WO2003064194A1 - Klimaanlage - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to an air conditioning system with the features of the preamble of patent claim 1.
- Air conditioning of this type includes known from US Pat. No. 5,291,941.
- the power of the compressor of the air conditioning system is used by flowing through a channel region through the actuation of a switching valve, which runs in the bypass to the condenser of the cooling process, so that the thermal energy generated by the compressor gets into the evaporator of the cooling process and through the fan of the vehicle ventilation, into the passenger compartment.
- the evaporator of the air conditioning system is used both for cooling and for heating the passenger compartment, the heat transfer medium has different physical properties when it flows through the evaporator, so that it is not optimally designed for both modes of operation and disturbing flow noises can occur in it.
- DE-A-3907201 In order to prevent the penetration of moisture from the evaporator into the passenger compartment, DE-A-3907201 has proposed that only one of two air conditioning heat exchangers connected in parallel be used, one of which forms the evaporator and the other a heating heat exchanger.
- This arrangement is structurally complex in that it has a larger space requirement due to the parallel arrangement and thus requires a new construction of the ventilation housing comprising the heat exchanger and the blower, which is more difficult to integrate into the vehicle.
- the invention has for its object to improve an air conditioning system of the type mentioned with little design effort such that when the vehicle engine is cold started, it can deliver a large amount of heat suitable for rapid heating of the passenger compartment within a short time, and a sudden fogging of the vehicle windows prevented due to residual moisture present in an air conditioning heat exchanger.
- FIG. 1 shows a simplified, schematic representation of the duct system of a first embodiment of an air conditioning system according to the invention, with an additional heating heat exchanger arranged in the ventilation housing,
- FIGS. 2 and 3 show two variants of a second embodiment of an air conditioning system according to the invention, with heat exchange between two different heat carriers,
- FIG. 4 shows a schematic partial representation of the channel system of the second embodiment with a further variant.
- FIG. 1 to 3 show the channel system 1 of e.g. with carbon dioxide operated air conditioning system, the central component of which is a compressor 2, in order, depending on the mode of operation, to circulate the heat transfer medium through one of two system areas 3 and 4 or 5.
- the changeover between the two system areas is carried out by a changeover valve 6.
- the first system area 3 is used for cooling operation and is accordingly equipped in the usual way with a gas cooler 7, an intermediate heat exchanger 8, an expansion valve 9, an evaporator 10 and a collector 11, which are arranged one behind the other in the direction of flow.
- the in compressor 2 Generated thermal energy is thus released in the gas cooler 7 and intermediate heat exchanger 8 before the heat transfer medium in the valve 9 expands and cools through the evaporator 10 arranged in a ventilation housing 12. In this, it is in heat exchange with an air flow generated by a blower, indicated by the arrows 14, which is supplied to the undivided passenger compartment of a vehicle for air conditioning.
- the second system area 4 or 5 provided for heating operation is put into operation instead of the first system area 3 by means of the changeover valve 6 designed as a three-way valve.
- this second system area 4 or 5 essentially has only one expansion valve 16 and one heating heat exchanger 17 or 22, which are arranged one behind the other in the direction of flow, so that thermal energy generated in the compressor 2 without prior cooling of this heating heat exchanger 17 or 22 is supplied. Due to the considerably limited number of components, this system area 4 is characterized by a rapid pressure build-up or high work dynamics.
- a connection line 18 between the two system areas 3 and 4 or 5 on the suction side and to be assigned to the first system area 3 ensures e.g. A sufficient filling of the second system area 4 or 5 with the e.g. heat carriers consisting of carbon dioxide.
- a pressure relief valve 35 can also be provided in the connecting line 18, which releases the connection to the first system area 3 when a certain suction-side maximum pressure which is dependent on the predetermined compression capacity of the compressor 2 is exceeded.
- the heating heat exchanger 17, in relation to the air flow 14, is in series behind the engine heat exchanger 20 heated by the cooling medium of the vehicle engine 19 and with it and the evaporator 10 in the same, also as a Makasten designated ventilation housing 12 arranged so that heating of the evaporator 10 is avoided.
- the heating operation due to the thermal energy supplied by the compressor 2 enables, e.g. for quick defrosting of iced-up panes, an immediate supply of heat to the passenger compartment of the vehicle, in that a warm air flow is already supplied via the ventilation housing 12 before the cooling medium of the vehicle engine, as a second heat carrier, can contribute to the heating via the engine heat exchanger 20.
- the accelerated heating of the driving gas space takes place in conjunction with an accelerated heating of the usually liquid cooling medium of the vehicle engine 19.
- a heating heat exchanger 22 is provided for this purpose, in which the second heat carrier circulating in a separate engine heat circuit 23 is provided Heat exchange is in heat exchange with the first heat carrier of the system area 5 circulating in gaseous form under high pressure.
- This embodiment has the advantage that no structural changes are required on the ventilation housing 12 by the heating heat exchanger 22 being able to be arranged at any suitable location. It forms a connecting link between the system area 4 or 5 and the engine heat circuit 23.
- This engine heat circuit 23, which is required for heating the passenger compartment, is provided in a manner customary for engine cooling in addition to a second engine heat circuit 25 that can be activated via a thermostat and has the exterior engine cooler 24. Accordingly, in this embodiment, the heat is supplied to the passenger compartment solely by the engine heat exchanger 20.
- the circulation of the second heat carrier takes place through the cooling water pump, which is present anyway on the vehicle engine, and is controlled by a thermostatic valve 26.
- an additional circulation pump 27 is provided instead of a thermostatic valve 26, which is controlled by a temperature sensor 28.
- the thermal cycle process that takes place in heating mode via the heat exchanger 17 or 22 takes place in the state diagram according to Mollier along a triangular curve running in the steam area, with isenthalpic expansion in the expansion valve 16 and isobaric heat emission in the heat exchanger 17 or 22.
- Embodiments of the invention are also possible in which the expansion of the vaporous heat carrier compressed in one stage in the compressor 2 takes place in several stages via a plurality of expansion valves 29, 30, 31, with isobaric heat emission taking place between the stages, via a plurality of heat exchangers 32, 33, 34 arranged in series , so that two parts of the triangular curve of the Mollier diagram that run perpendicular to each other are replaced by a step-shaped curve area compared to the one-step procedure.
- a continuous expansion combined with a continuous heat exchange, can be provided by making the steam channel leading through the heat exchanger 17 or 22 so narrow in cross-section that the steam flow is throttled down to the suction pressure the compressor 2 takes place.
- the step-shaped curve profile of the aforementioned exemplary embodiment is replaced by a flat, curved curve profile.
- the heating operation by means of the compressor 2 via the system areas 4 and 5 is only required until the operating temperature of the vehicle engine 19 is reached, since sufficient heating can then take place via the engine heat exchanger 20 present in the engine heat circuit 23.
- the signal from a temperature sensor (not shown) in the engine heat circuit 23 ensures that when the vehicle engine 19 is at operating temperature, the auxiliary heating via the air conditioning system is interrupted or prevented.
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Abstract
Die zum Kühlen und Heizen vorgesehene Klimaanlage hat ein Kanalsystem (1), das mittels eines Umschaltventils (6) den wahlweisen Betrieb von zwei einen gemeinsamen Kompressor (2) aufweisenden Systembereichen (3, 4) ermöglicht. Der erste Systembereich hat einschliesslich eines in einem Belüftungsgehäuse (12) angeordneten Verdampfers (10) die für einen Kühlbetrieb erforderlichen Komponenten, während der für einen Zuheizbetrieb vorgesehene zweite Systembereich (4) zusätzlich zu dem Kompressor (2) im wesentlichen nur ein Expansionsventil (16) und einen einer Zuheizung dienenden Heizwärmetauscher (17) aufweist. Dieser ermöglicht unabhängig von einer äusseren Wärmequelle eine Beheizung des Fahrgastraumes durch die Leistung des Kompressors (2), so dass ausgehend von einem Kaltstart des Antriebsmotors (19) in verkürzter Zeit Wärme zur Verfügung steht.
Description
Klimaanlage
Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Eine Klimaanlage dieser Art ist u.a. bekannt durch die US-Patentschrift 5291941. Zum beschleunigten Erwärmen des Fahrgastraumes wird die Leistung des Kompressors der Klimaanlage eingesetzt, indem durch die Betätigung eines Schaltventils ein Kanalbereich durchströmt wird, der im Bypass zum Kondensator des Kühlprozesses verläuft, so dass die durch den Kompressor erzeugte Wärmeenergie in den Verdampfer des Kühlprozesses gelangt und durch das Gebläse der Fahrzeugbelüftung, in den Fahrgasträum geführt wird. Da somit der Verdampfer der Klimaanlage sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen des Fahrgastraumes dient, hat der Wärmeträger beim Durchströmen des Verdampfers je nach Betriebsweise verschiedene physikalische Eigenschaften, so dass er nicht für beide Betriebsweisen optimal ausgelegt ist und in ihm störende Strömungsgeräusche auftreten können. Ausserdem muss beim Umschalten auf Heizbetrieb verhindert werden, dass die vom Kühlbetrieb am Verdampfer verbliebene Kondensatfeuchtigkeit mit der Gebläseluft in den Fahrgastraum geführt wird und dort an den Fenstern des Fahrgastraumes kondensiert, mit der Folge einer gefährlichen Behinderung der Sicht des Fahrers.
Um das Eindringen von Feuchtigkeit aus dem Verdampfer in den Fahrgasträum zu verhindern, wurde durch die DE-A-3907201 vorgeschlagen, nur jeweils einen von zwei parallel geschalteten Klimatisierungswärmetauschern zu verwenden, von denen einer den Verdampfer und der andere einen Heizwärmetauscher bildet. Diese Anordnung ist konstruktiv aufwändig, indem sie durch die Parallelanordnung einen grösseren Raumbedarf hat und somit eine Neukonstruktion des die Wärmetauscher und das Gebläse umfassenden Belüftungsgehäuses erfordert, die sich schwerer in das Fahrzeug integrieren lässt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Klimaanlage der eingangs genannten Art mit geringem konstruktiven Aufwand derart zu verbessern, dass sie bei Kaltstart des Fahrzeugmotors innerhalb kurzer Zeit eine für die schnelle Erwärmung des Fahrgastraumes geeignete, grosse Wärmemenge liefern kann und dabei ein plötzliches Beschlagen der Fahrzeugscheiben aufgrund von an einem Klimatisierungswärmetauscher vorhandener Restfeuchtigkeit verhindert .
Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt erfindungsgemäss aufgrund der kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigt:
Fig.l eine vereinfachte, schematische Darstellung des Kanalsystems einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemässen Klimaanlage, mit einem zusätzlichen, im Belüftungsgehäuse angeordneten Heizwärmetauscher,
Fig.2 und 3 zwei Varianten einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemässen Klimaanlage, mit Wärmeaustausch zwischen zwei verschiedenen Wärmeträgem,
Fig.4 eine schematische Teildarstellung des Kanalsystems der zweiten Ausführungsform mit einer weiteren Variante.
Die Darstellungen der Fig.l bis 3 zeigen das Kanalsystem 1 einer z.B. mit Kohlendioxid betriebenen Klimaanlage, deren zentraler Bestandteil ein Kompressor 2 ist, um den Wärmeträger, je nach Betriebsweise, durch einen von zwei Systembereichen 3 und 4 bzw. 5 zirkulieren zu lassen. Die Umschaltung zwischen beiden Systembereichen erfolgt durch ein Umschaltventil 6.
Der erste Systembereich 3 dient dem Kühlbetrieb und ist entsprechend auf übliche Weise mit einem Gaskühler 7, einem Zwischenwärmetauscher 8, einem Expansionsventil 9, einem Verdampfer 10 und einem Sammler 11 ausgerüstet, die in Strö ungsrich- tung hintereinander angeordnet sind. Die im Kompressor 2 er-
zeugte Wärmeenergie wird somit im Gaskühler 7 und Zwischenwärmetauscher 8 abgegeben, bevor der Wärmeträger im Ventil 9 expandiert und abgekühlt den in einem Belüftungsgehäuse 12 angeordneten Verdampfer 10 durchströmt. In diesem steht er in Wärmeaustausch mit einem durch ein Gebläse erzeugten, durch die Pfeile 14 angedeuteten Luftstrom, der zur Klimatisierung dem nichtdargesteilten Fahrgastraum eines Fahrzeuges zugeführt wird.
Der für den Heizbetrieb vorgesehene zweite Systembereich 4 oder 5 wird mittels des als Dreiwegeventil ausgeführten Umschaltventils 6 an Stelle des ersten Systembereichs 3 in Betrieb genommen. Dieser zweite Systembereich 4 bzw. 5 hat im wesentlichen zusätzlich zu dem zentralen Kompressor 2 nur ein Expansionsven- til 16 und einen Heizwärmetauscher 17 bzw. 22, die in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind, so dass im Kompressor 2 erzeugte Wärmeenergie ohne vorherige Abkühlung diesem Heizwärmetauscher 17 bzw. 22 zugeführt wird. Durch die somit erheblich beschränkte Anzahl der Komponenten zeichnet sich dieser Systembereich 4 durch einen schnellen Druckaufbau bzw. eine hohe Arbeitsdynamik aus .
Eine saugseitige, dem ersten Systembereich 3 zuzuordnende Verbindungsleitung 18 zwischen beiden Systembereichen 3 und 4 bzw. 5 gewährleistet z.B. über ein Rückschlagventil 21 eine ausreichende Befüllung auch des zweiten Systembereich.es 4 bzw. 5 mit dem z.B. aus Kohlendioxid bestehenden Wärmeträger. Um dabei den Maximaldruck im zweiten Systembereich 4 bzw. 5 auf ein bestimmtes Mass von z.B. 100 bar zu begrenzen, kann in der Verbindungsleitung 18 ausserdem ein Überdruckventils 35 vorgesehen sein, das bei Überschreitung eines bestimmten, von der vorgegebenen Kompressionsleistung des Kompressors 2 abhängigen, saug- seitigen Maximaldruckes die Verbindung zum ersten Systembereich 3 freigibt .
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig.l ist der Heizwärmetauscher 17, bezogen auf den Luftstrom 14, in Reihe hinter dem vom Kühlmedium des Fahrzeugmotors 19 beheizten Motorwärmetauscher 20 und mit diesem und dem Verdampfer 10 im gleichen, auch als Kli-
makasten bezeichneten Belüftungsgehäuse 12 angeordnet, so dass eine Beheizung des Verdampfers 10 vermieden wird.
Der Heizbetrieb aufgrund der vom Kompressor 2 zugeführten Wärmeenergie ermöglicht, z.B. zum schnellen Abtauen vereister Scheiben, eine sofortige Wärmezufuhr zum Fahrgastraum des Fahrzeuges, indem diesem über das Beluftungsgehause 12 bereits ein warmer Luftstrom zugeführt wird, bevor das Kühlmedium des Fahr- zeugmotores als zweitem Wärmeträger über den Motorwärmeaustauscher 20 zur Erwärmung beitragen kann.
Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig.2 und 3 erfolgt die beschleunigte Erwärmung des Fahrgas raumes verbunden mit einer beschleunigten Erwärmung des üblicherweise flüssigen Kühlmedi- u s des Fahrzeugmotors 19. Hierzu ist ein Heizwärmetauscher 22 vorgesehen, in dem der in einem separaten Motorwärmekreislauf 23 zirkulierende zweite Wärmeträger in Wärmeaustausch mit dem unter Hochdruck gasförmig zirkulierenden ersten Wärmeträger des Systembereiches 5 in Wärmeaustausch steht. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass am Belüftungsgehäuse 12 keine konstruktiven Änderungen erforderlich sind, indem der Heizwärmetauscher 22 an beliebiger, geeigneter Stelle angeordnet werden kann. Er bildet ein Verbindungsglied zwischen dem Systembereich 4 bzw. 5 und dem Motorwärmekreislauf 23. Dieser für die Erwärmung des Fahrgastraumes erforderliche Motorwärmekreislauf 23 ist auf für Motorkühlungen übliche Weise zusätzlich zu einem über einen Thermostat zuschaltbaren und den äusseren Motorkühler 24 aufweisenden, zweiten Motorwärmekreislauf 25 vorgesehen. Entsprechend erfolgt bei dieser Ausführungsform die Wärmezufuhr zum Fahrgastraum allein durch den Motorwärmetauscher 20.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig.2 erfolgt die Zirkulation des zweiten Wärmeträgers durch die am Fahrzeugmotor ohnehin vorhandene, nichtdargesteilte Kühlwasserpumpe und wird durch ein Thermostatventil 26 gesteuert. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig.3 ist an Stelle eines Thermostatventils 26 eine zusätzliche Umlaufpumpe 27 vorgesehen, die durch einen Temperaturfühler 28 gesteuert wird.
Der im Heizbetrieb über den Heizwärmetauscher 17 bzw. 22 ablaufende thermische Kreislaufprozess erfolgt im Zustandsdiagramm nach Mollier entlang einer im Dampfbereich verlaufenden, drei- eckförmigen Kurve, mit isenthalper Expansion im Expansionsven- til 16 und isobarer Wärmeabgabe im Heizwärmetauscher 17 bzw.22.
Es sind auch Ausführungsformen der Erfindung möglich, bei denen die Expansion des im Kompressor 2 einstufig komprimierten dampfförmigen Wärmeträgers mehrstufig über mehrere Expansionsventile 29,30,31, mit zwischen den Stufen erfolgender isobarer Wärmeabgabe, über mehrere in Reihe angeordnete Wärmetauscher 32,33,34 erfolgt, so dass gegenüber der einstufigen Verfahrensweise zwei senkrecht zueinander verlaufende Teile der Dreieckskurve des Mollier-Diagrammes durch einen stufenförmigen Kurvenbereich ersetzt werden. An Stelle einer mehrstufigen Expansion kann auch eine kontinuierliche Expansion, kombiniert mit einem dabei kontinuierlichen erfolgenden Wärmeaustausch, vorgesehen werden, indem der durch den Heizwärmetauscher 17 oder 22 führende Dampfkanal im Querschnitt so eng ausgeführt wird, dass in ihm die Drosselung des Dampfstromes bis auf den Ansaugdruck des Kompressors 2 erfolgt. Im Mollier-Diagra m wird entsprechend der stufenförmige Kurvenverlauf des zuvor genannten Ausführungsbeispiels durch einen, flachen bogenförmigen Kurvenverlauf ersetzt.
Der Heizbetrieb mittels des Kompressors 2 über die Systembereiche 4 bzw. 5 wird nur bis zum Erreichen der Betriebstemperatur des Fahrzeugmotors 19 benötigt, da anschliessend eine ausreichende Beheizung über den im Motorwärmekreislauf 23 vorhandenen Motorwärmetauscher 20 erfolgen kann. Das Signal eines nichtdar- gestellten Temperaturfühlers im Motorwärmekreislauf 23 gewährleistet, dass bei Betriebstemperatur des Fahrzeugmotors 19 die Zuheizung über die Klimaanlage unterbrochen oder verhindert wird.
Claims
1. Klimaanlage zum Kühlen und Heizen eines Fahrzeuges aufgrund der Zirkulation mindestens eines Wärmeträgers, mit einem Kompressor (2), mindestens einem Expansionsventil (9,16,29-31), Wärmetauschern (7,10,17,20,22,32-34) und mindestens einem Umschaltventil (6) , die in einem mindestens zwei Systembereiche (3; 4, 5)bildenden Kanalsystem (1) angeordnet sind, wobei mindestens einer der Wärmetauscher ein in einem Belüftungsgehäuse (12) angeordneter Klimatisierungswärmetauscher (10,17,20) ist, ein erster (3) der Systembereiche für den Kühlbetrieb vorgesehen ist und ein zweiter Systembereich (4,5) dem Heizen aufgrund der Kompressionsleistung des Kompressors (2) dient, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Systembereich (4,5) zusätzlich zu dem Kompressor (2) mindestens ein Expansionsventil (16,29-31) und mindestens einen Heizwärmetauscher (17,22,32-34) aufweist, der zusätzlich zu einem im ersten Systembereich (3) angeordneten Kühlwärmetauscher (10), von diesem räumlich getrennt, vorgesehen ist.
2. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizwärmetauscher (17) dem Belüftungsgehäuse (12) zugeordnet ist, so dass er relativ zu einem im ersten Kanalbereich (3) vorgesehenen Verdampfer (10) hinter diesem vom Luftstrom des Belüftungsgehäuses durchströmt wird.
3. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der im zweiten Systembereich (4,5) zirkulierende Wärmeträger in einem Heizwärmetauscher (22) in Wärmeaustausch mit einem zweiten, im Motorwärmekreislaufes (23) des Fahrzeugmotors (19) zirkulierenden Wärmeträger steht.
4. Klimaanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Motorwärmekreislauf (23) eine durch einen Temperaturfühler (28) gesteuerte Zusatzpumpe (27) vorgesehen ist.
5. Klimaanlage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Motorwärmekreislauf (23) ein Thermostatventil
(26) vorgesehen ist.
6. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizwärmetauscher des zweiten Kanalbereichs (5) in mehrere in Reihe angeordnete Wärmetauscherbereiche (32-34) unterteilt ist, wobei in Strömungsrichtung vor jedem
Wärmetauscherbereich (32-34) ein Expansionsventil (29-31) vorgesehen ist, so dass die Expansion und der Wärmeaustausch mehrstufig erfolgen.
7. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den Heizwärmetauscher (17,22) führende Gaskanal des zweiten Systembereiches (4,5) im Querschnitt so eng ausgeführt wird, dass in ihm die Drosselung des Gasstromes bis auf den Ansaugdruck des Kompressors (2) erfolgt.
8. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , dadurch gekennzeichnet, dass beide Systembereiche (3,-4, 5) durch eine saugseitig relativ zum Kompressor (19) angeschlossene Verbindungsleitung (18) miteinander verbunden sind.
9. Klimaanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungsleitung (18) ein Rückschlagventil (21) vorgesehen ist .
10. Klimaanlage nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindungsleitung (18) ein Überdruckventil
(35) vorgesehen ist.
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