DE4336712C2 - Fahrzeugklimaanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugklimaanlage, insbe­ sondere eine Fahrzeugklimaanlage zum Kühlen eines Passagier­ raumes mittels einer Stirling-Kältemaschine.

Eine Stirling-Kältemaschine wird betrieben, indem eine isotherme Kompression, ein isochores Abkühlen, eine iso­ therme Expansion und ein isochores Erwärmen eines Betriebs­ gases wie beispielsweise Luft oder Heliumgas wiederholt werden. Das Betriebsgas absorbiert zu dem Zeitpunkt der isothermen Expansion Wärme, und das Betriebsgas wird zu dem Zeitpunkt der isothermen Kompression erwärmt.

Aus der US 5 094 083 ist es bekannt, eine Stirling-Wärmepumpe als Kühlaggregat in einer Fahrzeugklimaanlage zu verwenden. Dabei ist die Wärmeaufnahmeseite der Wärmepumpe an einen Kreislauf angeschlossen, in dem das gekühlte Fluid zu der zu kühlenden Stelle geführt wird und dort Wärme über Wärmetauscher aufgenommen wird.

Wenn die Stirling-Wärmepumpe zum Kühlen des Passa­ gierraumes verwendet wird, ist ein anderer Kühler, zusätz­ lich zu einem Kühler zum Kühlen eines Fahrzeugmotors erfor­ derlich, da ein in einer Wärmeabgabeseite umgewälztes Kältemittel einen unabhängigen Kühler erfordert. Folglich ist es schwierig, das Gewicht des Fahrzeugs zu verringern.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine leichtgewichtige Fahrzeugklimaan­ lage zu schaffen, mit der beim Kühlen eines Passagierraumes eine geeignete Klimatisierung aufrechterhal­ ten werden kann.

Die Aufgabe wird mit einer Fahrzeugklimaanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Bei der Fahrzeugklimaanlage gemäß der Erfindung ist es vorzuziehen, daß die Wärmeaufnahmeseite direkt in einem Luftdurchgang zum Kühlen des Passagierraumes angeordnet ist.

Das Betriebsgas absorbiert zu dem Zeitpunkt der isother­ men Expansion Wärme, und die Wärmeaufnahmeseite absorbiert Wärme aus dem Passagierraum. Folglich ist es möglich, den Passagierraum zu kühlen, ohne herkömmliches Kühlmittel (Chlorfluorkohlenstoff) zu verwenden. Infolgedessen ist in einem Fahrzeug ein herkömmlicher Kondensator zum Kondensie­ ren von Kühlmittel nicht erforderlich.

Das Betriebsgas wird zu dem Zeitpunkt der isothermen Kompression erwärmt, und die Wärmeabgabeseite strahlt Wärme ab. Die Wärmeabgabeseite ist mit einem Kühlkreis eines Fahrzeugmotors verbunden und strahlt Wärme zu dem in dem Kühlkreis umgewälzten Umlaufwasser ab. Deshalb ist für die Wärmeabgabeseite kein unabhängiger Kühler er­ forderlich, und dies trägt dazu bei, Gewicht zu verringern.

Bei der Fahrzeugklimaanlage der Erfindung wird die Wärme durch die Wärmeaufnahmeseite, wenn sie direkt in dem Luft­ durchgang zum Kühlen des Passagierraums angeordnet ist, di­ rekt aus der Luft in dem Passagierraum absorbiert. Deshalb ist in dem Passagierraum kein herkömmliches Kühlgerät erfor­ derlich, und es ist kein unabhängiges Kältemittel zum Umwäl­ zen in der Kühleinheit und der Wärmeaufnahmeseite erfor­ derlich.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs­ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher be­ schrieben.

Fig. 1 ist eine zum Teil geschnittene Ansicht, die den Aufbau einer Fahrzeugklimaanlage gemäß dem ersten bevorzug­ ten Ausführungsbeispiel zeigt.

Fig. 2 ist eine Gesamtansicht, die den Aufbau einer Fahrzeugklimaanlage gemäß dem ersten bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel zeigt.

Fig. 3 ist eine Gesamtansicht, die den Aufbau einer Fahrzeugklimaanlage gemäß dem zweiten bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel zeigt.

Erstes Ausführungsbeispiel

Eine Fahrzeugklimaanlage, wie in Fig. 1 gezeigt, weist eine zylindrische Stirling-Kältemaschine 1 oder Wärmepumpe auf. In der Stir­ ling-Kältemaschine 1 ist eine Antriebswelle 11 zwischen den Lagern 10a und 10b in einem Kurbelgehäuse 10 gelagert. Ein Endabschnitt des Lagers 10a der Antriebswelle 11 ist mittels einer Wellendichtungsvorrichtung 10c bis zu einer Außenseite des Kurbelgehäuses 10 verlängert, und er ist mittels einer Kupplung 12 mit einem Hydromotor 13 verbunden. Der Hydromo­ tor 13 ist mit einer Hydropumpe (nicht gezeigt) verbunden, die durch einen Fahrzeugmotor 3 (wie in Fig. 2 gezeigt) betrieben wird.

In dem Kurbelgehäuse 10 sind Nocken 14a, 14b und 14c an der Antriebswelle 11 angebracht. Der Nocken 14b hat eine festgelegte Taktdifferenz in Hinsicht auf die Nocken 14a und 14c. Jede Stange 15a, 15b und 15c ist drehbar mit den Nocken 14a, 14b und 14c verbunden. Ein Zylinderblock 16, der eine Einzylinderbohrung 16 hat, ist mit dem Kurbelgehäuse 10 ver­ bunden. Ein Kolben (Kraftkolben) 17 und ein Verdrängerkolben 18 sind gleitfähig in der Zylinderbohrung 16a befestigt. Der Kolben 17 ist schwenkbar mit den Stangen 15a und 15c verbun­ den. Der Verdrängerkolben 18 ist schwenkbar mit der Stange 15b verbunden, die in dem Kolben 17 schwenkbar ist. In der Zylinderbohrung 16a ist zwischen dem Kolben 17 und dem Ver­ drängerkolben 18 ein Kompressionsraum 20 vorhanden. Zwischen dem Verdrängerkolben 18 und einem oberen Teil einer Bohrung ist ein Expansionsraum 21 vorhanden.

Rund um den Kompressionsraum 20 in dem Zylinderblock 16 ist als Wärmeabgabeseite ein Wassermantel 22 ausge­ bildet. Der Wassermantel 22 ist, wie in Fig. 2 gezeigt, mit­ tels eines Rohres 23 mit einem Wassermantel eines Fahrzeug­ motors 3 verbunden. Der andere Endabschnitt des Rohres 23 ist wiederum über einen Kühler 5 und eine Pumpe 6 mit dem Wassermantel des Fahrzeugmotors 3 verbunden. Der Wasserman­ tel des Motors 3 ist mit einem Heizelement 31 verbunden. Ein Ventil 32 wird zum Umwälzen der Strömung verwendet.

Wie in Fig. 1 gezeigt, stehen als Wärmeaufnahmeseite viele Kühlrippen 24 an der Seite des Expansionsrau­ mes 21 des Zylinderblocks 16 vor. Diese Kühlrippen 24 sind direkt in einem Luftdurchgang 4 zum Kühlen des Passagierrau­ mes angeordnet.

In den Zylinderblock 16 ist ein Regenerator 25 einge­ baut, um den Kompressionsraum 20 und den Expansionsraum 21 zu verbinden. Der Kompressionsraum 20, der Expansionsraum 21, der Regenerator 25 und seine Durchgänge werden vollstän­ dig mit Luft als ein Betriebsgas gefüllt.

Bei der wie vorstehend konstruierten Fahrzeugklimaanlage wird eine Antriebskraft des Fahrzeugmotors 3 mittels der Hy­ dropumpe zu dem Hydromotor 13 übertragen. Dann wird die An­ triebswelle 11 durch den Hydromotor 13 angetrieben, und der Kolben 17 und der Verdrängerkolben 18 werden durch die Nocken 14a und 14c angetrieben.

Wenn der Verdrängerkolben 18 nahe dem oberen Totpunkt ist, und der Kolben 17 von dem unteren Totpunkt zu dem obe­ ren Totpunkt verschoben wird, wird die Luft in dem Kompres­ sionsraum 20 isotherm komprimiert, wobei der Wassermantel 22 wegen der Abstrahlungswärme erwärmt wird. Der Wassermantel 22 ist mit einem Kühlkreis des Fahrzeugmotors 3 verbunden und er strahlt Wärme zu dem in dem Kühlkreis einschließlich des Radiators 5 umgewälzten Umlaufwasser ab. Infolgedessen ist ein unabhängiger Kühler nicht erforderlich. Deshalb er­ reicht die Fahrzeugklimaanlage der Erfindung ein leichtes Gewicht. Außerdem ist nur das Rohr 23 für das Umwälzen von Wasser zu dem Wassermantel 22 zum Austauschen von Wärme er­ forderlich. Deshalb ist es möglich, Teile leicht zu verbin­ den, und ein Motorraum hat freien Platz.

Wenn der Verdrängerkolben 18 von dem oberen Totpunkt zu dem unteren Totpunkt verschoben wird, und der Kolben 17 nahe dem oberen Totpunkt ist, wird die Luft in dem Kompressions­ raum 20 zu dem Regenerator 25 übertragen. Dann wird, während Wärme zu dem Regenerator 25 abgestrahlt wird, die übertrage­ ne Luft isochor abgekühlt, und sie wird in den Expansions­ raum 21 übertragen.

Wenn der Verdrängerkolben 18 nahe dem unteren Totpunkt ist, und der Kolben 17 von dem oberen Totpunkt zu dem unte­ ren Totpunkt verschoben wird, expandiert die Luft in dem Ex­ pansionsraum 21 isotherm, um die Kühlrippen 24 wegen der absorbierten Wärme zu kühlen. Zu diesem Zeitpunkt wird, wenn ein Passagier einen Passagierraum kühlen möchte, das Ventil 32 geschlossen, um das Umlaufwasser hoher Temperatur nicht von dem Fahrzeugmotor 3 zu dem Heizelement 31 umzuwälzen. Da die Kühlrippen 24 direkt in dem Luftdurchgang zum Kühlen des Passagierraums angeordnet sind, absorbiert ein Gebläse (nicht gezeigt) direkt die Wärme aus der Luft in dem Passa­ gierraum. Deshalb ist es bei der Fahrzeugklimaanlage der Erfindung möglich, den Passagierraum ohne die Verwendung von Kühlmittel zu kühlen und eine geeignete Klimatisierung aufrecht­ zuerhalten. Infolgedessen ist ein herkömmlicher Kondensator zum Kondensieren von Kühlmittel in einem Fahrzeug nicht erfor­ derlich, und ein leichtes Gewicht eines Fahrzeuges kann erreicht werden, weil eine herkömmliche Kühleinheit in einem Fahrzeug nicht benötigt wird. Außerdem ist es nicht erfor­ derlich, andere Kühlmittel in der Kühleinheit und den Kühl­ rippen 24 umzuwälzen, so daß der Wärmeverlust gering ist und eine Fähigkeit zum Kühlen des Passagierraumes verbessert wird.

Wenn der Verdrängerkolben 18 von dem unteren Totpunkt zu dem oberen Totpunkt verschoben wird, und der Kolben 17 nahe dem unteren Totpunkt ist, wird die Luft in dem Expansions­ raum 21 zu dem Regenerator 25 übertragen. Dann wird, während Wärme von dem Regenerator 25 absorbiert wird, die übertrage­ ne Luft isochor erwärmt, und sie wird in den Kompressions­ raum 20 übertragen. Folglich werden eine isotherme Kompres­ sion, ein isochores Abkühlen, eine isotherme Expansion und ein isochores Erwärmen von Luft wiederholt.

Wünscht ein Passagier, einen Passagierraum zu erwärmen, wird der Hydromotor 13 gestoppt, um das Ventil 32 zu öffnen. Deshalb wird das Umlaufwasser hoher Temperatur von dem Fahr­ zeugmotor 3 zu dem Heizelement 31 umgewälzt. Ein Gebläse (nicht gezeigt) erwärmt die Luft in dem Passagierraum.

Zweites Ausführungsbeispiel

Eine Fahrzeugklimaanlage, wie in Fig. 3 gezeigt, weist eine zylindrische Stirling-Wärmepumpe 1 auf, die den gleichen Mantel wie den Wassermantel 22 in dem ersten bevor­ zugten Ausführungsbeispiel hat. Der Mantel ist durch ein Rohr 7 über eine Pumpe 8 mit einer Kühleinheit 9 in dem Pas­ sagierraum verbunden. Deshalb wird ein unabhängiges Kälte­ mittel umgewälzt. Da der andere Aufbau der gleiche wie der bei dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist, werden die gleichen Bezugszeichen verwendet und eine detaillierte Be­ schreibung wird weggelassen.

Bei der Fahrzeugklimaanlage sind die Kühleinheit 9 und das in dem Mantel umgewälzte unabhängige Kältemittel erfor­ derlich. Es kann aber eine gewünschte Kühlung erzielt wer­ den, und es wird kein Kühlmittel verwendet, so daß eine geeignete Klimatisierung aufrechterhalten werden kann. Außerdem kann, da kein Kondensator erforderlich ist, ein leichtes Gewicht eines Fahrzeugs erzielt werden.

Bei der Fahrzeugklimaanlage des ersten und zweiten be­ vorzugten Ausführungsbeispiels können Kühlen und Erwärmen frei gewählt werden. Außerdem kann, wenn der Hydromotor 13 angetrieben wird, und das Ventil 32 zu dem gleichen Zeit­ punkt geöffnet wird, eine Entfeuchtung in dem Passagierraum erreicht werden.

Bei der Fahrzeugklimaanlage der Erfindung ist, wenn eine Wärmeaufnahmeseite direkt in einem Luftdurchgang zum Küh­ len eines Passagierraumes angeordnet ist, keine Kühleinheit erforderlich, so daß ein leichtes Gewicht eines Fahrzeuges erreicht werden kann. Außerdem ist, da kein unabhängiges Kältemittel erforderlich ist, der Wärmeverlust gering und eine Fähigkeit zum Kühlen des Passagierraumes wird verbes­ sert. Überdies ist zum Austausch von Wärme nur das Rohr zum Umwälzen von Kühlwasser des Fahrzeugmotors zu einer Wärmeabgabeseite erforderlich. Deshalb ist es möglich, Teile leicht zu verbinden, und ein Motorraum hat freien Platz.

Claims (2)

1. Fahrzeugklimaanlage mit einer von einem Fahrzeug- Antriebsmotor (3) angetriebenen Stirling-Wärmepumpe (1), in der ein Arbeitsgas einen Kreisprozeß mit isothermer Kompression, isochorer Abkühlung, isothermer Expansion und isochorer Erwärmung wiederholt durchläuft, und deren Wärmeaufnahmeseite (24, 9) dem Fahrgastraum Wärme entzieht, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabgabeseite (22) der Stirling-Wärmepumpe (1) mit dem Kühlkreislauf (5, 6, 23) des Motors (3) verbunden ist und die dem Fahrgastraum entzogene Wärme an das Kühlmittel des Kühlkreislaufs (5, 6, 23) abgibt.

2. Fahrzeugklimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaufnahmeseite (24, 9) direkt in einem Luftdurchgang (4) zum Kühlen des Passagierraums angeordnet ist.