DE102004046459B3

DE102004046459B3 - Klimaanlage für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102004046459B3
Application number: DE102004046459A
Authority: DE
Inventors: Hans Hammer; Dirk Schroeder; Christian Rebinger; Helmut Rottenkolber
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2004-09-24
Filing date: 2004-09-24
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2024-09-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage (1; 1'; 1'') mit wenigstens einem Klimaverdichter (2), wenigstens einem ersten Wärmetauscher als Gaskühler (4), wenigstens einem Expansionsorgan (8; 8') und wenigstens einem zweiten Wärmetauscher als Verdampfer (10), die nacheinander angeordnet und durch Arbeitsmittelleitungen (3, 5, 7, 9, 11, 13, 14) verbunden sind. Erfindungsgemäß ist wenigstens ein Gaskühler-Temperatursensor (15) vorgesehen, mittels dem die Lufttemperatur am Gaskühler (4) als Umgebungslufttemperatur erfassbar ist. Der Gaskühler-Temperatursensor (15) ist als Ist-Temperaturwertgeber eingangsseitig an eine Regel-/Steuereinheit angeschlossen, an der ausgangsseitig wenigstens ein steuerbares Stellelement (18; 19; 8) angeschlossen ist. Die Regel-/Steuereinheit enthält einen Grenzwertgeber und es ist eine vorgegebene Umgebungslufttemperatur als Minimal-Temperaturwert für die Umgebungsluft festgelegt. Bei einer von der Regel-/Steuereinheit ermittelten Unterschreitung des mittels des Gaskühler-Temperatursensors (15) festgestellten Temperatur-Istwertes unter den Minimal-Temperaturwert ist ein zugeordnetes Stellsignal an wenigstens ein Stellelement (18; 19; 8) abgebbar für eine Einstellung bzw. Aufrechterhaltung eines vorgegebenen Druckverhältnisses zwischen Hochdruck und Niederdruck.

Description

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine aus der DE 198 32 479 A1 bekannte, gattungsgemäße Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug weist wenigstens einen Klimaverdichter, wenigstens einen ersten Wärmetauscher als Gaskühler, wenigstens ein Expansionsorgan und wenigstens einen zweiten Wärmetauscher als Verdampfer auf. Die einzelnen Klimaanlagenkomponenten sind nacheinander angeordnet und durch Arbeitsmittelleitungen für einen Arbeitsmittelkreislauf verbunden. In Fließrichtung des Arbeitsmittels gesehen ist der Arbeitsmittelkreislauf in einen zwischen einem druckseitigen Anschluss des Klimaverdichters und dem Expansionsorgan befindlichen Hochdruckbereich mit Hochdruck und einen zwischen dem Expansionsorgan und einem saugseitigen Anschluss des Klimaverdichters befindlichen Niederdruckbereich mit Niederdruck geteilt.

Konkret wird bei dieser Klimaanlage CO₂ als Arbeitsmittel eingesetzt. Als Expansionsorgan ist eine Festdrossel eingesetzt, deren Drosselöffnung bezüglich Länge und Durchmesser so auf die Klimaanlage abgestimmt werden kann, dass in allen Betriebszuständen der Hochdruck auf etwa 14 MPa begrenzt ist.

Zur Regelung/Steuerung derartiger Klimaanlagen, unabhängig von der Ausführungsart des Expansionsorgans, wird u. a. mit entsprechenden Tempera tursensoren die Lufttemperatur nach dem Verdampfer und mit Drucksensoren der Hochdruck im Arbeitsmittelkreislauf erfasst. Abhängig von diesen und noch anderen erfassten Werten sowie von der Eingabe der vom Fahrzeuginsassen gewünschten Lufttemperatur im Fahrzeuginnenraum erfolgt eine Regelung/Steuerung des Arbeitsmittelkreislaufs. Insbesondere bei niedrigen Umgebungslufttemperaturen, beispielsweise bei einer Umgebungslufttemperatur kleiner 6°C, kann oftmals ein ausreichend großes Druckverhältnis zwischen Hochdruck und Niederdruck durch die Regelung/Steuerung der Klimaanlage nicht mehr aufrechterhalten werden, so dass im Extremfall ein unerwünschtes Abschalten der Klimaanlage durch die Regelung/Steuerung erfolgen könnte.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Klimaanlage für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, zu schaffen, mit der ein einfacher und funktionssicherer Betrieb insbesondere bei niedrigen Umgebungslufttemperaturen möglich ist.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Gemäß Anspruch 1 ist wenigstens ein Gaskühler-Temperatursensor vorgesehen, mittels dem die Lufttemperatur am Gaskühler als Umgebungslufttemperatur erfassbar ist. Der Gaskühler-Temperatursensor ist dabei als Ist-Temperaturwertgeber eingangsseitig an eine Regel-/Steuereinheit angeschlossen, an der ausgangsseitig wenigstens ein steuerbares Stellelement angeschlossen ist. Die Regel-/Steuereinheit enthält einen Grenzwertgeber, wobei zudem eine vorgegebene Umgebungslufttemperatur als Minimal-Temperaturwert für die Umgebungsluft festgelegt ist. Bei einer von der Regel-/Steuereinheit ermittelten Unterschreitung des mittels des Gaskühler-Temperatursensors festgestellten Temperatur-Istwertes unter den Minimal-Temperaturwert ist ein zugeordnetes Stellsignal an wenigstens ein Stellelement abgebbar für eine Einstellung bzw. Aufrechterhaltung eines vorgegebenen Druckverhältnisses zwischen Hochdruck und Niederdruck.

Vorteilhaft hierbei ist, dass durch den als Ist-Temperaturwertgeber ausgelegten Gaskühler-Temperatursensor und der damit verbundenen Regel-/Steuereinheit eine funktionssichere Überwachung der Umgebungslufttemperatur am Gaskühler erfolgt. Wird der vorgegebene Minimal-Temperaturwert, bei dem möglicherweise ein ausreichend großes Druckverhältnis zwischen Hochdruck und Niederdruck nicht mehr aufrechterhalten werden kann, unterschritten, so wird durch das dann von der Regel-/Steuereinheit abgegebene Steuersignal wenigstens ein Stellelement derart aktiviert, dass ein ausreichend großes und entsprechend vorgegebenes Druckverhältnis eingestellt bzw. aufrechterhalten wird. Dies kann beispielsweise durch eine „künstliche" Anhebung des Hochdruckniveaus oder durch eine Vermeidung einer Heißgasabkühlung erfolgen. Die Vermeidung der Heißgasabkühlung bedeutet, dass das nach dem Klimaverdichter verdichtet und hochtemperiert vorliegende Arbeitsmittel im Gaskühler nur wenig oder überhaupt nicht abgekühlt wird für ein Aufrechterhalten eines entsprechend hohen Hochdrucks, so dass dadurch das vorgegebene Druckverhältnis zwischen Hochdruck und Niederdruck ausreichend groß bleibt. Unabhängig von der Art der Maßnahme, die für eine Einstellung bzw. Aufrechterhaltung eines vorgegebenen Druckverhältnisses zwischen Hochdruck und Niederdruck eingesetzt wird, ist damit ein funktionssicherer Betrieb auch bei niedrigen Umgebungslufttemperaturen einfach möglich.

Gemäß Anspruch 2 kann der vorgegebene Minimal-Temperaturwert höchstens 6°C betragen. Sinkt die Umgebungslufttemperatur beispielsweise unter 6°C so kann, vor allem bei niedrigen Leistungsanforderungen an die Klimaanlage der Arbeitsmittelkreislauf u. U. nicht mehr in der Lage sein, ein ausreichend großes Druckverhältnis aufrechtzuerhalten, um den Arbeitsmittelkreislauf am Laufen zu halten. Um dies funktionssicher zu verhindern, wird durch die Regel-/Steuereinheit bei der mittels des Gaskühler-Temperatursensors festgestellten Unterschreitung von 6°C ein entsprechendes Stellsignal an ein Stellelement abgegeben, so dass dadurch ein ausreichend großes Druckverhältnis zwischen Hochdruck und Niederdruck eingestellt bzw. aufrechterhalten wird. Damit kann eine funktionssichere Zuschaltung der Klimaanlage bei Frischluftbetrieb bis zu einer Umgebungslufttemperatur beispielsweise von 2°C gewährleistet werden. Auch bei laufender Klimaanlage und fallenden Umgebungslufttemperaturen, beispielsweise bei einer Fahrt über einen Bergpass, ist ein funktionssicherer Weiterbetrieb der Klimaanlage gegeben. Hierbei kann bei Frischluftansaugung aufgrund der entsprechend aktivierten Stellelemente ein Betrieb der Klimaanlage bis zu Umgebungslufttemperaturen beispielsweise von –1°C gewährleistet werden. Wird die Klimaanlage im Umluftbetrieb eingesetzt, so kann aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahmen ein Betrieb der Klimaanlage bei Umgebungslufttemperaturen beispielsweise von bis –15°C sichergestellt werden.

In einer konkreten Ausführungsform nach Anspruch 3 kann das eingesetzte Arbeitsmittel CO₂ sein. In entsprechenden Versuchen hat sich bei CO₂-Klimaanlagen gezeigt, dass bei niedrigen Umgebungslufttemperaturen Betriebsprobleme der CO₂-Klimaanlage auftreten können, da das Druckverhältnis zwischen Hochdruck und Niederdruck bei CO₂-Klimaanlagen gegenüber bisher eingesetzten Klimaanlagen mit Kohlenwasserstoffen als Arbeitsmittel generell geringer ist. Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen kann aber auch bei einer CO₂-Klimaanlage ein funktionssicherer Betrieb bei niedrigen Umgebungslufttemperaturen gewährleistet werden.

Gemäß einer weiteren konkreten Ausgestaltung kann nach Anspruch 4 zwischen dem Klimaverdichter und dem Gaskühler eine Gaskühler-Arbeitsmittelleitung vorgesehen sein. Dabei kann wenigstens eine an der Gaskühler-Arbeitsmittelleitung strömungsmäßig angeschlossene Gaskühler-Bypassleitung vorgesehen sein, über die Arbeitsmittel am Gaskühler vorbeiführbar ist. Als Stellelement ist wenigstens ein Gaskühler-Bypassventil vorgesehen, das gesteuert wenigstens zwischen einer Gaskühler-Stellung und einer Bypass-Stellung umschaltbar ist dergestalt, dass in der Gaskühler-Stellung Arbeitsmittel nur durch den Gaskühler strömt und in der Bypass-Stellung Arbeitsmittel nur durch den Bypass strömt. Wird eine Unterschreitung des vorgegebenen Mini mal-Temperaturwertes mittels des Gaskühler-Temperatursensors erfasst, so wird das Gaskühler-Bypassventil von der Gaskühler-Stellung in die Bypass-Stellung umgeschalten, so dass das vom Klimaverdichter kommende Arbeitsmittel nicht mehr durch den Gaskühler, sondern durch die Gaskühler-Bypassleitung in Richtung Expansionsorgan strömt. Aufgrund der damit verkürzten Weg- und somit Abkühlstrecke für das Arbeitsmittel zwischen Klimaverdichter und Expansionsorgan wird ein mit einer entsprechenden Abkühlung des Arbeitsmittels einhergehender Abfall des Hochdrucks vermieden, so dass ein ausreichend großes Druckverhältnis aufrechterhalten wird und damit ein funktionssicherer Betrieb der Klimaanlage sichergestellt ist. Wird der Minimal-Temperaturwert der Umgebungstemperatur wieder überschritten, so wird selbstverständlich das Gaskühler-Bypassventil in die Gaskühler-Stellung geschalten, so dass das Arbeitsmittel vollständig durch den Gaskühler strömen kann.

In einer Weiterbildung nach Anspruch 5 kann das Gaskühler-Bypassventil in eine Mehrzahl von Zwischenstellungen schaltbar sein, so dass ein gestuftes, vorzugsweise ein stufenloses, Umschalten zwischen der Gaskühler-Stellung und der Bypass-Stellung möglich ist. Bei höheren Umgebungslufttemperaturen, die größer als der vorgegebene Minimal-Temperaturwert sind, wird die Klimaanlage in üblicher Weise mit in der Gaskühler-Stellung befindlichen Gaskühler-Bypassventil betrieben, so dass das vom Klimaverdichter kommende Arbeitsmittel vollständig durch den Gaskühler strömt. Wird der vorgegebene Minimal-Temperaturwert unterschritten, so kann das Gaskühler-Bypassventil in eine entsprechende Zwischenstellung geschalten werden, bei der ein erster Teilstrom des Arbeitsmittels weiterhin durch den Gaskühler strömt, ein zweiter Teilstrom des Arbeitsmittels aber bereits durch die Gaskühler-Bypassleitung strömt. Sinkt die Umgebungslufttemperatur beispielsweise noch weiter ab, so kann das Gaskühler-Bypassventil in eine weitere Zwischenstellung geschalten werden, bei der die beiden Teilströme des Arbeitsmittels in Richtung eines größeren Teilstroms durch die Gaskühler-Bypassleitung aufgeteilt werden. Als weiterer Schritt bei noch weiter sinkender Umgebungslufttemperatur kann das Gaskühler-Bypassventil vollständig in die Bypass-Stellung umgeschalten werden, so dass das Arbeitsmittel nur noch durch die Gaskühler-Bypassleitung strömt. Sind entsprechend viele Zwischenstellungen zwischen der Gaskühler-Stellung und der Bypass-Stellung für das Gaskühler-Bypassventil definiert, so kann dieses oben beschriebene Umschalten bei entsprechend fallenden Umgebungslufttemperaturen stufenlos erfolgen.

In einer einfachen Ausführungsform gemäß Anspruch 6 kann das Gaskühler-Bypassventil durch ein 3-2-Wegeventil gebildet sein. Damit ist eine gebräuchliche Ventilart für das Gaskühler-Bypassventil vorgeschlagen, wobei ein derartiges 3-2-Wegeventil kostengünstig und einfach für einen funktionssicheren Betrieb in der Klimaanlage verwendet werden kann.

Des weiteren kann nach Anspruch 7 das Gaskühler-Bypassventil durch ein thermisch schaltendes Gaskühler-Thermo-Bypassventil gebildet sein, bei dem der Gaskühler-Temperatursensor und die Regel-/Steuereinheit im Gaskühler-Thermo-Bypassventil integriert sind. Dabei ist darauf zu achten, dass das Gaskühler-Thermo-Bypassventil so angeordnet ist, dass eine funktionssichere Erfassung der Umgebungslufttemperatur am Gaskühler möglich ist. Durch die Integration des Gaskühler-Temperatursensors und der Regel-/Steuereinheit in das Gaskühler-Thermo-Bypassventil ist insgesamt ein kompakter Aufbau der Klimaanlage möglich.

Zudem kann gemäß Anspruch 8 die wenigstens eine Gaskühler-Bypassleitung in den Gaskühler integriert angeordnet sein. Auch hiermit ist insgesamt gesehen ein kompakter Aufbau der Klimaanlage einfach möglich.

In einer weiteren konkreten Ausführungsform nach Anspruch 9 kann als Stellelement wenigstens ein Druckaufbauorgan im Arbeitsmittelkreislauf angeordnet sein. Mit einem derartigen Druckaufbauorgan kann bei einer Aktivierung desselben bei Unterschreitung des Minimal-Temperaturwertes ein „künstlicher" Druckaufbau im Arbeitsmittelkreislauf herbeigeführt werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung nach Anspruch 10 kann das wenigstens eine Druckaufbauorgan einen gesteuert veränderbaren Durchströmungs-Querschnitt aufweisen dergestalt, dass bei einer Unterschreitung des Minimal-Temperaturwertes der Durchströmungs-Querschnitt verkleinert wird. Durch die Verkleinerung des Durchströmungs-Querschnitts erhöht sich der Widerstand im Arbeitsmittelkreislauf, so dass ein entsprechend gewünschter Druckaufbau zustande kommt, durch den ein ausreichend großes Druckverhältnis zwischen Hochdruck und Niederdruck eingestellt wird. Das Druckaufbauorgan kann dabei so ausgebildet sein, dass bei entsprechend fallenden Umgebungslufttemperaturen die Verkleinerung des Durchströmungs-Querschnitts stufenweise erfolgt. Bei wieder steigenden Umgebungslufttemperaturen wird selbstverständlich der Durchströmungs-Querschnitt wieder vergrößert, so dass bei höheren Umgebungslufttemperaturen das Druckaufbauorgan keine Rolle spielt, da der Durchströmungs-Querschnitt in einer entsprechenden Maximalstellung befindlich ist.

Gemäß Anspruch 11 kann das wenigstens eine Druckaufbauorgan zwischen dem Klimaverdichter und dem Gaskühler im Arbeitsmittelkreislauf angeordnet sein. Bevorzugt ist dabei eine unmittelbar benachbarte Anordnung des Druckaufbauorgans zum Klimaverdichter. Gemäß Anspruch 12 kann das wenigstens eine Druckaufbauorgan auch im Klimaverdichter selbst integriert sein, so dass dadurch insgesamt gesehen ein kompakter Aufbau der Klimaanlage möglich ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform nach Anspruch 13 kann das wenigstens eine Druckaufbauorgan durch ein steuerbares Expansionsorgan gebildet sein. Ist das ohnehin vorhandene Expansionsorgan entsprechend steuerbar ausgeführt, so kann dieses in einer Doppelfunktion im Arbeitsmittelkreislauf eingesetzt werden. Einerseits ist die Expansion des Arbeitsmittels von Hochdruck auf Niederdruck durch das Expansionsorgan möglich, wobei zudem aufgrund einer entsprechenden Verkleinerung des Durchströmungs-Querschnittes im Expansionsorgan ein Druckaufbau im Arbeitsmittelkreislauf bei Unterschreitung des Minimal-Temperaturwertes der Umgebungslufttemperatur erfolgen kann. Somit erfolgt bei niedrigen Umgebungslufttemperaturen eine entsprechende Durchströmungs-Querschnittsverkleinerung im Expansionsorgan, wodurch aufgrund des erhöhten Widerstandes im Arbeitsmittelkreislauf ein gewünschter „künstlicher" Druckaufbau im Arbeitsmittelkreislauf erfolgt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung nach Anspruch 14 kann das Expansionsorgan wenigstens zweistufig ausgebildet sein. Dadurch kann bei fallenden Umgebungslufttemperaturen und entsprechender Unterschreitung des Minimal-Temperaturwertes der Umgebungsluft das Expansionsorgan in mehreren Stufen eine entsprechende Verkleinerung des Durchströmungs-Querschnittes durchführen, so dass dadurch in gestufter Weise ein Druckaufbau im Arbeitsmittelkreislauf erfolgt.

In einer weitere Ausführungsart nach Anspruch 15 kann als Stellelement ein Verdichter-Regelventil des Klimaverdichters und/oder eine Verdichter-Magnetkupplung des Klimaverdichters eingesetzt sein. Mittels des Verdichter-Regelventils und/oder der Verdichter-Magnetkupplung kann in einem zeitlich vorgegebenen Wechsel ein Ein- und Ausschalten des Klimaverdichters erfolgen. Durch ein derartiges meist kurzfristiges Zu- und Wegschalten des Klimaverdichters, beispielsweise über das Verdichter-Regelventil, kann am Verdampfer Kälteleistung zur Verfügung gestellt werden, die ausreichend ist, um insbesondere bei einem Umluftbetrieb der Klimaanlage, die angesaugte Luft des Fahrgastraumes zu entfeuchten. Durch die kurzen Zuschaltmomente der Klimaanlage wird verhindert, dass der Verdampfer vereisen kann. Beim Einschalten des Klimaverdichters wird aufgrund des Anlaufen des Klimaverdichters das Druckverhältnis zwischen Hochdruck und Niederdruck kurzzeitig auseinan dergezogen, so dass dadurch Kälteleistung am Verdampfer zur Verfügung gestellt werden kann, auch wenn die Umgebungslufttemperatur den vorgegebenen Minimal-Temperaturwert unterschritten hat. Eine Umsetzung des Ein- und Ausschalt-Konzeptes kann mit einer Saug-Druck-Regelung, bei der in Abhängigkeit der Umgebungslufttemperatur eine entsprechende Druckanforderung gestellt wird, d. h., dass der Solldruck auf der Saugseite unterhalb des Ruhedrucks, der abhängig von der Umgebungslufttemperatur ist, liegt, erfolgen. Des weiteren kann eine pulsweitenmodulierte Regelung erfolgen, d. h., dass ein Signal zum Klimaverdichteranlauf ausgesendet wird, wobei dieses Signal so zu wählen ist, dass der resultierende, zirkulierende Arbeitsmittelmassenstrom nicht zu hoch ist und gerade für die Bereitstellung von ausreichend Kälteleistung und damit zur Änderung der Ist-Ausblastemperatur am Verdampfer genügend ist. Bei Einsatz eines Proportionalventils als Verdichter-Regelventil können beim Einschalten des Klimaverdichters entsprechende Arbeitsmittel-Massenströme ausgegeben werden, die einen Saugdruck einstellen, der unterhalb des Ruhedrucks der aktuellen Umgebungslufttemperatur liegt. Wird die Verdichter-Magnetkupplung zum Ein- und Ausschalten des Klimaverdichters verwendet, so kann das Zu- und Wegschalten der Klimaanlage im Cycling-Clutch-Betrieb erfolgen.

Ist nach Anspruch 16 wenigstens ein Verdampfer-Temperatursensor vorgesehen, mittels dem die Lufttemperatur nach Verdampfer erfasst werden kann, so kann das Ausschalten des Klimaverdichters unmittelbar vor einer durch den Verdampfer-Temperatursensor festgestellten Verdampfervereisung erfolgen. Damit ist funktionssicher verhindert, dass bei Einsatz des Ein- und Ausschalt-Konzeptes des Klimaverdichters aufgrund der niedrigen Umgebungslufttemperaturen eine Verdampfervereisung erfolgt.

Anhand einer Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Klimaanlage mit einem Stellelement in einer ersten Ausführungsform,
2 eine schematische Darstellung einer Klimaanlage mit einem Stellelement in einer zweiten Ausführungsform, und
3 eine schematische Darstellung einer Klimaanlage mit einem Stellelement in einer dritten Ausführungsform.
In den 1 bis 3 ist jeweils schematische eine Klimaanlage 1, 1' und 1'' dargestellt, die vom grundsätzlichen Aufbau her identisch sind. So wird bei jeder Klimaanlage 1, 1' und 1'' gasförmig vorliegendes Arbeitsmittel in einem Klimaverdichter 2 komprimiert und über eine Arbeitsmittelleitung 3 zu einem Gaskühler 4 weitergeführt. Der Gaskühler 4 ist dabei so im Fahrzeug montiert, dass er mit Umgebungsluft beaufschlagbar ist, so dass die den Gaskühler 4 umströmende Kühlluft durch die Umgebungsluft gebildet ist. Das im Gaskühler 4 abgekühlte und wenigstens teilweise kondensierte Arbeitsmittel wird weiter über eine Arbeitsmittelleitung 5 zu einem inneren Wärmetauscher 6 geleitet, in dem es zusätzlich zum Gaskühler 4 weiter abgekühlt wird. Über eine Arbeitsmittelleitung 7 fließt das Arbeitsmittel zu einem Expansionsorgan 8, in dem es expandiert wird, d. h. es erfolgt eine Temperatur- und Druckabsenkung des Arbeitsmittels. In der Folge strömt das abgekühlte und expandierte Arbeitsmittel weiter über eine Arbeitsmittelleitung 9 in einen Verdampfer 10, in dem das Arbeitsmittel durch Aufnahme von Wärme aus der Luft, die dem Fahrzeuginnenraum zugeführt wird, verdampft wird. Dadurch strömt gekühlte und teilweise entfeuchtete Luft vom Verdampfer 10 in Richtung Fahrzeuginnenraum insbesondere für eine Kühlung desselben. Über eine Arbeitsmittelleitung 11 strömt das nun gasförmig und teilweise flüssig vorliegende Arbeitsmittel in einen Akkumulator 12, in dem noch flüssig vorliegende Anteile des Arbeitsmit tels aufgefangen werden. Eine Arbeitsmittelleitung 13 führt zum inneren Wärmetauscher 6, in dem das Arbeitsmittel im Gegenstromverfahren weiter angewärmt wird. Eine Arbeitsmittelleitung 14 verbindet den inneren Wärmetauscher 7 mit dem Klimaverdichter 2, so dass damit der Arbeitsmittelkreislauf geschlossen ist und das Arbeitsmittel im Klimaverdichter 2 wieder verdichtet werden kann.
In Fließrichtung des Arbeitsmittels gesehen ist der Arbeitsmittelkreislauf in einen zwischen einem druckseitigen Anschluss des Klimaverdichters 2 und dem Expansionsorgan 8 befindlichen Hochdruckbereich mit Hochdruck und einen zwischen dem Expansionsorgan 8 und einem saugseitigen Anschluss des Klimaverdichters 2 befindlichen Niederdruckbereich mit Niederdruck geteilt. Dem Gaskühler 4 ist ein Gaskühler-Temperatursensor 15 zugeordnet, mittels dem die Lufttemperatur der den Gaskühler 4 umströmenden Kühlluft, die mit der Umgebungslufttemperatur gleichzusetzen ist, erfasst werden kann. Dem Verdampfer 10 ist ein Verdampfer-Temperatursensor 16 zugeordnet, mittels dem die Lufttemperatur nach Verdampfer 10 erfasst werden kann.
Bei niedrigen Umgebungslufttemperaturen, beispielsweise bei einer Umgebungslufttemperatur kleiner 6°C, kann insbesondere bei niedrigen Leistungsanforderungen an die Klimaanlage 1, 1' oder 1'' oftmals kein ausreichend großes Druckverhältnis zwischen Hochdruck und Niederdruck eingestellt bzw. aufrechterhalten werden, so dass die Gefahr besteht, dass der Arbeitsmittelkreislauf in der Klimaanlage 1, 1' oder 1'' nicht aufrechterhalten werden kann. Um auch bei derart niederen Umgebungslufttemperaturen einen funktionssicheren Betrieb der Klimaanlage 1, 1' oder 1'' sicherzustellen, sind entsprechende Stellelemente vorgesehen, mittels denen eine Einstellung bzw. eine Aufrechterhaltung eines vorgegebenen Druckverhältnisses zwischen Hochdruck und Niederdruck erreicht werden kann. Dafür ist der Gaskühler-Temperatursensor 15 als Ist-Temperaturwertgeber eingangsseitig an eine hier nicht näher dargestellte Regel-/Steuereinheit angeschlossen, an der ausgangsseitig das oder die steuerbaren Stellelemente angeschlossen sind. Die Regel-/Steuereinheit enthält einen Grenzwertgeber, wobei zudem eine vorgegebene Umgebungslufttemperatur als Minimal-Temperaturwert für die Umgebungsluft festgelegt ist. Bei einer von der Regel-/Steuereinheit ermittelten Unterschreitung des mittels des Gaskühler-Temperatursensors 15 festgestellten Temperatur-Istwertes unter den Minimal-Temperaturwert, wird ein zugeordnetes Stellsignal an das oder die Stellelemente abgegeben für eine Einstellung bzw. Aufrechterhaltung eines vorgegebenen Druckverhältnisses zwischen Hochdruck und Niederdruck und somit für einen funktionssicheren Betrieb der Klimaanlage 1, 1' oder 1''. Des weiteren sind „Ausschalttemperaturen" für die Klimaanlage 1, 1' oder 1'' festgelegt, bei denen die Klimaanlage 1, 1' oder 1'' ausgeschalten wird, wobei diese „Ausschalttemperaturen" kleiner als der vorgegebene Minimal-Temperaturwert ist. So kann beispielsweise eine Klimaanlage 1, 1' oder 1'' bei einem Umluftbetrieb bis zu Umgebungslufttemperaturen bis –15°C betrieben werden, bzw. bei einem Frischluftbetrieb bis –1°C.
In den 1 bis 3 sind unterschiedliche Ausführungsformen von Stellelementen, mittels denen eine Einstellung bzw. Aufrechterhaltung des vorgegebenen Druckverhältnisses zwischen Hochdruck und Niederdruck erreicht werden kann, dargestellt. In 1 ist an die Arbeitsmittelleitung 3 als Gaskühler-Arbeitsmittelleitung eine Gaskühler-Bypassleitung 17 strömungsmäßig angeschlossen, über die Arbeitsmittel am Gaskühler 4 vorbeigeführt werden kann. Als Stellelement ist ein Gaskühler-Bypassventil 18 vorgesehen, das gesteuert wenigstens zwischen einer Gaskühler-Stellung und einer Bypass-Stellung umgeschalten werden kann. In der Gaskühler-Stellung strömt das Arbeitsmittel nur durch den Gaskühler 4 und in der Bypass-Stellung strömt das Arbeitsmittel nur durch die Gaskühler-Bypassleitung 17. Wird mittels des Gaskühler-Temperatursensors 15 eine Unterschreitung des Minimal-Temperaturwertes festgestellt, so wird das Gaskühler-Bypassventil 18 in die Bypass-Stellung umgeschalten, so dass aufgrund der dadurch verkürzten Weg- und damit Abkühlstrecke für das Arbeitsmittel ein Abfall des Druckniveaus vermieden werden kann. Grundsätzlich kann die Gaskühler-Bypassleitung 17 auch in den Gaskühler 4 integriert sein, was schematisch durch ein strichliertes Rechteck in 1 eingezeichnet ist.
In der in 2 dargestellten Klimaanlage 1' ist in der Arbeitsmittelleitung 3 direkt benachbart zum Klimaverdichter 2 ein Druckaufbauorgan 19 als Stellelement angeordnet, bei dem der Durchströmungs-Querschnitt verändert werden kann. Wird eine Unterschreitung des Minimal-Temperaturwertes mittels dem Gaskühler-Temperatursensor 15 festgestellt, so wird der Durchströmungs-Querschnitt des Druckaufbauorgans 19 verkleinert, so dass dadurch ein erhöhter Widerstand im Arbeitsmittelkreislauf zustande kommt, wodurch ein entsprechender Druckaufbau im Arbeitsmittelkreislauf erfolgt. Dadurch kann das geforderte Druckverhältnis zwischen Hochdruck und Niederdruck auch bei entsprechend niedrigen Umgebungslufttemperaturen gehalten bzw. erreicht werden. Das Druckaufbauorgan 19 kann auch direkt in den Klimaverdichter 2 mit integriert werden, was auch hier schematisch durch ein strichliertes Rechteck eingezeichnet ist.
In 3 ist als Stellelement ebenfalls ein Druckaufbauorgan im Arbeitsmittelkreislauf vorgesehen, wobei hier das Druckaufbauorgan durch ein steuerbares Expansionsorgan 8' gebildet ist. Damit weist das Expansionsorgan 8' eine Doppelfunktion auf, nämlich einerseits eine üblicher Weise im Arbeitsmittelkreislauf notwendige Expansionsfunktion für das Arbeitsmittel und andererseits die Funktion des Stellelements bei entsprechend niedrigen Umgebungslufttemperaturen. Auch hier kann der Durchströmungs-Querschnitt des Expansionsorgans 8' verändert werden, so dass bei einer Unterschreitung des Minimal-Temperaturwertes der Durchströmungs-Querschnitt verkleinert wird. Dadurch wird aufgrund des erhöhten Widerstands im Arbeitsmittelkreislauf ein Druckaufbau erreicht.
Zur Verdeutlichung sind die Stellelemente (Gaskühler-Bypassventil 18 mit Gaskühler-Bypassleitung 17, Druckaufbauorgan 19 und Expansionsorgan 8') in den einzelnen Figuren jeweils fett eingezeichnet. Steigt die Umgebungslufttemperatur wieder über den Minimal-Temperaturwert, so wird das Gaskühler-Bypassventil 18 wieder zurück in die Gaskühler-Stellung geschalten bzw. beim Druckaufbauorgan 19 und beim Expansionsorgan 8' wird der Durchströmungs-Querschnitt wieder vergrößert, so dass damit ein von den jeweiligen Stellelementen unbeeinflusster Arbeitsmittelkreislauf erhalten wird. Mit derartigen Stellelementen 18, 19 und 8' kann ein Betrieb der Klimaanlage 1, 1' und 1'' auch bei relativ niedrigen Umgebungslufttemperaturen funktionssicher gewährleistet werden.

Claims

Klimaanlage für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Klimaverdichter, wenigstens einem ersten Wärmetauscher als Gaskühler, wenigstens einem Expansionsorgan und wenigstens einem zweiten Wärmetauscher als Verdampfer, die nacheinander angeordnet und durch Arbeitsmittelleitungen für einen Arbeitsmittelkreislauf verbunden sind, wobei der Arbeitsmittelkreislauf in Fließrichtung des Arbeitsmittels gesehen in einen zwischen einem druckseitigen Anschluss des Klimaverdichters und dem Expansionsorgan befindlichen Hochdruckbereich mit Hochdruck und einen zwischen dem Expansionsorgan und einem saugseitigen Anschluss des Klimaverdichters befindlichen Niederdruckbereich mit Niederdruck geteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Gaskühler-Temperatursensor (15) vorgesehen ist, mittels dem die Lufttemperatur am Gaskühler (4) als Umgebungslufttemperatur erfassbar ist, dass der Gaskühler-Temperatursensor (15) als Ist-Temperaturwertgeber eingangsseitig an eine Regel-/Steuereinheit angeschlossen ist, an der ausgangsseitig wenigstens ein steuerbares Stellelement (18; 19; 8') angeschlossen ist, dass die Regel-/Steuereinheit einen Grenzwertgeber enthält und eine vorgegebene Umgebungslufttemperatur als Minimal-Temperaturwert für die Umgebungsluft festgelegt ist, und dass bei einer von der Regel-/Steuereinheit ermittelten Unterschreitung des mittels des Gaskühler-Temperatursensors (15) festgestellten Temperatur-Istwertes unter den Minimal-Temperaturwert ein zugeordnetes Stellsignal an wenigstens ein Stellelement (18; 19; 8') abgebbar ist für eine Einstellung bzw. Aufrechterhaltung eines vorgegebenen Druckverhältnisses zwischen Hochdruck und Niederdruck.
Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Minimal-Temperaturwert höchstens 6°C beträgt.
Klimaanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das eingesetzte Arbeitsmittel CO₂ ist.
Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Klimaverdichter (2) und dem Gaskühler (4) eine Gaskühler-Arbeitsmittelleitung (3) vorgesehen ist, dass wenigstens eine an der Gaskühler-Arbeitsmittelleitung (3) strömungsmäßig angeschlossene Gaskühler-Bypassleitung (17) vorgesehen ist, über die Arbeitsmittel am Gaskühler (4) vorbeiführbar ist, und dass als Stellelement wenigstens ein Gaskühler-Bypassventil (18) vorgesehen ist, das gesteuert wenigstens zwischen einer Gaskühler-Stellung und einer Bypass-Stellung umschaltbar ist dergestalt, dass in der Gaskühler-Stellung Arbeitsmittel nur durch den Gaskühler (4) strömt und in der Bypass-Stellung Arbeitsmittel nur durch die Gaskühler-Bypassleitung (17) strömt.
Klimaanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaskühler-Bypassventil (18) in eine Mehrzahl von Zwischenstellungen schaltbar ist, so dass ein gestuftes, vorzugsweise stufenloses, Umschalten zwischen der Gaskühler-Stellung und der Bypass-Stellung möglich ist.
Klimaanlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaskühler-Bypassventil (18) durch ein 3-2-Wegeventil gebildet ist.
Klimaanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaskühler-Bypassventil (18) durch ein thermisch schaltendes Gaskühler-Thermo-Bypassventil gebildet ist, bei dem der Gaskühler-Temperatursensor und die Regel-/Steuereinheit im Gaskühler-Thermo-Bypassventil integriert sind.
Klimaanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Gaskühler-Bypassleitung (17) in den Gaskühler (4) integriert angeordnet ist.
Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellelement wenigstens ein Druckaufbauorgan (19; 8') im Arbeitsmittelkreislauf angeordnet ist.
Klimaanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Druckaufbauorgan (19; 8') einen gesteuert veränderbaren Durchströmungs-Querschnitt aufweist dergestalt, dass bei einer Unterschreitung des Minimal-Temperaturwertes der Durchströmungs-Querschnitt verkleinert wird.
Klimaanlage nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Druckaufbauorgan (19) zwischen dem Klimaverdichter (2) und dem Gaskühler (4), vorzugsweise unmittelbar benachbart zum Klimaverdichter (2), im Arbeitsmittelkreislauf angeordnet ist.
Klimaanlage nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Druckaufbauorgan (19) im Klimaverdichter (2) integriert ist.
Klimaanlage nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Druckaufbauorgan durch ein steuerbares Expansionsorgan (8') gebildet ist.
Klimaanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsorgan (8') wenigstens zweistufig ausgebildet ist.
Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellelement ein Verdichter-Regelventil des Klimaverdichters (2) und/oder eine Verdichter-Magnetkupplung des Klimaverdichters (2) eingesetzt ist, und dass mittels des Verdichter-Regelventils und/oder der Verdichter-Magnetkupplung in einem zeitlich vorgegebenen Wechsel ein Ein- und Ausschalten des Klimaverdichters erfolgt.
Klimaanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Verdampfer-Temperatursensor (16) vorgesehen ist, mittels dem die Lufttemperatur nach Verdampfer (10) erfassbar ist, und dass das Ausschalten des Klimaverdichters (2) unmittelbar vor einer durch den Verdampfer-Temperatursensor (16) festgestellten Verdampfervereisung erfolgt.