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DE10348786A1 - Fahrzeug-Klimaanlage mit einem Druckgas-Heizelement - Google Patents

Fahrzeug-Klimaanlage mit einem Druckgas-Heizelement Download PDF

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DE10348786A1
DE10348786A1 DE10348786A DE10348786A DE10348786A1 DE 10348786 A1 DE10348786 A1 DE 10348786A1 DE 10348786 A DE10348786 A DE 10348786A DE 10348786 A DE10348786 A DE 10348786A DE 10348786 A1 DE10348786 A1 DE 10348786A1
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DE
Germany
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air
heating element
refrigerant
vehicle
radiator
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Withdrawn
Application number
DE10348786A
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English (en)
Inventor
Makoto Kariya Umebayashi
Tomohiro Kariya Inada
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Denso Corp
Original Assignee
Denso Corp
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Publication date
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Abstract

Eine Fahrzeug-Klimaanlage enthält ein Gehäuse (1) mit einem Luftkanal, aus welchem Luft zu einer Fahrgastzelle eines Fahrzeugs ausbläst, einen Kohlendioxidgas-Kompressionskühlapparat mit einem Kompressor (7), einem Heizkörper (4), einem Verdampfapparat (2) und einem Luftheizelement (3), und einer Steuereinheit (20) zum Zirkulieren komprimierten Kohlendioxidgases durch den Heizkörper, falls die Wärmeenergie des Luftheizelements niedriger als eine vorgegebene Leistung ist, aber ausreicht, um die zu der Fahrgastzelle aufblasenden Luft zu erwärmen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fahrzeug-Klimaanlage, die einen Heizkörper für einen Wärmepumpenkreis eines Dampfkompressions-Kühlkreises zusammen mit einem motorgekühlten Luftheizelement in einem Luftkanal, aus welchem Luft zu einer Fahrgastzelle ausbläst, aufweist.
  • In einer herkömmlichen Fahrzeug-Klimaanlage, die einen Heizkörper für einen Wärmepumpenkreis zusammen mit einem Verdampfapparat eines Dampfkompressions-Kühlkreises aufweist, wie es beispielsweise in der JP-U-61-161011 offenbart ist, wird in eine Fahrgastzelle blasende Luft durch komprimierten Dampf erwärmt, der durch einen Kompressor komprimiert wird, wann immer die Temperatur eines Motorkühlmittels niedriger als ein vorbestimmtes Niveau ist. Deshalb kann es vorkommen, dass der Kompressor betrieben wird, selbst wenn ein Heizen der Fahrgastzelle nicht erwünscht ist. Dies verschwendet unnötiger Weise Kraftstoff eines Motors.
  • In Anbetracht des obigen Problems ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine neue und verbesserte Klimaanlage vorzusehen, die einen Dampfkompressions-Kühlkreis und einen Heizkreis aufweist.
  • Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein hocheffizientes Klimasystem vorzusehen.
  • Gemäß einem Merkmal der Erfindung enthält eine Fahrzeug-Klimaanlage ein Gehäuse mit einem Luftkanal, aus welchem Luft zu einer Fahrgastzelle eines Fahrzeugs ausbläst, einen Kohlendioxidgas-Kompressionskühlapparat, der einen Kompressor, einen Heizkörper und einen Verdampfapparat enthält, ein Luftheizelement, welches aus dem Luftkanal blasende Luft durch durch das Fahrzeug erzeugte Wärme heizt, und eine erste Einrichtung zum Zirkulieren komprimierten Kohlendioxidgases durch den Heizkörper, falls die Wärmeenergie des Luftheizelements geringer als eine vorgegebene Leistung, aber ausreichend zum Heizen der zu der Fahrgastzelle auszublasenden Luft ist.
  • Als Ergebnis wird verhindert, dass der Wärmepumpenkreis in einer Zeit arbeitet, in welcher eine große Heizleistung nicht notwendig ist. Weil ferner Kohlendioxidgas als Kältemittel verwendet wird, kann der Wärmepumpenkreis betrieben werden, selbst wenn die Außentemperatur niedriger als 0°C ist.
  • Die obige Fahrzeug-Klimaanlage kann einen Temperatursensor zum Erfassen einer Außentemperatur enthalten. In diesem Fall wird die erste Einrichtung betrieben, wenn die Außentemperatur in einem vorgegebenen Temperaturbereich liegt.
  • Die obige Fahrzeug-Klimaanlage kann ferner einen Nebenkanal, der an dem Luftheizelement und dem Heizkörper vorbei führt und durch welchen Luft zu der Fahrgastzelle bläst, und eine zweite Einrichtung zum Steuern eines Verhältnisses einer Menge der durch das Luftheizelement und den Heizkörper strömenden Luft und einer Menge der durch den Nebenkanal strömenden Luft enthalten. In diesem Fall zirkuliert die erste Einrichtung komprimiertes Kohlendioxidgas, falls das Verhältnis größer als ein vorgegebener Wert ist.
  • Obige sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sowie die Funktionen von Bauteilen der vorliegenden Erfindung werden aus dem Studium der folgenden detaillierten Beschreibung, den anhängenden Ansprüchen und den Zeichnungen klar. In den Zeichnungen sind:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Fahrzeug-Klimaanlage gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
  • 2 ein Flussdiagramm, welches die Funktionsweise der Fahrzeug-Klimaanlage gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel zeigt.
  • Eine Fahrzeug-Klimaanlage gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun Bezug nehmend auf l und 2 beschrieben.
  • Die Fahrzeug-Klimaanlage gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält ein Gehäuse, einen Verdampfapparat 2, ein Abwärme-Luftheizelement 3, einen Heizkörper 4, eine Luftmischklappe 5, einen Kompressor 7, einen Wärmetauscher 8, eine Ejektorpumpe 9, eine Dampf/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 10, eine Steuereinheit 20 und andere Elemente, welche einen Dampfkompressions-Kühlkreis bilden.
  • Das Gehäuse 1 ist eine Leitung, die einen Luftkanal für in eine Fahrgastzelle eines Fahrzeugs blasende Luft besitzt. Obwohl nicht dargestellt, gibt es eine Innenluft/ Außenluft-Wechselvorrichtung und ein Luftgebläse an einer stromaufwärtigen Seite des Gehäuses 1 und einen Entfrosterauslass, einen Gesichtsauslass und einen Fußauslass an einer stromabwärtigen Seite des Gehäuses 1.
  • Der Verdampfapparat 2, das Heizelement 3 und der Heizkörper 4 sind in dieser Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite des Luftkanals zu dessen stromabwärtiger Seite in dem Luftkanal angeordnet. Die Luftmischklappe 5 verändert das Verhältnis einer Luftmenge, die durch den Verdampfapparat 2 geströmt ist und an dem Heizelement 3 und dem Heizkörper 4 durch einen Nebenkanal 6 vorbei strömt, zu einer Luftmenge, die durch das Heizelement 3 und den Heizkörper 4 strömt. Mit anderen Worten wird die Temperatur der zu der Fahrgastzelle blasenden Luft entsprechend einem Öffnungswinkel der Luftmischklappe 5 geregelt. Der Anteil warmer Luft wird größer, wenn die Luftmischklappe 5 weiter öffnet, und der Anteil kalter Luft wird größer, wenn die Klappe 5 schließt. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Klappenöffnungsgrad zu 100% definiert, wenn die Klappe vollständig öffnet, sodass der Nebenkanal vollständig geschlossen ist.
  • Der Dampfkompressions-Kühlkreis soll Wärme von einem drucklosen Dampf eines niedrigen Drucks aufnehmen und die Wärme an komprimierten Dampf eines hohen Drucks abgeben.
  • Der Dampfkompressions-Kühlkreis enthält den Kompressor 7, den Außenwärmetauscher 8, die Ejektorpumpe 9, die Dampf/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 10, ein erstes Ventil 11, ein zweites Ventil 12, einen ersten Kältemittelnebenkanal 13, ein drittes Ventil 14, einen zweiten Kältemittelnebenkanal 15, ein Rückschlagventil 16, einen Innenwärmetauscher 17 und ein Verteilventil 18.
  • Der Kompressor 7 ist ein Verstellkompressor, der durch einen Motor angetrieben wird, um das Kältemittel zu komprimieren. Der Außenwärmetauscher 8 führt einen Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und Außenluft durch.
  • Die Ejektorpumpe 9 enthält eine Düse 9a, einen Mischabschnitt 9b, einen Diffusor 9c und dergleichen. Die Düse 9a wandelt die Druckenergie des Hochdruck-Kältemittels in Geschwindigkeitsenergie um, um das Kältemittel auszudehnen. Der Mischabschnitt 9b zieht von der Düse 9a eingespritztes verdampftes Kältemittel an und mischt dieses mit von der Düse 9a eingespritztem, nicht-verdampftem Kältemittel. Der Diffusor 9c mischt ebenfalls das verdampfte und das nicht-verdampfte Kältemittel und wandelt die Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie um, um den Kältemitteldruck zu erhöhen. In dem Mischabschnitt 9b werden der Antriebsstrom des aus der Düse 9a ausgespritzten Kältemittels und der Saugstrom des von dem Verdampfapparat 2 angesaugten Saugstroms vermischt, sodass die Summe des kinetischen Impulses des Antriebsstroms und des kinetischen Impulses des Saugstroms konstant gehalten werden kann. Demgemäß steigt der statische Druck des Kältemittels in dem Mischabschnitt 9b. In dem Diffusor 9c wird die Querschnittsfläche des Durchgangs nach und nach größer, sodass die Geschwindigkeitsenergie (kinetischer Druck) in die Druckenergie (statischer Druck) umgewandelt wird. Demgemäß bilden der Mischabschnitt 9b und der Diffusor 9c einen Druckerhöhungsabschnitt der Ejektorpumpe 9, welcher den Kältemitteldruck erhöht. Eine Gummidüse (siehe „Ryuutai Kogaku", veröffentlicht von Tokyo Daigaku Shuppanbu) wird als Düse des bevorzugten Ausführungsbeispiels eingesetzt, um die Geschwindigkeit des aus der Düse ausgestoßenen Kältemittels auf eine Geschwindigkeit höher als die Schallgeschwindigkeit zu erhöhen. Sie kann jedoch auch durch eine Kegeldüse ersetzt werden.
  • Die Dampf/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 10 empfängt das aus der Ejektorpumpe 9 ausgestoßene Kältemittel und trennt das Kältemittel der Dampfphase von dem Kältemittel der flüssigen Phase. Die Trennvorrichtung 10 hat einen Dampfkältemittelauslass, der mit einem Einlass des Kompressors 7 verbunden ist, und einen Flüssigkältemittelauslass, der mit dem Verdampfapparat 2 verbunden ist.
  • Das erste Ventil 11 verringert den Druck des flüssigen Kältemittels, welches aus der Trennvorrichtung 10 strömt, und öffnet oder schließt einen Kältemittelkanal, welcher die Trennvorrichtung 10 und den Verdampfapparat 2 verbindet. Das zweite Ventil 12 steuert die Menge des durch den ersten Nebenkanal 13 strömenden Kältemittels, welcher den Einlass und den Auslass des Verdampfapparats 2 verbindet. Das zweite Ventil 12 kann den ersten Nebenkanal 13 vollständig schließen, um das Kältemittel zu stoppen. Das dritte Ventil 14 öffnet oder schließt den zweiten Nebenkanal 15, durch welchen das aus dem Kompressor 7 strömende Kältemittel an dem Heizkörper 4 vorbei und in den Außenwärmetauscher 8 strömt. Das Rückschlagventil 16 verhindert, dass das zu dem Außenwärmetauscher 8 strömende Kältemittel zu dem Heizkörper 4 strömt, und leitet das aus dem Heizkörper 4 ausströmende Kältemittel zu dem Außenwärmetauscher 8, wodurch dessen Druck verringert wird.
  • Der Innenwärmetauscher 17 ist ein Wärmetauscher, der die Wärme eines Niederdruck-Kältemittels vor dem Strömen in den Kompressor 7 mit der Wärme des Hochdruck-Kältemittels vor dem Ausstoß durch die Düse 9a austauscht. Das Verteilventil 18 schaltet eine Strömung des aus dem Innenwärmetauscher 17 ausströmenden Kältemittels zwischen der Düse 9a und dem Verdampfapparat 2.
  • Es wird nun die Funktionsweise des Dampfkompressions-Kühlkreises der Klimaanlage gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • Kühlkreisbetrieb
  • Das Verteilventil 18 wird so betätigt, dass das aus dem Innenwärmetauscher 17 ausströmende Kältemittel zu der Düse 9a geleitet wird, und der Kompressor 7 wird betrieben, während das zweite Ventil 12 vollständig geschlossen und das dritte Ventil 14 vollständig geöffnet ist.
  • Demgemäß wird das Dampfphasenkältemittel, welches aus der Dampf/Flüssigkeit-Trennvorichtung 10 strömt, durch den Kompressor 7 angesaugt, sodass beinahe das gesamte komprimierte Kältemittel zu dem Außenwärmetauscher 8 ausgegeben wird. Das Kältemittel, welches durch den Außenwärmetauscher 8 gekühlt und zu der Ejektorpumpe 9 geschickt wird, wird durch die Düse 9a entspannt und dehnt sich aus, wodurch das Kältemittel in den Verdampfapparat 2 gesaugt wird. Das von dem Verdampfapparat 2 angesaugte Kältemittel und das aus der Düse 9a ausgestoßene Kältemittel werden in dem Mischabschnitt 9b gemischt, und der kinetische Druck des gemischten Kältemittels wird durch den Diffusor 9c in den statischen Druck umgewandelt. Dann kehrt es zu der Dampf/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 10 zurück.
  • Da das Kältemittel in dem Verdampfapparat 2 durch die Ejektorpumpe 9 angesaugt wird, wird dem Verdampfapparat 2 das flüssige Kältemittel, welches durch das erste Ventil 11 entspannt worden ist, von der Dampf/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 10 zugeführt. Das zugeführte flüssige Kältemittel wird durch die in die Fahrgastzelle geblasene Luft erwärmt und verdampft. In diesem Ausführungsbeispiel wird Kohlendioxid als Kältemittel verwendet, und der Hochdruck des Kältemittels oder der Ausgabedruck des Kompressors 7 ist höher als der kritische Druck eingestellt. Deshalb senkt das Kältemittel seine Enthalpie, ohne in dem Außenwärmetauscher 8 ru kondensieren.
  • Wärmepumpenkreisbetrieb
  • Das Verteilventil 18 wird so betrieben, dass das Kältemittel von dem Innenwärmetauscher 17 zu dem Verdampfapparat 2 strömt. Das dritte Ventil 14 ist vollständig geschlossen, und der Kompressor 7 arbeitet.
  • Demgemäß zirkuliert das durch den Kompressor 7 ausgegebene Kältemittel in dem Kreis beginnend von dem Kompressor 7 durch den Heizkörper 4, das Rückschlagventil 16, den Außenwärmetauscher 8, den Innenwärmetauscher 17, den Verdampfapparat 2, den Mischabschnitt 9b, den Diffusor 9c, die Dampf/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 10, den Innenwärmetauscher 17 und endet bei dem Kompressor 7.
  • Demgemäß wird das unter Druck gesetzte und erwärmte Kältemittel abgekühlt, nachdem es die Luft zum Blasen in die Fahrgastzelle über den Heizkörper 4 aufgewärmt hat. Anschließend wird es durch das Rückschlagventil 16 entspannt und zu dem Außenwärmetauscher 8 geleitet. Dann wird dem entspannten Kältemittel Wärme von der Außenluft über den Außenwärmetauscher 8 und von der in die Fahrgastzelle blasenden Luft über den Verdampfapparat 2 gegeben und verdampft. In diesem Wärmepumpenkreisbetrieb ist es nicht immer notwendig, den Ausgabedruck des Kältemittels höher als den kritischen Druck einzustellen. Somit wird die Luft durch den Verdampfapparat 2 gekühlt und entfeuchtet, durch den Heizkörper 4 erwärmt und in die Fahrgastzelle geblasen.
  • Klimabetrieb
  • Wenn ein Startschalter der Klimaanlage eingeschaltet wird, wird in Schritt S10 geprüft, ob eine Umgebungstemperatur Tam, welche durch einen Außentemperatursensor 21 erfasst wird, in einem vorgegebenen Temperaturbereich (z.B. höher als –30°C und niedriger als 15°C) liegt, wie in 2 dargestellt. Falls die Temperatur Tam nicht in diesem Bereich liegt, arbeitet der Wärmepumpenkreis in Schritt S20 nicht. Übrigens ist die niedrigste Temperatur des Temperaturbereichs entsprechend den Eigenschaften des Kältemittels eingestellt, und die höchste Temperatur des Temperaturbereichs ist so hoch wie die Temperatur, bei welcher der Wärmepumpenkreis nicht notwendig ist, eingestellt.
  • Wenn dagegen die Außentemperatur Tam in dem vorgegebenen Bereich liegt, wird in Schritt S30 überprüft, ob die Temperatur Tw des Motorkühlmittels, welches in das Heizelement 3 strömt, niedriger als eine vorgegebene Temperatur (z.B. 60°C) ist oder nicht. Dieser Schritt dient dem Erkennen der Heizleistung des Heizelements. Falls die Temperatur Tw des Kühlmittels höher als die vorgegebene Temperatur ist, wird der Wärmepumpenkreis nicht betrieben (S20). Andernfalls wird in Schritt S40 überprüft, ob der Öffnungsgrad der Luftmischklappe 5 größer als ein vorgegebener Winkel MAXHOT (z.B. 90%) ist oder nicht. Falls der Öffnungsgrad der Luftmischklappe nicht größer als MAXHOT ist, wird der Wärmepumpenkreis nicht betrieben (S20).
  • Falls dagegen der Öffnungsgrad der Luftmischklappe größer als MAXHOT ist, wird der Wärmepumpenkreis betrieben. Anschließend wird die Luftfeuchtigkeit der Fahrgastzelle in Schritt S60 erfasst und in Schritt S70 durch das zweite Ventil 12, welches die Menge des durch den ersten Nebenkanal 13 strömenden Kältemittels regelt, auf ein gewünschtes Niveau geregelt.
  • Die Heizleistung des Heizkörpers 4 und die Kühlleistung des Verdampfapparats 2 werden durch Verändern des Ausgabevolumens des Kompressors 7 gesteuert.
  • Somit wird der Wärmepumpenkreis nur betrieben, wenn die Temperatur des Motorkühlmittels niedriger als eine vorgegebene Temperatur in einem vorgegebenen Außentemperaturbereich ist, während die Luftmischklappe 5 beinahe vollständig geöffnet ist. Weil Kohlendioxid als Kältemittel verwendet wird, kann der Kühlkreis betrieben werden, selbst wenn die Außentemperatur niedriger als 0°C ist.
  • Es ist auch möglich, den Wärmepumpenkreis zu betreiben, falls die Temperatur niedriger als eine vorgegebene Temperatur ist, während die Luftmischklappe 5 vollständig geöffnet ist, selbst wenn die Außentemperatur außerhalb eines vorgegebenen Außentemperaturbereichs liegt.
  • Der Kompressor der Klimaanlage gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein Verstellkompressor. Jedoch kann auch ein anderer Typ wie beispielsweise ein Typ des festen Volumens mit einer Kupplung oder ein motorgetriebener Kompressor verwendet werden. In einem solchen Fall steuert die Kupplung oder der Motor die Betriebszeit oder andere Bedingungen des Kompressors.
  • Die Ejektorpumpe kann durch eine Entspannungsvorrichtung wie beispielsweise ein Expansionsventil ersetzt werden.
  • In der obigen Beschreibung der vorliegenden Erfindung wurde die Erfindung anhand spezieller Ausführungsbeispiele davon offenbart. Es ist jedoch offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Veränderungen an den speziellen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen, wie er in den anhängenden Ansprüchen definiert ist.

Claims (3)

  1. Fahrzeug-Klimaanlage mit einem Gehäuse (1) mit einem Luftkanal, aus welchem Luft zu einer Fahrgastzelle eines Fahrzeugs ausbläst, einem in dem Gehäuse (1) angeordneten Kohlendioxidgas-Kompressionskühlapparat, wobei der Kühlapparat einen Kompressor (7), einen Heizkörper (4) und einen Verdampfapparat (2) enthält, einem Luftheizelement (3) zum Heizen von Luft, welche aus dem Luftkanal ausbläst, durch durch das Fahrzeug erzeugte Wärme, gekennzeichnet durch eine erste Einrichtung (20, 14, 16, 8, 17, 18, 2, 9, 10) zum Zirkulieren von komprimiertem Kohlendioxidgas durch den Heizkörper (4), wenn die Wärmeenergie des Luftheizelements niedriger als eine vorgegebene Leistung und ausreichend zum Heizen der zu der Fahrgastzelle ausblasenden Luft ist.
  2. Fahrzeug-Klimaanlage nach Anspruch 1, ferner mit einem Temperatursensor (21) zum Erfassen einer Außentemperatur, wobei die erste Einrichtung betrieben wird, wenn die Außentemperatur in einem vorgegebenen Temperaturbereich liegt.
  3. Fahrzeug-Klimaanlage nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit einem Nebenkanal (6), der an dem Luftheizelement (3) und dem Heizkörper (4) vorbei führt und durch welchen Luft zu der Fahrgastzelle bläst, und einer zweiten Einrichtung (5) zum Steuern eines Verhältnisses einer Menge der durch das Luftheizelement und den Heizkörper strömenden Luft zu einer Menge der durch den Nebenkanal strömenden Luft, wobei die erste Einrichtung das komprimierte Kohlendioxidgas durch den Heizkörper zirkuliert, wenn das Verhältnis größer als ein vorgegebener Wert ist.
DE10348786A 2002-10-22 2003-10-21 Fahrzeug-Klimaanlage mit einem Druckgas-Heizelement Withdrawn DE10348786A1 (de)

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