignet für den Einsatz in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, wobei eine elektrische Beheizung der Sorptionsbehälter mit einer Beladung der Antriebsbatte­ rien des Fahrzeuges einhergehen kann und der Wärmeträger­ kreislauf durch das Kühlöl des Elektromotors sowie der Batterien gebildet wird.

Insbesondere sind in jedem Sorptionsbehälter-Luftkanal stromab des Sorptionsbehälters zwei Klappen bzw. Ver­ schlußorgane vorgesehen, von denen eine den Durchgang zum Fahrzeug-Innenraum freigibt oder unterbindet und eine weitere Klappe, die zwischen dem Sorptionsbehälter und der erstgenannten Klappe angeordnet ist, eine Austritts­ öffnung in die Umgebung öffnet oder verschließt. Selbst­ verständlich ist es auch möglich, diese beiden einem Sorptionsbehälter zugeordneten Verschlußorgane in einem einzigen Steuerorgan baulich zusammenzufassen. Weiter ge­ steigert wird die kompakte Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 2, wobei vorteilhafterweise keine separate Fördervorrichtung für das Arbeitsmittel erforderlich ist. Als externer Sammelbehälter für das kondensierte Arbeits­ mittel fungiert gleichzeitig der Verdampfer, so daß das Arbeitsmittel während des Sorptionsprozesses allein durch die herrschenden Druckverhältnisse in den jeweiligen Sorptionsbehälter gefördert wird. Beim Austreiben aus dem Sorptionsbehälter hingegen nimmt das Arbeitsmittel einen gasförmigen Aggregatzustand an und gelangt somit geodä­ tisch nach oben, wo es kondensiert und in verflüssigtem Zustand in den geodätisch ebenfalls oberhalb des Sorpti­ onsbehälters angeordneten Verdampfer gelangt.

Anhand eines lediglich prinzipiell dargestellten Ausfüh­ rungsbeispieles wird die Erfindung im folgenden näher be­ schrieben, wobei Fig. 1 eine Frontansicht und Fig. 2 eine Seitenansicht zeigt. Erfindungswesentlich können dabei sämtliche näher bezeichneten Merkmale sein.

Einem Fahrzeuginnenraum 1 soll mittels eines Gebläses 2 gemäß Pfeilrichtung 3 ein klimatisierter Luftstrom zuge­ führt werden. Hierfür verlaufen stromab des Gebläses 2 drei Luftkanäle 4a, 4b, 4c, die jeweils im Fahrzeug-In­ nenraum 1 münden.

Im Luftkanal 4a und im Luftkanal 4b ist jeweils ein luft­ durchströmter, beheizbarer Sorptionsbehälter 5a, 5b ange­ ordnet, während sich im Luftkanal 4c ein von Luft durch­ strömbarer Verdampfer-Wärmetauscher 6 befindet. Stromab des Verdampfers 6 befindet sich eine als Verschlußorgan 7c für den Luftkanal 4c ausgebildete Klappe, während die Luftkanäle 4a, 4b jeweils von einem klappenartigen Ver­ schlußorgan 7a, 7b verschlossen werden können. Zwischen den Sorptionsbehältern 5a und 5b sowie den nachgeordneten Verschlußorganen 7a, 7b weist jeder Kanal 4a, 4b eine in der Umgebung mündende Austrittsöffnung auf, die von je­ weils einem weiteren Verschlußorgan 8a, 8b verschlossen werden kann.

Die Sorptionsbehälter 5a, 5b sind mit Zeolith als Sorpti­ onsmittel befüllt. Als Arbeitsmittel kommt Wasser bzw. Wasserdampf zum Einsatz, das über Arbeitsmittel-Leitungen 9a, 9b geführt wird. Vom Sorptionsbehälter 5a führt die Arbeitsmittel-Leitung 9a durch einen Wärmetauscher 10 und mündet von diesem aus in Abhängigkeit von der Stellung eines Schaltventiles 11a entweder über eine untere Ein­ trittsöffnung 12a oder über eine obere Austrittsöffnung 13a im Verdampfer 6. In gleicher Weise führt die Ar­ beitsmittel-Leitung 9b ausgehend vom Sorptionsbehälter 5b über den Wärmetauscher 10 zum Schaltventil 11b und mündet in Abhängigkeit von der Stellung dieses Schaltventiles 11b entweder in der oberen Austrittsöffnung 13b oder in der unteren Eintrittsöffnung 12 b des Verdampfers 6.

Ferner verläuft durch die Sorptionsbehälter 5a, 5b je­ weils ein mittels eines Ventiles 14a, 14b absperrbarer Wärmeträgerkreislauf 15a, 15b zur wahlweisen Beheizung des jeweiligen Sorptionsbehälters 5. Die beschriebene Klimaanlage funktioniert somit wie folgt:
Soll dem Fahrzeug-Innenraum 1 ein gekühlter Luftstrom zu­ geführt werden, so befindet sich das Verschlußorgan 7c in der mit durchgezogenen Linien dargestellten Position, so daß der Luftkanal 4c geöffnet ist. Auch die Verschlußor­ gane 7a, 7b befinden sich in der in durchgezogenen Linien gezeigten Position und sperren somit die Kanäle 4a, 4b gegenüber dem Fahrzeug-Innenraum 1 ab.

Zunächst befindet sich das Verschlußorgan 8a in der mit durchgezogenen Linien dargestellten Position, während das Verschlußorgan 8b die strichliert dargestellte Position einnimmt. Während somit aus dem Luftkanal 4a ein vom Ge­ bläse 2 geförderter und den Sorptionsbehälter 5a durch­ dringender Luftstrom in die Umgebung gelangen kann, wird der Sorptionsbehälter 5b nicht durchströmt, da der zuge­ hörige Luftkanal 4b vollständig abgesperrt ist. Hingegen fördert das Gebläse 2 stets einen Luftstrom durch den Verdampfer 6.

Da im geschilderten Zustand der Sorptionsbehälter 5a von Luft durchströmt und somit abgekühlt wird, kann das darin befindliche Sorptionsmittel Arbeitsmittel, d. h. Wasser­ dampf aufnehmen. Dieser Wasserdampf wird aus der oberen Austrittsöffnung 13a des Verdampfers 6 abgezogen - hier­ für befindet sich das Schaltventil 11a in der gezeigten Position - und gelangt über den Wärmetauscher 10 sowie die Arbeitsmittel-Leitung 9a in den Sorptionsbehälter 5a. Im Verdampfer 6 entsteht der Wasserdampf dabei aus dem am Boden des Verdampfers befindlichen verflüssigten Arbeits­ mittel, d. h. Wasser. Mit dem Übergang dieses Wassers vom flüssigen in den gasförmigen Zustand wird im Verdampfer 6 dem unter Einfluß des Gebläses 2 hindurchströmenden Luft­ strom Wärme entzogen, so daß erwünschtermaßen ein abge­ kühlter Luftstrom in den Fahrzeug-Innenraum gelangt.

Gleichzeitig wird der Sorptionsbehälter 5b über den Wärmeträgerkreislauf 15b bei geöffnetem Ventil 14b be­ heizt. Hierdurch wird das im Sorptionsbehälter 5b befind­ liche Wasser ausgetrieben und gelangt über die Arbeits­ mittel-Leitung 9b in den Wärmetauscher 10. Durch den Wär­ metausch mit der Arbeitsmittel-Leitung 9a kondensiert der ausgetriebene Wasserdampf und gelangt über das wie ge­ zeigt geschaltete Schaltventil 11b zur unteren Eintritts­ öffnung 12b des Verdampfers 6, wo es letztendlich dem Vorrat von verflüssigtem Arbeitsmittel hinzugefügt wird.

Ist der Sorptionsbehälter 5a vollständig mit Arbeitsmit­ tel gefüllt und ist zugleich das Arbeitsmittel aus dem Sorptionsbehälter 5b vollständig ausgetrieben, so wird der Prozeß umgeschaltet. Die Schaltventile 11a, 11b wer­ den dann in die andere nicht gezeigte Position gebracht, das Ventil 14a wird geöffnet und das Ventil 14b wird ge­ schlossen. In diesem Stadium nimmt der Sorptionsbehälter 5b Arbeitsmittel auf, das im Verdampfer 6 unter Wärmeauf­ nahme von dem hindurchtretenden Luftstrom in den gasför­ migen Zustand überwechselte. Gleichzeitig wird der Sorp­ tionsbehälter 5a beheizt und somit das darin befindliche Arbeitsmittel ausgetrieben. Selbstverständlich werden für diesen Prozeß die Verschlußorgane 8a, 8b in die jeweils andere Position gebracht, so daß nunmehr der Luftkanal 4a des nunmehr beheizten Sorptionsbehälters 5a geschlossen ist, während der Sorptionsbehälter 5b durch den über das nunmehr geöffnete Verschlußorgan 8b austretenden Luft­ strom gekühlt wird.

Die beiden oben beschriebenen Zustände liegen bei einer Kühlung des Fahrzeug-Innenraumes 1 vor. Soll hingegen der Fahrzeug-Innenraum 1 beheizt werden, so wird zunächst der Luftkanal 4c des Verdampfers 6 durch das Verschlußorgan 7c (strich-punktierte Position) verschlossen. Gleichzei­ tig werden die beiden Verschlußorgane 7a, 7b ebenfalls in die strich-punktierte Position gebracht, so daß die Luftkanäle 4a, 4b im Fahrzeug-Innenraum 1 münden. Die beiden Verschlußorgane 8a, 8b nehmen dann die die Luftkanäle 4a, 4b gegenüber der Umgebung abschließende Position ein. Vor Inbetriebnahme des Fahrzeuges, das ins­ besondere als elektrisch angetriebenes Fahrzeug ausgebil­ det ist, wurden die beiden Sorptionsbehälter 5a, 5b mit­ tels einer nicht gezeigten elektrischen Heizvorrichtung - diese kann direkt oder über den Wärmeträgerkreislauf ein­ wirken - beheizt, so daß aus beiden Sorptionsbehältern 5a, 5b das darin befindliche Arbeitsmittel ausgetrieben wurde. Parallel zueinander oder zeitlich nacheinander können durch entsprechende Ansteuerung der Schaltventile 11, 11b nunmehr die beiden Sorptionsbehälter 5a, 5b dampfförmiges Arbeitsmittel aufnehmen und geben hierbei Wärme ab, die bei der beschriebenen Position der Ver­ schlußorgane 7a, 7b, 7c, 8a, 8b über den vom Gebläse 2 geförderten Luftstrom in den Fahrzeug-Innenraum 1 ge­ langt. Eine Beheizung des Fahrzeug-Innenraumes 1 ist je­ doch auch dann möglich, wenn die beiden Sorptionsbehälter 5a, 5b vollständig mit Arbeitsmittel geladen sind. Zum einen können hierbei die beiden Sorptionsbehälter 5a, 5b als Wärmetauscher wirken, wenn diese jeweils vom Wärme­ trägerkreislauf 15a, 15b durchströmt werden. Es ist aber auch möglich, den oben geschilderten Prozeß des alternie­ renden Austreibens bzw. Aufnehmens von Arbeitsmittel durchzuführen, wobei abweichend von der obigen Schilde­ rung die bei der Sorption in jedem Sorptionsbehälter 5a, 5b freiwerdende Wärmemenge in den Fahrzeug-Innenraum 1 gelangt.

Die gezeigte Fahrzeug-Klimaanlage nach dem Sorptionsprin­ zip hat den Vorteil, daß bei einer einfachen Anordnung sowohl eine Abkühlung als auch eine Beheizung des Fahr­ zeug-Innenraumes kontinuierlich möglich ist. Die gezeigte Anordnung baut äußerst kompakt und macht sich hierbei die unterschiedlichen Aggregatzustände des Sorptions-Arbeits­ mittels zu nutze. Die Sorptionsbehälter 5a, 5b übernehmen gleichzeitig die Funktion eines Wärmetauschers, während der Verdampfer 6 gleichzeitig als Reservoir für verflüs­ sigtes Arbeitsmittel dient. Der Wärmetauscher 10 zwischen den Arbeitsmittel-Leitungen 9a, 9b ist einer schnellen kontinuierlichen Kondensation des zu verflüssigenden Ar­ beitsmittels förderlich, wobei aufgrund der gezeigten An­ ordnung - d. h. der Wärmetauscher 10 liegt oberhalb des Verdampfers 6 und dieser oberhalb der Sorptionsbehälter 5a, 5b - keine Fördervorrichtung für das Arbeitsmittel erforderlich ist. Vielmehr erfolgt dessen Transport allein unter Schwerkrafteinfluß bzw. unter Ausnutzung der bei der Sorption herrschenden Druckverhältnisse, da das das Arbeitsmittel anlagernde Sorptionsmittel das Arbeitsmittel förmlich aus dem Verdampfer 6 absaugt. Auch zeichnet sich die gezeigte Anordnung der einzelnen Ele­ mente durch eine äußerst kompakte Bauweise aus, wobei lediglich eine geringe Anzahl von Klappen bzw. Verschluß­ organen 7, 8 erforderlich ist, um eine Vielzahl von Funk­ tionen realisieren zu können. Detaillierte konstruktive Ausführungsformen können dabei durchaus abweichend vom gezeigten, lediglich prinzipiell dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims (4)

1. Fahrzeug-Klimaanlage nach dem Sorptionsprinzip mit Luftkanälen (4a, 4b, 4c) für zumindest zwei von einem Luftstrom beaufschlagbare Sorptionsbehälter (5a, 5b) sowie für einen luftdurchströmten Ver­ dampfer (6) für das Sorptions-Arbeitsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß stromab der im wesentli­ chen nebeneinander angeordneten Sorptionsbehälter (5a, 5b) Verschlußorgane (7a, 7b, 8a, 8b) vorgesehen sind, um einen Luftstrom durch die Sorptionsbehälter (5a, 5b) entweder zu unterbinden oder in den Fahr­ zeug-Innenraum (1) oder in die Umgebung (Verschlußorgane 8a, 8b) zu leiten, und daß der im Fahrzeug-Innenraum (1) mündende Luftkanal (4c) für den Verdampfer-Luftstrom mittels eines Verschlußor­ ganes (7c) absperrbar ist.

2. Fahrzeug-Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (6) im wesentlichen geodätisch oberhalb der Sorptionsbehäl­ ter (5a, 5b) angeordnet ist.

3. Fahrzeug-Klimaanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sorptionsbehälter (5a, 5b) elektrisch und/oder mittels eines Wärmeträ­ gerkreislaufes 15a, 15b) beheizbar sind.

4. Fahrzeug-Klimaanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträgerkreislauf (15a, 15b) durch das Kühlöl des Fahrzeug-Elektroan­ triebs gebildet wird.