DE4132939A1 - Klimaanlage fuer den innenraum eines elektrofahrzeuges - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage für den Innenraum eines Elektrofahrzeuges mit einer alternativ auch als Wärmepumpe arbeitenden Kältemaschine.

Bekannt sind Fahrzeug-Klimaanlagen, deren Kompressions- Kältekreislauf umschaltbar ist, so daß die anfallende Ab­ wärme zur Beheizung des Fahrzeug-Innenraumes herangezogen wird. Bei einer derartigen bekannten Fahrzeug-Klimaanlage wird mittels geeigneter Ventile der Kältemittelkreislauf umgeleitet, so daß der im Kühlbetrieb als Verdampfer fun­ gierende Wärmetauscher für den zu klimatisierenden Luft­ strom im Heizbetrieb als Kondensator für das Kältemittel wirkt. Die entsprechende alternative Führung des Kälte­ mittels bedingt jedoch einen hohen Bauaufwand bei den Kältemittel-Leitungen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine demgegenüber vereinfachte Fahrzeug-Klimaanlage aufzuzeigen, die einen zu klimatisierenden Luftstrom sowohl abkühlen als auch nach dem Wärmepumpenprinzip aufheizen kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß die Kälte­ maschine eine Stirling-Wärmepumpe ist, deren Prozeßablauf umkehrbar ist. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

Bei einer Stirling-Wärmepumpe, wie sie beispielsweise in der DE 35 16 961 C2 beschrieben ist, durchläuft das Ar­ beitsgas, beispielsweise Helium, im Prozeßablauf die fol­ genden Arbeitsgänge:.

• a) Isochore Expansion im kalten Zustand unter Wärmeauf­ nahme,
• b) Isochore Erwärmung bei Durchtritt durch einen Rege­ nerator, der dadurch abkühlt,
• c) Isotherme Kompression im warmen Zustand unter Wärme­ abgabe und
• d) Isochore Abkühlung bei Durchtritt durch den Regene­ rator, der sich dadurch erwärmt.

Beispielsweise in einem ersten Wärmetauscher nimmt das Arbeitsgas somit Wärme auf, während es beispielsweise in einen zweiten Wärmetauscher Wärme abgibt. In einfacher Weise kann somit zumindest einer dieser Wärmetauscher entweder direkt oder unter Zwischenschaltung eines weite­ ren Wärmeträgerkreislaufes indirekt zur Klimatisierung eines dem Fahrzeug-Innenraum zugeführten Luftstromes herangezogen werden. Wird nun der Stirling-Prozeß in einer ersten Richtung betrieben, so fällt beispielsweise am ersten Wärmetauscher Wärme an, die zur Beheizung des Fahrzeugraumes genutzt werden kann. Wird hingegen der Prozeßablauf des Stirling-Prozesses umgekehrt, so wird an diesem ersten Wärmetauscher Kälte frei, die wiederum der Fahrzeug-Klimatisierung dienen kann. Ohne daß aufwendige Umschaltventile oder eine Vielzahl alternativer Kältemit­ telleitungen erforderlich sind, kann somit durch einfache Prozeßumkehr der Fahrzeug-Innenraum entweder gekühlt oder beheizt werden. Ein Stirling-Prozeß ist in seiner Rich­ tung dabei besonders einfach umkehrbar, da keine Expansi­ onsventile oder dgl. erforderlich sind, sondern lediglich ein oder zwei das Arbeitsgas transportierende Kolben so­ wie zwei Wärmetauscher und ein Regenerator für das Ar­ beitsgas erforderlich sind. Besonders einfach kann der Ablauf des Stirling-Prozesses dabei umgekehrt werden, wenn die Drehrichtung einer elektromotorisch angetriebe­ nen Stirling-Wärmepumpe umkehrbar ist. Daher eignet sich eine derartige Klimaanlage in besonders vorteilhafter Weise für ein Elektrofahrzeug, da hierbei ohnehin ein elektromotorischer Klimaanlagen-Antrieb benötigt wird.

Anspruch 3 beschreibt einen weiteren Wärmeträgerkreis­ lauf, der die Nutzwärme oder Nutzkälte der Stirling-Wär­ mepumpe mittels eines weiteren Wärmetauschers auf den zu klimatisierenden Luftstrom überträgt. Weiterhin ist nach Anspruch 3 ein Kühlkreislauf für eine Fahrzeug-An­ triebseinheit vorgesehen. In diesen Kühlkreislauf ist der andere Wärmetauscher der Stirling-Pumpe sowie ein weite­ rer Abwärmetauscher eingebunden, der insbesondere der Kühlung der Fahrzeug-Antriebseinheit dient. Die Abluft dieses Abwärmetauschers kann jedoch ebenfalls zur Klima­ tisierung des Fahrzeug-Innenraumes herangezogen werden, wenn in einem Luftkanal stromab dieses Abwärmetauschers eine entsprechende Umschaltklappe vorgesehen ist, die den Abluftstrom in den Fahrzeug-Innenraum oder - wenn dieser nicht beheizt werden soll - in die Umgebung leitet.

Ist wie oben beschrieben ein Wärmetausch zwischen dem Kreislauf der Stirling-Wärmepumpe sowie einem Kühlkreis­ lauf der Fahrzeug-Antriebseinheit vorgesehen, so kann in Abhängigkeit von der Prozeßrichtung der Wirkungsgrad der Stirling-Wärmepumpe gesteigert werden, wenn zumindest Komponenten der Fahrzeug-Antriebseinheit unterstützend durch eine zuschaltbare Luftkühlung gekühlt werden. Das Temperaturniveau im Kühlkreislauf und somit auch der Wir­ kungsgrad bzw. die Leistungsziffer der Stirling-Wärme­ pumpe können aber auch durch einen im Kühlkreislauf vor­ gesehenen, schaltbaren Bypass zu einzelnen Komponenten der Fahrzeug-Antriebseinheit beeinflußt werden.

Die im folgenden erläuterten Prinzipskizzen zeigen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 1 stellt den Heizbetrieb dar, während bei Fig. 2 der Innenraum eines Elektrofahrzeuges gekühlt wird.

Die gezeigte Klimaanlage dient der Klimatisierung des In­ nenraumes 1 eines Elektrofahrzeuges. Hierzu gelangt ein von einem Gebläse 2 geförderter zu klimatisierender Luft­ strom über einen Klimawärmetauscher 3 in den Fahrzeug-In­ nenraum 1. Über einen Wärmeträgerkreislauf 4, der eine Förderpumpe 4a enthält, ist der Klimawärmetauscher 3 mit einem ersten Wärmetauscher 11 einer in ihrer Gesamtheit mit 10 bezeichneten Stirling-Wärmepumpe verbunden.

Neben dem Wärmeträgerkreislauf 4 ist ein weiterer Flüs­ sigkeitskreislauf in Form eines Kühlkreislaufes 5 für die in ihrer Gesamtheit mit 6 bezeichnete Fahrzeug-An­ triebseinheit vorgesehen. Die Fahrzeug-Antriebseinheit 6 dient dem Antrieb eines den Innenraum 1 aufweisenden Elektrofahrzeuges und besteht im einzelnen aus einem Elektromotor 6a, einer Batterie 6b, sowie einer elektri­ schen Steuereinheit 6c. Bestandteile des Kühlkreislaufes 5 sind neben einer Förderpumpe 5a sowie einem mittels ei­ nes Ventiles 5b schaltbaren Bypass 5c zu einzelnen Kompo­ nenten der Fahrzeug-Antriebseinheit 6 ein Abwärmetauscher 7 sowie ein zweiter Wärmetauscher 12 der Stirling-Wärme­ pumpe 10. Die Förderung des Luftstroms durch den Abwärme­ tauscher 7 übernimmt ein Gebläse 8.

Bei der Stirling-Wärmepumpe 10 handelt es sich um eine an sich bekannte Kältemaschine, die bevorzugt mit Helium als Arbeitsgas arbeitet. Zwei beispielsweise über einen Kreuzkopf-Kurbeltrieb 13 betätigte Kolben 14a, 14b för­ dern das Arbeitsgas alternierend durch die beiden Wärme­ tauscher 11, 12 sowie einen dazwischenliegenden Regenera­ tor 15. Läuft der Kurbeltrieb 13 in dem in Fig. 1 darge­ stellten Drehsinn (Pfeil 16), so wird am ersten Wärmetau­ scher 11 Wärme frei, während am zweiten Wärmetauscher 12 das Arbeitsmittel Wärme vom Kühlkreislauf 6 aufnimmt. Bei umgekehrtem Drehsinn gemäß Fig. 2 hingegen (vgl. Pfeil 16) ist auch der Prozeßablauf der Stirling-Wärmepumpe 10 umgekehrt. Dann wird am zweiten Wärmetauscher 12 Wärme frei, während das Arbeitsgas am ersten Wärmetauscher 11 vom Wärmeträgerkreislauf 4 Wärme aufnimmt. Da die Stir­ ling-Wärmepumpe 10 bzw. deren Kreuzkopf-Kurbeltrieb 13 von einem nicht gezeigten Elektromotor angetrieben wer­ den, kann der Drehsinn 16 einfach umgekehrt werden.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Klimaanlage bei Behei­ zung des Fahrzeug-Innenraumes 1. Wie bereits geschildert, gibt die Stirling-Wärmepumpe bei gezeigtem Drehsinn 16 am ersten Wärmetauscher 11 Wärme an den Wärmeträgerkreislauf 4 ab. Diese Wärmemenge gelangt somit zum Klimawärmetau­ scher 3 und wird auf den vom Gebläse 2 in den Innenraum 1 geförderten Luftstrom übertragen.

Im gezeigten Heizbetrieb gelangt die vom Gebläse 8 geför­ derte Abluft des Abwärmetauschers 7 zur Saugseite des Ge­ bläses 2, so daß der Klimawärmetauscher 3 eintrittsseitig bereits einen vorgewärmten Luftstrom erhält. Wie bereits erläutert dient der in den Kühlkreislauf 5 eingebundene Abwärmetauscher 7 der Kühlung der Fahrzeug-Antriebsein­ heit 6. Das im Kühlkreislauf 5 umlaufende Kühlmittel be­ sitze im gezeigten Heizbetrieb in der elektrischen Steuereinheit 6c beispielsweise eine Temperatur von 40°C, im Elektromotor 6a eine Temperatur von 70°C und in der noch wärmeren Batterie beispielsweise eine Temperatur von 90°C. Anschließend daran gibt das Kühlmittel im zweiten Wärmetauscher 12 der Stirling-Wärmepumpe 10 wie gewünscht bereits einen Teil der Wärmemenge ab. Die endgültige Rückkühlung erfolgt schließlich im Abwärmetauscher 7, dessen erwärmte Abluft wie bereits oben beschrieben vor­ teilhafterweise zur Beheizung des Fahrzeug-Innenraumes 1 herangezogen wird.

Fig. 2 zeigt die Verhältnisse bei einer Kühlung des Fahr­ zeug-Innenraumes 1. Hier arbeitet die Stirling-Wärmepumpe 10 im umgekehrten Prozeßablauf, so daß auch der Kreuz­ kopf-Kurbeltrieb 13 den gegenüber Fig. 1 umgekehrten Drehsinn 16 aufweist. Somit nimmt das Arbeitsmittel der Stirling-Wärmepumpe 10 am ersten Wärmetauscher 11 Wärme auf. Hierdurch erfolgt eine Abkühlung des Wärmeträger­ kreislaufes 4, so daß über den Klimawärmetauscher 3 auch der vom Gebläse 2 in den Innenraum 1 geförderte Luftstrom abgekühlt wird. Wie durch die Pfeile 17a, 17b darge­ stellt, kann das Gebläse 2 hierbei abweichend vom Zustand in Fig. 1 entweder Frischluft (Pfeil 17a) aus der Umge­ bung oder Umluft (Pfeil 17b) aus dem Innenraum 1 fördern.

Beim Prozeßablauf nach Fig. 2 wird am zweiten Wärmetau­ scher 12 der Stirling-Wärmepumpe 10 Wärme frei. Die Tem­ peratur des im Kühlkreislauf 5 umlaufenden Kühlmittels wird somit am Wärmetauscher 12 nochmals erhöht. Die Rück­ kühlung erfolgt in diesem Falle vollständig am Abwärme­ tauscher 7, wobei dessen vom Gebläse 8 geförderter Ab­ luftstrom gemäß Pfeil 17c in die Umgebung gelangt. Ledig­ lich symbolisch dargestellt ist in Fig. 2 eine Klappen­ steuerung 18, die die Luftströme entsprechend den Pfeilen 17a, 17b, 17c leitet. Selbstverständlich gelangt unter Einfluß dieser Klappensteuerung 18 beim Zustand nach Fig. 1 auch der Abluftstrom des Abwärmetauschers 7 zum Gebläse 2 bzw. zum Klimawärmetauscher 3.

Um im Kühlbetrieb für den Fahrzeug-Innenraum 1 gemäß Fig. 2 am zweiten Wärmetauscher 12 eine ausreichende Wärmeab­ gabe durch das Arbeitsmittel der Stirling-Wärmepumpe 10 zu ermöglich und somit deren Leistungsziffer bzw. Wir­ kungsgrad zu steigern, wird die Temperatur des im Kühl­ kreislauf 5 umlaufenden Kühlmittels stromauf des zweiten Wärmetauschers 12 auf einem gegenüber dem Zustand gemäß Fig. 1 geringeren Niveau gehalten. über den Bypass 5c - gesteuert durch das Ventil 5b - gelangt zumindest eine Teilmenge des Kühlmittels nicht durch die Steuereinheit 6c sowie den Elektromotor 6a, so daß das Kühlmittel in der Batterie 6b beispielsweise lediglich eine Temperatur von 60°C habe. Für eine ausreichende Kühlung des Elektro­ motors 6a sorgt dann der bei einer Fortbewegung des Elek­ trofahrzeuges stets entstehende Fahrtwind, symbolisch dargestellt durch die Pfeile 19. Dieser Fahrtwind 19 kann beim Zustand nach Fig. 2 den Elektromotor 6a nahezu unge­ hindert umströmen, da eine Isolationsschale 20, die beim Zustand gemäß Fig. 1 den Elektromotor 6a vollständig um­ gibt, nunmehr geöffnet ist (vgl. Eintrittsöffnung im Be­ reich der Pfeile 19). Diese Eintrittsöffnung für den Fahrtwind 19 kann beispielsweise in Form einer sich ther­ mostatisch öffnenden bzw. schließenden Klappe ausgebildet sein.

Vorteilhafterweise verwendet die beschriebene Klimaanlage sowohl für das Heizen als auch für das Kühlen des Innen­ raumes 1 ein einziges Aggregat in Form der Stirling-Wär­ mepumpe 10, wodurch sich ein einfacher Aufbau ergibt. Durch das Einbinden der Abwärmequellen in Form des Elek­ tromotors 6a, der Steuereinheit 6c, sowie der Batterie 6b wird im Heizbetrieb eine sehr hohe Leistungsziffer er­ reicht. Die Reichweite des Elektrofahrzeuges, die durch die Ladekapazität der Batterie vorgegeben ist, wird beim Heizbetrieb somit nur geringfügig verringert. Im Sommer­ betrieb hingegen entlastet die zusätzliche Kühlung der Fahrzeug-Antriebseinheit 6 durch den Fahrtwind 19 den Kälteprozeß und ermöglicht somit auch dann eine hohe Lei­ stungsziffer der Stirling-Wärmepumpe 10.

Vorteilhafterweise führt die sich temperaturabhängig öff­ nende Isolationsschale 20 den Fahrtwind 19 ohne ein wei­ teres Gebläse zum Elektromotor 6a, der bei Fahrzeugstill­ stand keiner Kühlung bedarf. Vorteilhafterweise kann da­ rüber hinaus der die Stirling-Wärmepumpe 10 antreibende Elektromotor nicht nur in seiner Drehrichtung umkehrbar, sondern auch drehzahlgeregelt sein. Dies gestattet eine Leistungsregelung im Heiz- und Kühlbetrieb im Hinblick auf minimale Leistungsaufnahme. So kann beispielsweise bei geringem Heizbedarf die Stirling-Wärmepumpe 10 vollständig abgeschaltet werden. Weiterbetrieben wird dann lediglich die Förderpumpe 5a, so daß allein durch die Abwärme der Antriebseinheit 6 bereits eine ausrei­ chende Beheizung des Fahrzeug-Innenraumes 1 erfolgt. Auch ist generell die Wahl des Arbeitstemperaturbereiches der Stirling-Wärmepumpe beliebig und kann somit auf eine op­ timale Leistungsziffer sowohl im Heizbetrieb als auch im Kühlbetrieb ausgelegt werden.

Claims (6)

1. Klimaanlage für den Innenraum (1) eines Elektrofahr­ zeuges mit einer alternativ auch als Wärmepumpe ar­ beitenden Kältemaschine, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemaschine eine Stirling-Wärmepumpe (10) ist, deren Prozeßablauf um­ kehrbar ist.

2. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehrichtung (16) der elektromotorisch angetriebenen Stirling-Wärme­ pumpe (10) umkehrbar ist.

3. Klimaanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmetauscher (12) der Stirling-Wärmepumpe (10) Bestandteil eines Kühl­ kreislaufes (5) für eine Fahrzeug-Antriebseinheit (6) ist, der weiterhin einen an einen Luftstrom stets wärmeabgebenden Abwärmetauscher (7) enthält, und daß ein anderer Wärmetauscher (11) der Stirling- Wärmepumpe (10) Bestandteil eines Wärmeträgerkreis­ laufes (4) ist, der einen stets von der zu klimati­ sierenden Luft durchströmten Klimawärmetauscher (3) enthält.

4. Klimaanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Luftkanal stromab des Abwärmetauschers (7) eine Klappensteuerung (18) vor­ gesehen ist, um den Abluftstrom in die Umgebung (17c) oder in den Fahrzeug-Innenraum (1) zu leiten.

5. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine zuschaltbare oder abschaltbare Luftkühlung (Fahrtwind 19) zumindest für Komponenten der Fahrzeug-Antriebseinheit (6) vorgesehen ist, um bei Wärmepumpenbetrieb der Stir­ ling-Wärmepumpe (10) ein gegenüber Kühlbetrieb er­ höhtes Temperaturniveau im Kühlkreislauf (5) zu er­ zielen.

6. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Kühlkreislauf (5) ein schaltbarer Bypass (5c) zu einzelnen Komponenten der Fahrzeug-Antriebseinheit (6) vorgesehen ist.