DE4124889A1 - Klimaanlage zum kuehlen von fahrzeugraeumen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Klimaanlage zum Kühlen von Fahrzeugräumen, insbesondere Kraftfahrzeugräumen.

Es sind Klimaanlagen für Kraftfahrzeugräume, z. B. Innen­ räume von Personenkraftwagen, bekannt, die einen Kühlmit­ telkreislauf mit einem der Umgebung Wärme entziehenden Verdampfer, einem mechanisch von der Antriebs-Brennkraft­ maschine des Kraftfahrzeugs angetriebenen Kompressor und einem Wärme an die Umgebung abgebenden Kondensator aufwei­ sen. Diese Klimaanlagen sind bauaufwendig und platzaufwen­ dig, was insbesondere bei dem Kühlmittelverdampfer störend ist, der voluminös ist und in den Luftzuführungsschacht zum Fahrzeuginnenraum eingebaut werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Klimaanlage zum Kühlen von Fahrzeugräumen, insbesondere Kraftfahrzeug­ räumen, zu schaffen, die weniger bauaufwendig und platz­ aufwendig ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Klimaanlage erfindungs­ gemäß gekennzeichnet durch:

• a) einen Flüssigkeitskreislauf mit einer Umwälzpumpe;
• b) mindestens einen, in den Flüssigkeitskreislauf ein­ gebauten Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher zur Abgabe von Kühlluft in den Fahrzeugraum;
• c) einen in den Flüssigkeitskreislauf eingebauten Kühler, der einen Kühlmittelverdampfer enthält und im Betrieb der Flüssigkeit des Flüssigkeits­ kreislaufs Wärme entzieht; und
• d) einen Kühlmittelkreislauf, in den der Kühlmittel­ verdampfer, ein Kompressor zum Verdichten gasförmi­ gen Kühlmittels und ein Kondensator zum Verflüssi­ gen des verdichteten, gasförmigen Kühlmittels einge­ baut sind.

Bei der erfindungsgemäßen Klimaanlage wird also die im Kühlmittelverdampfer erzeugte Kälte zunächst an einen Flüssigkeitskreislauf transferiert und dann mittels des Flüssigkeit/Luft-Wärmetauschers in den Fahrzeugraum abge­ geben. Auf diese Weise ist man in der Wahl des Einbau­ ortes des Kühlmittelverdampfers wesentlich freier. Außer­ dem weisen Fahrzeuge häufig bereits zum Zwecke der Behei­ zung einen Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher auf, so daß dieser als Funktionsteil der Klimaanlage einbezogen werden kann.

Vorzugsweise ist zum Antrieb des Kompressors ein in seiner Drehzahl regelbarer, vorzugsweise elektronisch regelbarer, Elektromotor vorgesehen. Dies ergibt die Möglichkeit, den Kühlungsbetrieb der Klimaanlage viel umfassender und feiner regeln zu können, als dies bei herkömmlichen Fahrzeug-Klimaanlagen, die üblicherweise eine Ein-Aus-Regelung besitzen, möglich war.

Die erfindungsgemäße Klimaanlage ist zum Kühlen von Fahr­ zeugräumen jeglicher Art vorgesehen. Als Beispiele seien genannt: Passagierräume von Personenkraftwagen, Passagier­ räume von Omnibussen, Fahrerkabinen von Lastkraftwagen, Laderäume von Lastkraftwagen, Führerkabinen von Baumaschi­ nen oder Kränen, Wohnwagenanhänger, Wohnmobile, Motorboote, Segelboote, Flugzeugkabinen.

Aus der vorstehenden Aufzählung ist deutlich, daß es sich bei den Fahrzeugräumen entweder um Fahrzeugräume von Fahr­ zeugen ohne Antriebsmotor zur Fortbewegung oder um Fahr­ zeugräume von Fahrzeugen mit Antriebsmotor zur Fortbewe­ gung, also Kraftfahrzeuge, handeln kann. In Verbindung mit Kraftfahrzeugen ist die erfindungsgemäße Klimaanlage besonders bevorzugt. Kraftfahrzeuge werden in den aller­ meisten Fällen durch eine Brennkraftmaschine angetrieben.

Man kann den Strom, der von dem zum Antrieb des Kompressors vorgesehenen Elektromotor benötigt wird, beispielsweise einem chemischen Energiespeicher (Batterie) des Fahrzeugs entnehmen oder dem öffentlichen Stromnetz (typisches Bei­ spiel: Auf einem Campingplatz abgestellter Wohnwagenan­ hänger). Auch im Fall eines Kraftfahrzeugs kann der benö­ tigte Strom der vorhandenen Starterbatterie bei entspre­ chend großer Auslegung der Kapazität der Starterbatterie und der Leistung des Generators ("Lichtmaschine") des Kraftfahrzeugs entnommen werden. In vielen Fällen ist es jedoch vorteilhafter, einen der Klimaanlage zugeordneten (gesonderten) Generator zu installieren, der von der wei­ ter vorn erwähnten Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs antreibbar ist. In diesem Fall ist die Starterbatterie des Kraftfahrzeugs nicht durch den Strombedarf des genann­ ten Elektromotors belastet. Der eigene Generator muß nur dann angetrieben werden, wenn die Klimaanlage in Betrieb ist.

In den Ansprüchen 2 bis 8 sind weitere Erfindungsmerk­ male angegeben, auf die vorstehend oder anschließend oder weiter unten im Zusammenhang mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels noch näher einge­ gangen wird.

Besonders hervorzuheben ist die Möglichkeit, die erfin­ dungsgemäße Klimaanlage mit einem Heizgerät zu kombinie­ ren, das im Betrieb durch Verbrennung von Brennstoff Wärme erzeugt und an die Flüssigkeit des Flüssigkeitskreislaufs abgibt. Auf diese Art hat man eine kombinierte Anlage zum wahlweisen Beheizen und Kühlen von Fahrzeugräumen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevor­ zugten, schematisiert zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert. Die Zeichnungsfigur zeigt ein kombiniertes Beheizungs- und Kühlsystem für einen Kraftfahrzeugraum in Kombination mit einer dem Antrieb des Kraftfahr­ zeugs dienenden Brennkraftmaschine.

Das gezeichnete System ist am einfachsten verständ­ lich, wenn man von dem in dicken Linien gezeichneten, insoweit herkömmlichen, auch der Beheizung des Kraftfahrzeugraums dienenden Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine ausgeht.

Dieser Kühlmittelkreislauf 2 führt von einer Brenn­ kraftmaschine 4 zu einem Flüssigkeit/Luft-Wärme­ tauscher 6, von dort zu einer Kühlmittel-Umwälz­ pumpe 8 und von dort zurück in die Brennkraftmaschine 4. Der Wärmetauscher 6 ist in einem Luftschacht des Kraftfahrzeugs angeordnet, der über Verteildüsen in den Innenraum des Kraftfahrzeugs mündet. Dieser Luftschacht führt dem Wärmetauscher 6 von der äußeren Umgebung her angesaugte Luft (Frischluftbetrieb) und/oder aus dem Kraftfahrzeugraum angesaugte Luft (Umluftbetrieb) zu. Der Vollständigkeit halber ist am Kühlflüssigkeitsausgang der Brennkraftmaschine 4 das dort üblicherweise vorhandene Thermostatventil 10 sowie ein Kühlflüssigkeitskreislaufteil von dem Thermostatventil 10 durch einen normalerweise im Frontbereich des Kraftfahrzeugs angeordneten Kühler 12 zurück zu der Umwälzpumpe 8 eingezeichnet, außerdem eine direkte Verbindung von dem Thermostat­ ventil zu der Umwälzpumpe 8. Bei kalter Brennkraft­ maschine 4 gibt das Thermostatventil 10 einen direkten Kühlflüssigkeitsrückströmweg zu der Umwälz­ pumpe 8 frei. Bei heißer Brennkraftmaschine 4 wird die Kühlflüssigkeit statt dessen durch den Kühler 12 geleitet.

Mit dünnen Linien ist ein Flüssigkeitskreislauf 20 gezeichnet, mit dem sich ein wahlweises Beheizen und Kühlen des Kraftfahrzeugraums durchführen läßt, und zwar das Beheizen auch dann, wenn die Brenn­ kraftmaschine 4 nicht läuft. Zur Bildung dieses Flüssigkeitskreislaufs zweigt von dem vorstehend beschriebenen Kühlmittelkreislauf 2 an einer ersten Verzweigungsstelle 22 eine Flüssigkeitsleitung 24 ab, die an einer zweiten Verzweigungsstelle 26 wieder in den Kühlmittelkreislauf 2 einmündet. Die erste Verzweigungsstelle 22 liegt zwischen dem Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher 6 und der Brenn­ kraftmaschine 4, und zwar in Flüssigkeitsströmungs­ richtung hinter dem Wärmetauscher 6. Die zweite Verzweigungsstelle 26 liegt zwischen der Brennkraft­ maschine 4 und dem Wärmetauscher 6, und zwar in Flüssigkeitsströmungsrichtung hinter der Brenn­ kraftmaschine 4. An der ersten Verzweigungsstelle 22 ist ein zweites 3/2-Wegeventil 28 vorgesehen, das durch seine Stellung bestimmt, ob die Flüssig­ keit von dem Wärmetauscher 6 zurück zu der Brenn­ kraftmaschine 4 strömt oder durch die Leitung 24 und dann zurück zu dem Wärmetauscher 6.

Die Leitung 24 verzweigt sich an einer fünften Verzweigungsstelle 30 in zwei Parallelzweige 32 und 34. An der fünften Verzweigungsstelle 30 ist ein erstes 3/2-Wegeventil 36 vorgesehen, das durch seine Stellung bestimmt, ob die Flüssigkeit durch den linken Parallelzweig 32 oder den rechten Parallelzweig 34 strömt. In dem linken Parallel­ zweig 32 ist ein Heizgerät 38 eingebaut, das in Betrieb durch Verbrennung von Brennstoff, z. B. Benzin, Dieselöl oder Gas, Wärme erzeugt. Derartige Heiz­ geräte, die häufig "motorunabhängige Heizgeräte" oder "Standheizgeräte" genannt werden, sind bekannt und käuflich erhältlich, so daß das Heizgerät 38 hier nicht näher beschrieben werden muß. Es sei lediglich erwähnt, daß das Heizgerät 38 einen integrierten Verbrennungsgas/Flüssigkeit-Wärme­ tauscher enthält und somit im Betrieb Wärme an die hindurchgeleitete Flüssigkeit abgibt.

In dem rechten Parallelzweig 34 ist ein Kühler 40 eingebaut. In dem Kühler 40 ist in Koaxialbauweise ein Kühlmittelverdampfer 42 eingebaut. Wenn in dem Verdampfer 42 unter Druck stehendes Kühlmittel expandierend verdampft, wird Wärme verbraucht, die der durch den Kühler 40 strömenden Flüssigkeit entzogen wird. Somit kann man den Kühler 40 auch als Wärmetauscher ansehen, in dem der Flüssigkeit Wärme entzogen wird.

Der Verdampfer 42 ist Teil eines Kühlmittelkreis­ laufs 44, dem außer dem Verdampfer ein Kompressor 46 für gasförmiges Kühlmittel und ein Kondensator 48 zum Kondensieren des verdichteten, gasförmigen Kühlmittels angehören. Der Kondensator 48 ist im Frontbereich des Kraftfahrzeugs angeordnet, so daß er durch den Fahrtwind oder einen Kühlerven­ tilator gekühlt werden kann.

In dem rechten Parallelzweig 34 sitzt außerdem ein Rückschlagventil 50, so daß der rechte Parallel­ zweig 34 nur in Richtung von dem ersten Ventil 36 durch den Kühler 40 durchströmt werden kann. Außerdem sitzt in der Leitung 24 vor der fünften Verzweigungsstelle 30 eine elektrisch angetriebene Umwälzpumpe 52.

In gestrichelten Linien ist eine Verbindungsleitung 54 eingezeichnet. Die Verbindungsleitung 54 führt von einer dritten Verzweigungsstelle 56 zu einer vierten Verzweigungsstelle 58. Die dritte Verzwei­ gungsstelle 56 befindet sich zwischen der Brenn­ kraftmaschine 4 und der beschriebenen zweiten Verzweigungsstelle 26, und zwar in Flüssigkeits­ strömungsrichtung hinter der Brennkraftmaschine 4. Zwischen der dritten Verzweigungsstelle 56 und der zweiten Verzweigungsstelle 26 ist ein Rück­ schlagventil 60 eingebaut, so daß die Flüssigkeit nur in Richtung von der dritten Verzweigungsstelle 56 zu der zweiten Verzweigungsstelle 26 strömen kann und nicht umgekehrt. Die vierte Verzweigungs­ stelle 58 befindet sich in der Leitung 24, und zwar zwischen der ersten Verzweigungsstelle 22 und der fünften Verzweigungsstelle 30.

Wenn das erste Ventil 28 in der Stellung "Alle Flüssigkeit in die Leitung 24" steht, ist der Wärmetauscher 6 von der durch die Brennkraft­ maschine führenden Flüssigkeitsströmung abgekoppelt. Er erhält wahlweise zu Heizzwecken Flüssigkeit, die durch das Heizgerät 38 erwärmt worden ist, oder zu Kühlzwecken Flüssigkeit, die durch den Kühler 40 gekühlt worden ist, und zwar je nach Stellung des ersten Ventils 36. Wenn Beheizung des Kraft­ fahrzeugraums gewünscht ist, kann man auch mit einer Zwischenstellung des ersten Ventils 22 arbeiten, so daß der Wärmetauscher 6 von Flüssig­ keit durchströmt wird, die teils in der Brenn­ kraftmaschine 4 und teils in dem Heizgerät 38 erwärmt worden ist.

Die Verbindungsleitung 54 tritt in Funktion, wenn, insbesondere bei nicht laufender Brennkraftmaschine 4, das zweite Ventil 28 in der Stellung "Alle Flüssigkeit zu der Brennkraftmaschine 4" steht. Unter der Wirkung der Umwälzpumpe 52 strömt die Flüssigkeit durch die Verbindungsleitung 54 und den hinteren Teil der Leitung 24 durch das Heizgerät 38 und dann zurück in den Kühlmittelkreislauf 2. Es ergibt sich eine Wärmeabgabe von der in dem Heizgerät 38 erwärmten Flüssigkeit am Wärmetauscher 6 und danach eine Wärmeabgabe an die Brennkraftmaschine 4. Typischer Betriebsfall hierfür ist die Beheizung des Fahr­ zeugraums zugleich mit einer Vorwärmung der Brenn­ kraftmaschine zur Erleichterung des Startens der Brennkraftmaschine 4, also insbesondere Vorbereitung eines Kraftfahrzeugs zum Losfahren nach einer kalten Nacht. Diese Betriebsweise macht in Ver­ bindung mit einem Kühlen der Flüssigkeit in dem Kühler 40 keinen Sinn, so daß das erste Ventil 36 in der Stellung "Alle Flüssigkeit zu dem Heiz­ gerät 38" sein muß.

Es sei erwähnt, daß in Parallelschaltung zu dem beschriebenen Wärmetauscher 6 ein oder mehrere, weitere Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher 6 vorgesehen sein können, beispielsweise ein Wärmetauscher 6 für die linke Personenkraftwagenseite und ein Wärmetauscher 6 für die rechte Personenkraftwagen­ seite. Üblicherweise ist dem Wärmetauscher 6 ein Ventilator zugeordnet, dessen einstellbare Drehzahl die Intensität der Beheizung und der Kühlung des Kraftfahrzeugraums bestimmt.

Der beschriebene Kompressor 46 des Kühlmittel­ kreislaufs ist mit einem elektronisch in seiner Drehzahl regelbaren Antriebs-Elektromotor 60 gekoppelt. Der für den Betrieb des Elektromotors 60 erforderliche Strom wird durch einen Generator 62 erzeugt, der an der Brennkraftmaschine 4 sitzt und von dieser antreibbar ist. Als Ausführungsbeispiel ist ein mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine 4 gekoppelter Keilriemen­ trieb 64 eingezeichnet. Zwischen dem Keilriemen­ trieb 64 und dem Generator 62 befindet sich eine Magnetkupplung 66. Bei gekuppelter Magnetkupplung 66 wird der Generator 62 angetrieben, während der Generator 62 bei entkuppelter Magnetkupplung 66 nicht angetrieben wird.

Eine Regeleinrichtung 68 ist mit einem Kraftfahr­ zeugraum-Temperaturfühler 70 verbunden und weist einen Sollwertgeber 72 auf. Die Regeleinrichtung 68 ist außerdem mit dem Elektromotor 60 und der Magnetkupplung 66 verbunden. Die Regeleinrichtung 68 dient beim bezeichneten Ausführungsbeispiel der Regelung des Kühlungsbetriebs des Systems; sie kann aber auch derart ausgebildet sein, daß sie zusätzlich die Regelung des Heizungsbetriebs des Systems übernimmt.

Wenn der Temperaturfühler 70 feststellt, daß die Temperatur des Kraftfahrzeugraums über der einge­ stellten Soll-Temperatur liegt, wird der Elektro­ motor 60 in Gang gesetzt und die Magnetkupplung 66 eingekuppelt. Je nach Größe des Temperatur­ unterschieds zwischen Soll-Temperatur und Ist- Temperatur wird der Elektromotor 60 mit höherer oder niedrigerer Drehzahl betrieben.

Kombiniert mit der beschriebenen Art der Regelung ist eine weitere, durch die Regeleinrichtung 68 bewerkstelligte Regelung. An der Luftzuströmseite des Wärmetauschers 6 sitzt ein weiterer Temperatur­ fühler 74 und an der Luftaustrittsseite des Wärme­ tauschers 6 ein weiterer Temperaturfühler 76. Wenn der Kühlbedarf besteht, sorgt die Regeleinrichtung 68 unter Beeinflussung der Drehzahl des elektronisch geregelten Elektromotors 60 dafür, daß der Flüssigkeit in dem Kühler 40 so viel Wärme entzogen wird, daß die Luft an der Austritts­ seite des Wärmetauschers 6 eine Temperatur hat, die zwischen 0 und 6° C unterhalb der Lufttemperatur an der Eintrittsseite des Wärmetauschers 6 ist. Bei erheblicher Differenz zwischen Soll-Temperatur und Ist-Temperatur im zu kühlenden Kraftfahrzeugraum wird dabei der obere Grenzwert von 6° C angestrebt, um den Kraftfahrzeugraum möglichst rasch herunter­ zukühlen. Das Nicht-Überschreiten des Grenzwerts von 6° C ist vorteilhaft, um Zuglufterscheinungen bei den Kraftfahrzeuginsassen zu vermeiden.

Es wird betont, daß das beschriebene Heiz- und Kühlsystem auch für Fahrzeuge ohne Antriebs- Brennkraftmaschine 4 vorgesehen sein kann, beispielsweise Wohnwagenanhänger oder Segelboote. Diesen Fall kann man sich dadurch vorstellen, daß der links von der gewellten Linie 78 gezeichnete Systemteil nicht vorhanden ist und daß zwischen dem Kreislauf 2 und der Leitung 24 die strichpunktierte Verbindung 80 besteht. Dann hat man ein mit dem Wärmetauscher 6 arbeitendes Heiz- und Kühlsystem vor sich, bei dem dem Wärmetauscher 6 alternativ Flüssigkeit, die im Heizgerät 38 erwärmt worden ist, und Flüssigkeit, die im Kühler 40 gekühlt worden ist, zugeführt werden kann.

Die beiden Ventile 28 und 36 sind baugleich. Die (Kühl-)Flüssigkeit in dem kombinierten Kreislauf 2, 20 ist normalerweise Wasser oder Wasser/Alkohol- Gemisch.

Integriert in die Regeleinrichtung 68 oder gesondert hiervon ist eine Steuerung vorgesehen, die, wenn Kühl­ betrieb gewünscht ist, sowohl das erste Ventil 36 in die Stellung "alle Flüssigkeit zu dem Kühler 40" als auch das zweite Ventil 28 in die Stellung "alle Flüssigkeit in die Leitung 24" bringt und erst dann, beispielsweise aufgrund von Endlagen-Rückmeldungen, den Antrieb des Elektromotors 60 freigibt.

Claims (8)

1. Klimaanlage zum Kühlen von Fahrzeugräumen, insbe­ sondere Kraftfahrzeugräumen, gekennzeichnet durch:

• a) einen Flüssigkeitskreislauf (20) mit einer Umwälzpumpe (52);
• b) mindestens einen, in den Flüssigkeitskreislauf ein­ gebauten Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher (6) zur Abgabe von Kühlluft in den Fahrzeugraum;
• c) einen in den Flüssigkeitskreislauf (20) einge­ bauten Kühler (40), der einen Kühlmittelverdampfer (42) enthält und im Betrieb der Flüssigkeit des Flüssigkeitskreislaufs (20) Wärme entzieht; und
• d) einen Kühlmittelkreislauf (44), in den der Kühlmit­ telverdampfer (42), ein Kompressor (46) zum Verdich­ ten gasförmigen Kühlmittels und ein Kondensator (48) zum Verflüssigen des verdichteten, gasförmigen Kühl­ mittels eingebaut sind.

2. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Antrieb des Kompressors (46) ein in seiner Drehzahl regelbarer Elektromotor (60) vorgesehen ist.

3. Klimaanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (60) elektronisch regelbar ist.

4. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regeleinrichtung (68), ein Soll­ wertgeber (72) für die Temperatur des Fahrzeugraums und ein Temperaturfühler (70) für den Fahrzeugraum vorgesehen sind, und daß die Regeleinrichtung (68) mit dem Antrieb (60) des Kompressors (46) verbunden ist.

5. Klimaanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Temperaturfühler (74) vorgesehen ist, der die Luft­ temperatur vor dem Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher (6) erfaßt; und ein Temperaturfühler (76) vorgesehen ist, der die Lufttemperatur hinter dem Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher (16) erfaßt;
und daß die Regeleinrichtung (6a) so ausgelegt ist, daß die Kühlluft beim Durchströmen des Flüssigkeit/Luft-Wärme­ tauschers (6) um maximal 6° C abgekühlt wird.

6. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelverdampfer (42) als Koaxi­ alverdampfer in dem Kühler (40) ausgebildet ist.

7. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitskreislauf (20) zwei Parallelzweige (32, 34) aufweist, wobei der Kühler (40) in den einen Parallelzweig (34) und ein Heizgerät (38), das im Betrieb durch Verbrennung von Brennstoff Wärme erzeugt und an die Flüssigkeit abgibt, in den anderen Parallelzweig (32) eingebaut ist;
und daß mindestens ein Ventil (36) vorgesehen ist, das durch seine Stellung bestimmt, durch welchen der beiden Parallelzweige (32, 34) die Flüssigkeit strömt, so daß der Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher (6) zur wahlweisen Abgabe von Kühlluft und Heizluft in den Fahrzeugraum vor­ gesehen ist.

8. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 7 für Kraftfahrzeuge, die für ihren Antrieb eine Brennkraftma­ schine (4) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß für die Stromversorgung des für den Antrieb des Kompressors (46) vorgesehenen Elektromotors (60) ein Generator (62) vorge­ sehen ist, der über eine trennbare Kupplung (66), vorzugs­ weise eine Magnetkupplung, von der Brennkraftmaschine (4) antreibbar ist.