DE4209188C2 - Anordnung zur Klimatisierung von Räumen, insbesondere der Fahrgastzelle von Kraftfahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Klimati­ sierung von Räumen, insbesondere der Fahrgastzelle von Kraft­ fahrzeugen, mit einer Kältemaschine und Mitteln zum Beheizen eines in den zu klimatisierenden Raum eingeleiteten Gebläse­ luftstroms.

Bekannte Klimageräte dieser Art verfügen in der Regel über zwei parallele Gerätekreisläufe, von denen der eine die Kälte­ maschine enthält und zum Kühlen (Wärmeentzug) der Fahrgastzelle und der andere zum Beheizen (Wärmezufuhr) der Fahrgastzelle dient. Beide Kreisläufe sind mit getrennten und unterschiedlich aufgebauten Wärme-Übergabevorrichtungen versehen, die in ggf. unterschiedlichen Kanälen dem Luftstrom des Gebläses ausgesetzt werden. Der Heizkreislauf ist dabei in der Regel an den Kühler­ kreislauf angebunden und nutzt Abwärme von den gekühlten An­ triebsaggregaten o. dgl. zur Gewinnung der für die Fahrgastzelle benötigten Wärme aus. Der Kondensator des Kühlkreislaufs ist dem Fahrzeugkühler zugeordnet, so daß über das Kühlergebläse Wärme abgeführt werden kann. Der Verdampfer liegt im Einflußbe­ reich des Innenraumgebläses, um Wärme aus dem zu klimatisieren­ den Raum aufzunehmen. Diese bekannnte Klimaanordnung bedingt eine individuelle Anpassung beider parallelen Systemkreise an die jeweiligen Leistungs- und Einbaubedingungen. Das Einbauvo­ lumen ist wegen der beiden unterschiedliche Wärmeübergabevor­ richtung groß, und zwar insbesondere im Bereich der Fahrgast­ zelle. Es sind besondere Maßnahmen zu treffen, damit der durch die Fahrgastzelle geleitete Kältemittelkreislauf keine schäd­ lichen Dämpfe oder Leckageströme freisetzen kann.

Bei einer aus der DE 38 34 387 A1 bekannten Anordnung zum Heizen und Kühlen der Fahrgastzelle von Kraftfahrzeugen ist be­ reits ein gemeinsamer Heiz/Kühl-Kreislauf vorhanden, der in der Fahrgastzelle angeordnete Wärmetauschkörper durchströmt. Dieser Heiz- und Kühl-Kreislauf enthält einen Kältemittelverdampfer und einen Heizungswärmetauscher, die nacheinander von dem Fluid des Heiz/Kühl-Kreislaufs (Sekundärkreislauf) durchströmt wer­ den. Bei dieser bekannten Anordnung gibt es zwei Primärkeis­ läufe, nämlich den Kältemittelkreislauf und den Heizkreislauf, die jeweils mit dem Sekundärkreislauf in wärmetauschender Be­ ziehung stehen. Durch den gemeinsamen Sekundärkreislauf, über den sowohl die Energie des Kältemittelkreislaufs als auch des eigentlichen Heizkreislaufs zur Fahrgastzelle übertragen wird, kann einerseits das Bauvolumen verringert und andererseits die Gefährdung der Fahrgastzelle und der Fahrgäste durch Leckströme im Kältemittelkreislauf vermieden werden. Die Verwendung von zwei Primärkreisläufen (Kältemittel-Primärkreislauf und Heiz­ mittel-Primärkreislauf) und vor allem deren betriebliche Serien­ schaltung ist jedoch nicht ohne Probleme. Der Heizungswärme­ tauscher bildet aufgrund seiner Serienschaltung mit dem Kälte­ mittelverdampfer einen ständigen Nachwärmer für das zu kühlende Fluid. Dadurch wird die Energie zumindest teilweise vernichtet, die vorher zur Erzeugung der gewünschten Kühlwirkung eingesetzt wurde.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine besonders raumsparend und einfach installierbare Klimaanordnung zu schaffen, die die eingesetzte Energie besonders gut nutzen kann und daher als Klimagerät vor allem für kleine Elektrofahrzeuge geeignet ist.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merk­ male des Patentanspruchs 1.

Die erfindungsgemäße Anordnung hat zahlreiche Vorteile: Ei­ nerseits sind alle zur Kältemaschine gehörigen Komponenten von der Fahrgastzelle unabhängig in einem kompakten Gerät unterzu­ bringen, und andererseits kann die Heizenergie bei minimalen Energieverlusten in den Sekundärkreislauf eingekoppelt werden. Die Einkopplung der Wärme kann von dem Wärmeentzug über den Verdampfer der Kältemaschine völlig unabhängig gemacht werden. Dadurch ermöglicht die Erfindung eine optimale Nutzung der zur Klimatisierung aufgewandten thermischen Energie. Die Vorteile des oben beschriebenen Standes der Technik, nämlich die Tren­ nung des Kältemittelkreislaufs von der Fahrgastzelle und die großen Freiheiten hinsichtlich der Art des verwendeten Kälte­ mittels und der Anordnung der Komponenten werden auch bei der Erfindung uneingeschränkt genutzt.

In bevorzugter Ausführungsform findet eine nach dem Kom­ pressionsprinzip arbeitende Kältemaschine Verwendung. Der Se­ kundärkreislauf ist dabei mit dem Verdampfer und/oder deren Kondensator in wärmetauschender Verbindung. Das ggf. mit Frost­ schutz gemischte Wasser als Sekundärkreislauffluid wird in an sich bekannter Weise über den Antriebsmotor des Fahrzeugs und durch dessen Kühler gepumpt und nimmt Abwärme der vorhandenen Wärmequellen auf. Bei einem Elektrofahrzeug wird die Abwärme der als Antriebs-Energiequellen dienenden Batterien vorzugs­ weise ebenfalls durch den Sekundärkreislauf abgeführt und zur Klimatisierung genutzt.

Eine besonders kompakte Anordnung und einfache Bauform läßt sich gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung da­ durch erreichen, daß in dem Gebläseluftstrom des zu klimatisie­ renden Raums angeordnete Wärmetauscher sowohl im Kühlbe­ trieb als auch im Heizbetrieb in den Sekundärkreislauf einge­ bunden ist. Im Kühlbetrieb nimmt dieser Innenwärmetauscher Wärme aus dem Gebläseluftstrom auf und kühlt damit den zu kli­ matisierenden Raum; im Heizbetrieb gibt derselbe Wärmetauscher Wärme an den Gebläseluftstrom ab.

Eine besonders günstige Nutzung der Abwärme vorhandener Wärmequellen läßt sich bei einem bevorzugten Ausführungsbei­ spiel der Erfindung dadurch erreichen, daß Mittel, insbesondere ein als Umschalt- oder Mischventil betriebenes Dreiwegeventil, zur Abwärmesteuerung und -verteilung auf einen Kühler und/oder den Innenwärmetauscher vorgesehen sind.

Zur Erhöhung des Wärmekomforts, speziell bei Elektrofahr­ zeugen kann eine als elektrischer Durchlauferhitzer ausgebil­ dete Zusatzheizung mit dem Sekundärkreislauf verbunden sein. Diese Zusatzheizung ist vor allem bei einem Wärmedefizit im Se­ kundärkreislauf einschaltbar. Der elektrische Durchlauferhitzer kann wenigstens einen rohrförmigen Heizmodul aufweisen, der aus einem Kunststoffrohr mit einbauten Blankheizdrähten besteht. Bei höherem Bedarf an zusätzlicher Heizleistung können auch mehrere rohrförmige Heizmodule vorzugsweise lösbar miteinander gekuppelt werden.

Zur Verbesserung der Dichtheit des Kältesystems sind die Verbindungsleitungen des Kältemittelkreislaufs vorzugsweise als verlötete Festverrohrungen vorgesehen.

Eins vielseitig einsetzbare Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemaschine Mittel zum Reversieren der Kältemittel-Strömungsrichtung durch diejenigen beiden Aggregate aufweist, welche Kondensator und Verdampfer bilden, und daß die beiden Kältemaschinenaggregate so ausgebil­ det und angeordnet sind, daß sie in Abhängigkeit von der Kälte­ mittel-Strömungsrichtung alternativ als Kondensator oder Ver­ dampfer betreibbar sind. Diese Ausführung hat den Vorteil, daß der Sekundärkreislauf nur mit einem der beiden Kältemittelag­ gregate unter Wärmeübertragung gekoppelt zu sein braucht und von diesem Aggregat im Heizbetrieb Wärme zum Beheizen des In­ nenraums übernimmt oder - im Kühlbetrieb - aus dem Innenraum aufgenommene Wärme an das als Kondensator wirkende Aggregat übergibt. Die Strömungsrichtung ist mit Hilfe eines Vierwege­ ventils einfach umsteuerbar. Bei dieser Ausführungsform ist je­ dem der beiden Kältemittelaggregate ein eigenes Expansionsven­ til und ein Bypass zugeordnet. Der Bypass ist in der einen Strömungsrichtung jeweils geschlossen, wenn das Expansionsven­ til wirksam und das zugehörige Aggregat als Kondensator betrie­ ben wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, das sich besonders für den Einbau als Klimaanlage für ein Elektro­ fahrzeug eignet; und

Fig. 2 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel, bei dem die Kältemaschine zwecks selektiver Heizung oder Kühlung eines In­ nenwärmetauschers reversierbar ist.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Klimaanlage weist eine Kompressorkältemaschine 1 auf, deren Kältemittelkreislauf 10 durch verstärkte Linien dargestellt ist. Die Kältemaschine hat einen Verdichter 11, einen diesem nachge­ schalteten Kondensator 12, einen Filtertrockner 13, ein Expan­ sionsventil 14, einen Verdampfer 15 und eine der Steuerung dienende, hier als Abwärmeelektronik 16 bezeichnete Meß- und Steuerschaltung.

Die Klimaanordnung gemäß Fig. 1 hat ferner einen mit ver­ gleichsweise dünnen Linien dargestellten Sekundärkreislauf 2, in welchem ein gesundheitlich und chemisch unbedenkliches Fluid mit guten Wärmeübertragungseigenschaften, beispielsweise Was­ ser, gemischt mit einem Gefrierschutzmittel, umgewälzt wird. Der Sekundärkreislauf 2 hat einen ersten, der Klimatisierung dienenden Zweig 20, der einerseits mit dem Verdampfer 15 der Kältemaschine 1 und andererseits mit einem Innenwärmetauscher 3 verbunden ist. Der Innenwärmetauscher 3 ist so angeordnet, daß er vom Luftstrom 5 eines Gebläses 4 beaufschlagt wird. Dieser Ge­ bläseluftstrom 5 wird durch ein hier nur schematisch als Kanal 6 dargestelltes Verteilungssystem in die zu klimatisierende Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs geleitet. Ein zweiter Zweig 21 des Sekundärkreislaufs 2 dient zur Abwärmenutzung der vorhandenen Wärmequellen (das sind im dargestellten Ausführungsbeispiel die Batterieblöcke 22, der Antriebsmotor 23, einer ebenfalls als "Abwärmeelektronik" 16a, 16b (bezeichneten Elektroniksteuerung usw.) und steht im Normalbetrieb mit dem Kühler 7 des Fahrzeugs in Ver­ bindung. Über ein Dreiwegeventil 24, das als Umschalt- oder Mischventil betrieben werden kann, kann das Sekundärkreislauf­ fluid in Abhängigkeit von der Elektroniksteuerung über einen Durchlauferhitzer 25 in den ersten Zweig 20 und von dort zum Innenwärmetauscher 3 geleitet werden. Im ersten und im zweiten Zweig 20 und 21 sind geeignete Umwälzpumpen 26 und 27 angeord­ net, die normalerweise zweipunktgeregelt sind. Ein Ventilator 8 verstärkt in bekannter Weise die Wärmeabführung vom Kondensator 12 bzw. dem mit diesem in wärmeübertragendem Kontakt stehenden Kühler 7. Die neben den Leitungen eingetragenen Pfeile veran­ schaulichen die Strömungsrichtungen sowohl des Primärkältemit­ tels als auch des sekundären Fluids.

Im Kühlbetrieb wirkt die Kompressionskältemaschine 1 auf den Gebläseluftstrom 5 nicht direkt, sondern indirekt durch Wärmeentzug aus dem an den Innenwärmetauscher 3 angebundenen ersten Zweig 20 des Sekundärkreislaufs 2. Die über den Verdamp­ fer 15 aus dem Sekundärkreislauf 2 aufgenommene Wärme wird ent­ sprechend dem Arbeitsprinzip einer Kompressionskältemaschine am Kondensator 12 freigesetzt und über den Kühler 7 und den Ven­ tilatorluftstrom 8 abgeführt.

Ist die Klimaanlage so eingestellt, daß der Fahrgastzelle über den Gebläseluftstrom 5 Wärme zugeführt werden soll, so ist die Kältemaschine 1 über die zugehörige Elektronik abgeschal­ tet. Die Abwärme vorhandener Wärmequellen (Batterie 22 und An­ triebsmotor 23) wird über den zweiten Zweig 21 des Sekundär­ kreislaufs 2 aufgenommen und über das Dreiwegeventil 24 und den Verbindungszweig 28 zum ersten Zweig 20 und von dort zum Innen­ wärmetauscher 3 geleitet. Sollte die nutzbare Wärme der vorhan­ denen Wärmequellen (22, 23) zur Deckung des Wärmebedarfs in der Fahrgastzelle nicht ausreichen, so wird der Durchlauferhitzer 25 im Zweig 28 aktiviert. Der Durchlauferhitzer 25 weist bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wenigstens einen rohrförmigen Heizmodul auf, der aus einem Kunststoffrohr mit eingebauten Blankheizdrähten besteht.

Der Sekundärkreislauf 2 ist ähnlich herkömmlichen Kühlkreis­ läufen geschlossen und, im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einem Ausgleichsbehälter 29 versehen. Das üblicherweise aus Wasser und einem Gefrierschutzmittel bestehende Sekundärkreis­ lauf-Fluid ist gesundheitlich und chemisch unbedenklich. Soll­ ten durch ungewöhnliche Beanspruchungen oder durch Alterungser­ scheinungen Undichtigkeiten an der Sekundärkreislaufschnitt­ stelle zur Fahrgastzelle auftreten, so beeinträchtigen diese allenfalls die Funktion des Klimasystems und der Motorkühlung, nicht aber die Gesundheit und Sicherheit der Fahrgäste.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 hat alle zuvor anhand Fig. 1 beschriebenen funktionswesentlichen Komponenten der Klimaanordnung; die übereinstimmenden Komponen­ ten sind daher mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist die Kältemit­ tel-Strömungsrichtung im Kältemittelkreislauf 10a selektiv re­ versierbar. Dies geschieht mit Hilfe eines Vierwege-Ventils 17, das Aus- und Eingänge des Verdichters 11 im Weg zwischen den beiden Kältemaschinenaggregaten 12a und 15a umpolen kann. In Fig. 2 ist die Kältemittel-Strömungsrichtung entsprechend Fig. 1 gezeigt, so daß die Kältemaschine Wärme über den Ver­ dampfer 15a aus dem Sekundärkreislauf 2 aufnehmen kann (Kühlbetrieb). Dabei ist das Expansionsventil 14 wirksam und ein in einer Bypassleitung angeordnetes Rückschlagventil 18 gesperrt. Bei Umschaltung des Vierwegeventils 17 strömt das Kältemittel in der den Pfeilen entgegengesetzten Richtung, d. h. das Kältemittel wird vom Verdichter 11 in Richtung des Kältema­ schinenaggregats 15a komprimiert und in Richtung des Kältema­ schinenaggregats 12a entspannt. In diesem Betriebszustand bil­ det das Aggregat 15a den Kondensator und das Aggregat 12a den Verdampfer. Über das Aggregat 15a gibt die Kältemaschine 1a Wärme in den Sekundärkreislauf 2 und beheizt den Innenwärme­ tauscher 3, dessen Wärme wiederum von dem Gebläseluftstrom 5 in die Fahrgastzelle übertragen wird. Auf diese Weise ist eine höchst komfortable Funktionsumschaltung ohne wesentliche Ände­ rung der Form und Lage der Funktionskomponenten der Kältema­ schine 1a und bei identischer Anordnung des Sekundärkreislaufs 2 möglich.

Der Durchlauferhitzer 25 ist nur noch als Notheizung ange­ ordnet. Der vereiste Verdampfer kann mittels Abwärme aus dem Kühler 7 (Luftstrom des Ventilators 8) abgetaut werden. Reicht die natürliche Verlustwärme nicht aus, so kann der Durchlaufer­ hitzer 25 auch zur Abtauung verwendet werden.

Die in der Zeichnung als Block 9 dargestellten Komponenten der Kältemaschine 1 bzw. 1a und des Sekundärkreislaufs 2 sowie der Kühler 7 können als eine Baueinheit ggf. in einem gemein­ samen Gehäuse vorgesehen sein. Diese Baueinheit 9 kann an einer geeigneten Stelle, insbesondere im Motorraum des Kraftfahrzeugs untergebracht werden. Aufgrund der Begrenzung des Kältemittel­ kreislaufs sind nur geringe Kältemittelmengen notwendig. Die Kältemaschine selbst kann auf vergleichsweise geringem Raum un­ tergebracht werden.

Der hier als Innenwärmetauscher 3 be­ zeichnete Wärmetauscher kann bei entsprechend angelegten Luft­ leitkanälen auch außerhalb des eigentlichen Innenraums angeord­ net sein. Der Kühlkreislauf mit dem Kühler 7 braucht nicht un­ bedingt an den bei dem erfindungsgemäßen Klimasystem zur Wärme­ übertragung verwendeten Sekundärkreislauf 2 angebunden zu sein. Die Abwärmenutzung der vorhandenen Wärmequellen kann in anderer Konfiguration vorgesehen sein. Schließlich läßt sich auch das Erfindungsprinzip mit Hilfe einer Adsorptionskältemaschine re­ alisieren, wenn auch die Kompressionskältemaschine vor allem bei einer Klimaanlage für Fahrzeuge oder Elektrofahrzeuge be­ vorzugt ist.

Claims (14)

1. Anordnung zur Klimatisierung von Räumen, insbesondere der Fahrgastzelle von Kraftfahrzeugen, mit einer Kältemaschine (1; 1a) und Mitteln (2-4) zum Beheizen eines in den zu klimati­ sierenden Raum eingeleiteten Gebläseluftstroms (5), mit folgen­ den Merkmalen:
die zur Kältemaschine gehörigen Komponenten (10-18) sind separat von dem zu klimatisierenden Raum angeordnet und in einen hermetisch abgeschlossenen Kältemittelkreislauf (10) ein­ gebunden;
ein geschlossener Sekundärkreislauf (2), der ein gesund­ heitlich und chemisch unbedenkliches Fluid enthält, ist zur Wärmeübertragung zwischen einer wärmeaufnehmenden Komponente der Kältemaschine (1; 1a) und wenigstens einem im Gebläseluft­ strom (5) angeordneten Innenwärmetauscher (3) vorgesehen;
die wenigstens eine wärmeaufnehmende Komponente (15; 15a) der Kältemaschine ist in einem ersten Zweig (20) des Sekundär­ kreislaufs (2) angeordnet; und
Abwärme ist von systemeigenen Wärmequellen (7, 22, 23, 25) über einen zum ersten Zweig (20) parallelgeschalteten zweiten Zweig (21) des Sekundärkreislaufs (2) abführbar.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärkreislauf (2) mit dem Verdampfer (15; 15a) einer Kompressionskältemaschine (1, 1a) und/oder deren Kondensator (12; 12a) in wärmetauschender Verbindung steht.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärkreislauf (2) den Motor-Kühlkreislauf (21, 7) eines Kraftfahrzeugs enthält.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftfahrzeug ein Elektrofahrzeug ist und der Motor- Kühlkreislauf auch zur Abführung von Wärme von den Fahrzeugbatterien (22) vorgesehen ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in dem Gebläseluftstrom (5) des zu klimati­ sierenden Raums angeordnete Innenwärmetauscher (3) sowohl im Kühlbetrieb als auch im Heizbetrieb in den Sekundärkreislauf (2) eingebunden ist.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (24) zur Abwärmesteuerung und -verteilung auf einen Kühler (7) und/oder den Innenwärmetauscher (3) vorgesehen sind.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Abwärmesteuerung wenigstens ein als Umschalt- oder Mischventil betriebenes Dreiwegeventil (24) aufweisen, das über einen Ausgang mit dem Kühler (7) und über einen anderen Ausgang mit dem Innenwärmetauscher (3) verbunden ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine als elektrischer Durchlauferhitzer aus­ gebildete Zusatzheizung (25) mit dem Sekundärkreislauf (2) ver­ bunden ist und bei einem Wärmedefizit im Sekundärkreislauf ein­ schaltbar ist.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Durchlauferhitzer (25) wenigstens einen rohr­ förmigen Heizmodul aufweist, der aus einem Kunststoffrohr mit eingebauten Blankheizdrähten besteht.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Verbindungsleitungen des Kältemittel­ kreislaufs (1; 1a) aus verlöteten Festverrohrungen bestehen.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemaschine Mittel (17, 14, 14a, 18, 18a) zum Reversieren der Kältemittel-Strömungsrichtung durch zwei Aggregate (12a, 15a) aufweist, die den Kondensator und Verdampfer und daß die beiden Aggregate (12a, 15a) so ausgebil­ det und angeordnet sind, daß sie in Abhängigkeit von der Kälte­ mittel-Strömungsrichtung alternativ als Kondensator oder Ver­ dampfer betreibbar sind.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eines (15a) der beiden Kältemaschinenaggregate (12a, 15a) derart über den Sekundärkreislauf (2) mit dem Innenwärmetauscher (3) gekoppelt ist, daß die Kältemaschine (1a) in Abhängigkeit von der Kältemittel-Strömungsrichtung Wärme an den Innenwärme­ tauscher abgibt oder aus diesem aufnimmt (Heizung oder Kühlung des zu klimatisierenden Raumes).

13. Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Mittel zum Reversieren der Kältemittel-Strö­ mungsrichtung wenigstens ein Mehrwegeventil (17) vorgesehen ist, das die Einbaurichtung des Verdichters (11) in den Kälte­ mittelkreislauf (10a) selektiv reversiert.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der beiden Aggregate (12a, 15a) ein Expansionsventil (14, 14a) und ein Bypass (18, 18a) zugeordnet sind, die in Abhängigkeit von der Kältemittel-Strömungsrichtung alternativ wirksam sind.