-
Die
Erfindung betrifft eine Klimaanlage, insbesondere zum Einsatz in
Kraftfahrzeugen, mit den Merkmalen des Oberbegriffs der Patentansprüche 1 bzw.
2 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Klimaanlage gemäß Oberbegriff
der Patentansprüche
14 bzw. 15.
-
Stand der
Technik
-
Bei
bekannten Klimaanlagen zum Einsatz in Kraftfahrzeugen wird als Kältemittel
oftmals sog. FKW (Fluor-Kohlenwasserstoff) R134a eingesetzt. Auf
Grund der zunehmenden Belastung der Erdatmosphäre durch die als Treibhausgase
wirkenden Fluor-Kohlenwasserstoffe werden in Zukunft Klimaanlagen
für Kraftfahrzeugen
mit alternativen Kältemitteln
betrieben werden müssen.
Als alternatives Kältemittel
eignet sich insbesondere Kohlendioxid (R744). Durch Leckagen des
Verdampfers einer solchen Klimaanlage können jedoch unter Umständen größere Mengen
Kohlendioxid in den Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs eindringen.
Da größere Konzentrationen
von Kohlendioxid gesundheitsschädlich sind,
muss der versehentliche Austritt des Kältemittels verhindert bzw.
zumindest erkannt werden. Es kann daher notwendig sein, einen Kohlendioxidsensor
zur Überwachung
der durch den Verdampfer strömenden
Luft einzusetzen. Die Position dieses Sensors kann sich sowohl innerhalb
des Klimagerätes
als auch innerhalb des Fahrzeuginnenraums befinden.
-
Kritische
Leckagen des Klimaanlagenverdampfers können prinzipiell an allen Stellen
des Verdampfers auftreten, bspw. an den Anschlüssen und an jeder Stelle der
Wärmetauscherfläche. Je
nach Größe einer
solchen undichten Stelle kann hierbei der Fall eintreten, dass bei
einem kleinen Leck an einer für
eine Erfassung ungünstig
gelegenen Stelle beim Austritt des gasförmigen Kältemittels eine sog. Fahnenbildung
des austretenden Kältemittels
in die klimatisierte Luft erfolgt. Hierdurch verteilt sich das austretende
Kältemittel
in der geförderten
Luft nicht gleichmäßig, sondern
es bildet sich in der strömabwärtigen Luftströmung eine
räumlich
begrenzte Kältemittelfahne
aus. Der Einbauort eines Gassensors in der Luftführung hinter dem Verdampfer
beeinflusst die Empfindlichkeit des Gassensors für die Anteile des Kältemittels
in der Luftströmung.
-
Eine
Klimaanlage mit einem Kühlkreislauf und
einem Lüftungssystem,
bei dem als Kältemittel Kohlendioxid
eingesetzt wird, ist aus der
DE 198 50 14 A1 bekannt. Im Lüftungssystem
in Strömungsrichtung
hinter dem Wärmetauscher
ist hierbei ein Kohlendioxidsensor angeordnet, mittels dessen Signal eine
Klappe angesteuert wird, die im Lüftungssystem in Strömungsrichtung
hinter dem Wärmetauscher
angeordnet ist und welche die Luftzufuhr aus dem Lüftungssystem
in den Innenraum des Kraftfahrzeugs unterbrechen kann.
-
Vorteile der
Erfindung
-
Eine
erfindungsgemäße Klimaanlage
mit den Merkmalen des Oberbegriffs der Patentansprüche 1 bzw.
2 sieht einen innerhalb eines Luftführungskanals angeordneten Gassensor
vor, der einen Austritt von Kältemittel
einer Verdampfer-/Wärmetauschereinheit
erfassen kann. Durch Anordnung eines Gassensors innerhalb einer
Engstelle des Luftführungskanals,
vorzugsweise unmittelbar stromabwärts eines Verdampfers/Wärmetauscher
der Klimaanlage, ist die zuverlässige
Erfassung auch kleiner Anteile von Kältemittel in der geförderten
klimatisierten Luft möglich,
wobei auch Kältemittelfahnen
innerhalb der Luftströmung
zuverlässig
erfasst werden können.
Alternativ oder zusätzlich
kann die Luftströmung
auch in Turbulenzen versetzt werden, wobei der Gassensor in einem
Bereich turbulenter Strömung
angeordnet ist. Auch hierdurch kann verhindert werden, dass Anteile
höherer
Kältemittelkonzentrationen
den Gassensor unbemerkt passieren können.
-
Die
Anordnung des Gassensors in der Innenraumluftführung hinter dem Verdampfer
beziehungsweise Wärmetauscher
der Klimaanlage kann sicher stellen, dass unabhängig von der Leckagestelle
des Wärmetauschers
austretendes Kältemittel
sofort erkannt wird und Sicherheitsmaßnahmen zum Schutz der Fahrzeuginsassen
ohne nennenswerte Verzögerung
eingeleitet werden können.
-
Erfindungsgemäß erfolgt
der Einbau des Gassensors zur Erfassung von Kältemittelverlusten in der für die Belüftung bzw.
Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums geförderten Luft nach der Durchströmung des
Verdampfers an einer Stelle, an der das gesamte Luftvolumen, bevor
es auf die einzelnen Zulufteintrittsstellen des Fahrzeuginnenraums
verteilt wird, passieren muss und deren Größe so bemessen ist, dass mit
einem Sensor die gesamte durchströmende Luftmenge erfasst werden
kann. Dies ist auf der stromabwärtigen
Seite des Verdampfers an einer ersten Verengungsstelle des Luftführungska nals
der Fall. Die Gestaltung dieser Engstelle erfolgt dabei vorzugsweise
so, dass die Verengung des Kanalquerschnitts der Luftführung auf
den bei maximaler Luftmenge aus Geräuschgründen noch tolerierbaren Mindestquerschnitt
erfolgt. Je nach Ausbildung der Querschnittsverengung sind hier
ohne zusätzliche Geräuschdämmungsmaßnahmen
Strömungsgeschwindigkeiten
von 12 bis 15 Metern pro Sekunde tolerierbar. Im Wärmetauscher
sind dagegen für
einen ausreichenden Wärmeübergang
nur Strömungsgeschwindigkeiten
von 3 bis 5 Metern pro Sekunde möglich.
Eine Querschnittsverengung auf ca. 20 % des Querschnitts am Verdampfer
ist damit an der Einbaustelle des Gassensors möglich.
-
Wird
als Gassensor ein optischer Absorptionssensor gewählt, so
ergibt sich zur Erhöhung
der Empfindlichkeit der Absorptionsstrecke des Sensors ein günstiger
Aufbau mit einem rechteckigen Querschnitt mit möglichst hohem Verhältnis der
Länge zu dessen
Breite, wobei die Absorptionstrecke in Richtung der Länge des
Kanalquerschnitts liegt.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Einbauort des
Gassensors zur Erfassung von Kältemittelverlusten
in der für
die Belüftung des
Innenraums bestimmten Luft so gewählt, dass auf Grund der unterschiedlichen
spezifischen Dichte von Luft und ausgetretenen Kältemittel das Medium mit der
höheren
Dichte bevorzugt an der Einbaustelle des Gassensors gelangt. Die
Normdichte der Luft liegt bei 1,293 kg/m3 und
ist damit deutlich geringer als die Normdichte von typischer Weise
in Fahrzeugklimaanlagen eingesetzten oder gebräuchlichen Kältemitteln wie beispielsweise
Kohlendioxid (R744), das eine Normdichte von 1,98 kg/m3 aufweist.
Auch andere Kältemittel
wie Difluorethan (R152a) mit einer Dichte von ca. 4,6 kg/m3 und Tetrafluorethan (R134a) mit einer Dichte
von ca. 7,2 kg/m3 weisen eine deutlich höhere Dichte
als Luft auf.
-
Es
kommt hinzu, dass während
des Betriebs der Klimaanlage das durch ein Leck des Verdampfers austretende
Kältemittel
eine deutlich geringere Temperatur und damit eine nochmals höhere Dichte
als die umgebende Luft aufweist. Wird für die Belüftung des Fahrzeuginnenraums
bestimmte Luft nun unmittelbar nach Durchtritt durch den Verdampfer
einmal oder zweimal umgelenkt, so erhöht sich die Konzentration des
dichteren Gases, also des ausgetretenen Kältemittels, jeweils am äußeren Rand
des Luftkanalbogenabschnittes. Dieser Effekt ist um so stärker, je höher der
Winkel der Umlenkung in der Luftführung gewählt ist.
-
Zweckmäßiger Weise
sollten die Umlenkungen nach unten, das heißt in Richtung der Schwerkraft
erfolgen, damit sich auch bei langsamer Luftströmung, bei der ein geringerer
Effekt durch die Umlenkung der Zuluft eintritt, das dichtere Kältemittel
an der gleichen Stelle sammelt und dort vom Gassensor erkannt wird.
Eine solche Anordnung des Gassensors an einer tiefen Stelle eines
umgelenkten Luftführungskanals
bietet darüber
hinaus den Vorteil, dass bei einem Austritt von Kältemittel
während
abgeschalteter Klimaanlage dieses sich auf Grund seiner höheren Dichte
ebenfalls am Einbauort des Gassensors sammelt.
-
Die
oben genannten Querschnittsverringerungen und die genannte Umlenkung
der Luft können auch
durch Einbauten in einem ansonsten hinsichtlich seines Querschnitts
und seines Richtungsverlaufs unveränderten Luftkanal ermöglicht werden. Eine
Kombination der genannten Maßnahmen
ist in unterschiedlicher Ausprägung
eben falls möglich. Wird
der Wärmetausch
bei einer Klimaanlage mit Wärmepumpenfunktionalität auch zur
Erwärmung der
für den
Innenraum bestimmten Luft verwendet, lassen sich die beschriebenen
Prinzipien ebenfalls in gleicher Weise anwenden.
-
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen,
in den abhängigen
Ansprüchen
genannten Merkmalen.
-
Zeichnungen
-
Die
Erfindung wird nachfolgend in bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der
zugehörigen Zeichnungen
näher erläutert. Dabei
zeigt:
-
1 einen schematischen Längsschnitt
eines Teils einer Fahrzeugklimaanlage,
-
2 eine schematische Perspektivdarstellung
eines stromabwärts
eines Verdampfers/Wärmetauscher
der Klimaanlage angeordneten Luftführungskanals,
-
3 einen weiteren schematischen
Längsschnitt
eines Teils der Fahrzeugklimaanlage mit einem im Luftführungskanal
angeordneten Gassensor,
-
4 eine Prinzipdarstellung
einer Anordnung einer optischen Messstrecke des Gassensors,
-
5 eine alternative Gestaltung
des Luftführungskananls
mit einer einfachen Umlenkung der darin geführten klimatisierten Luft,
-
6 eine weitere alternative
Gestaltung des Luftführungskanals
mit mehrfacher Umlenkung der klimatisierten Luft und
-
7 eine beispielhafte Anordnung
von Ausstrittsstellen für
klimatisierte Luft im Innenraum eines Fahrzeugs.
-
Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
-
1 zeigt in schematischer
Schnittdarstellung einen Luftführungskanal 10,
der Teil einer Klimaanlage ist, die insbesondere eine Fahrzeugklimaanlage
sein kann. Vor einem Verdampfer beziehungsweise Wärmetauscher 12 ist
ein Gebläse 14 angeordnet,
das zu klimatisierende Luft 16 ansaugt und durch den Verdampfer/Wärmetauscher 12 befördert. Stromabwärts des
Verdampfers/Wärmetauschers 12 ist
eine Verzweigungsstelle im Luftführungskanal 10 vorgesehen,
bei der die klimatisierte Luft mit Hilfe einer beweglichen Klappe 18 zwischen
einem oberen Kanal 20 und einem unteren Kanal 22 aufgeteilt
bzw. jeder dieser Kanäle 20, 22 ganz
oder teilweise verschlossen werden kann. Innerhalb des oberen Kanals 20 ist
eine optionale Heizeinrichtung 24 angeordnet, mittels derer
die klimatisierte Luft auf eine gewünschte Innenraumtemperatur
gebracht werden kann.
-
Im
stromabwärtigen
unteren Bereich des Luftführungskanals 10 verzweigt
sich dieser in verschiedene Strömungskanäle 26 und 28,
die jeweils zu unterschiedlichen Ausströmöffnungen im Fahrzeuginnenraum
führen.
Stromabwärts
des Verdampfers/Wärmetauschers 12 ist
wenigstens ein Gassensor 30 angeordnet, der zur Erfassung
von unzulässigen
Anteilen an Kältemittel
des Verdampfers/Wärmetauschers 12 in
der klimatisierten Luft dient. Weist der Verdampfer Wärmetauscher 12 eine
Leckage auf, so kann Kältemittel
ausströmen,
das beispielsweise Kohlendioxid sein kann, welches in zu hoher Konzentration
gesundheitsschädlich
ist.
-
Um
eine solche Kältemittelleckage
zeitnah zu erfassen, ohne dass eine Beeinträchtigung der Fahrzeuginsassen
stattfinden kann, ist der Gassensor 30 im gezeigten Ausführungsbeispiel
in einem Bereich des Luftführungskanals 10 angeordnet,
in dem sich die klimatisierte Luft in turbulenter Strömung befindet.
Die Turbulenzen der Strömung
werden durch die Anordnung der Verzweigung innerhalb eines gekrümmten Abschnittes
des Kanals erzeugt. Auf diese Weise kann zuverlässig verhindert werden, dass
der Gassensor 30 Strömungsfäden mit
höherer Kältemittelkonzentration
nicht erfassen kann, da diese bspw. nicht innerhalb einer optischen
Messstrecke hindurch strömen.
-
2 verdeutlicht in einer
schematischen Perspektivdarstellung einer alternative Gestaltung des
Luftführungskanals 10,
der im Bereich stromabwärts
des Verdampfers/Wärmetauschers 12 eine Engstelle 32 aufweist.
Die gesamte zu klimatisierende Luft 16 passiert den Verdampfer/Wärmetauscher 12 mit
einer relativ geringen Strömungsgeschwindigkeit
von bspw. ca. 3 bis 5 Metern pro Sekunde. Bei dieser geringen Strömungsgeschwindigkeit
kann die Luft in relativ kurzer Zeit ausreichend klimatisiert werden.
Durch die Verengung des Luftführungskanals 10 auf
bis zu 20% seines ursprünglichen
Querschnitts kann eine Erhöhung
der Strömungsgeschwindigkeit auf
ca. 12 bis 15 Meter pro Sekunde und ggf. gleichzeitig eine Verwirbelung
der klimatisierten Luft 34 erreicht werden, sodass keinerlei
unbemerkte Kältemittelfäden innerhalb
der Strömung
aus dem Verdampfer/Wärmetauscher 12 vom
Gassensor 30 unentdeckt bleiben können.
-
Die
Engstelle 32 kann in der gezeigten Weise ausgestaltet sein,
indem der Luftführungskanal 10,
der einen weitgehend rechteckförmigen
Querschnitt aufweist, trichterförmig
zuläuft.
Die gewünschte
Erhöhung
der Strömungsgeschwindigkeit kann
durch den Querschnitt der Engstelle 32 vorgegeben werden.
Der Gassensor 30 ist vorzugsweise so in der Engstelle 32 des
Luftführungskanals 10 angeordnet,
dass weitgehend die gesamte klimatisierte Luft 34 den Gassensor 30 passieren
muss. Eine beispielhafte Anordnung des Gassensors 30 innerhalb der
Engstelle 32 des Luftführungskanals 10 ist
in 4 gezeigt.
-
Gegebenenfalls
können
entsprechend des in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiels
zusätzliche Einrichtungen
zwischen Verdampfer/Wärmetauscher 12 und
Gassensor 30 vorgesehen sein, um die klimatisierte Luft
in Turbulenzen zu versetzen, so dass Kältemittelfäden nicht unbemerkt den Gassensor 30 passieren
können.
-
3 zeigt eine mögliche Anordnung
des Gassensors 30, bei dem eine kanalartige optische Messstrecke 36 quer
zur Strömungsrichtung
der klimatisierten Luft 34 verläuft. Der Gassensor 30 kann insbesondere
ein optischer Sensor, beispielsweise ein Infrarotsensor sein, der
mittels einer Absorptionsmessung Anteile des Kältemittels wie beispielsweise Kohlendioxid
oder Frigen innerhalb der klimatisierten Luft 34 erfasst.
-
Die
optische Messstrecke 36 wird hierbei zwischen einer Infrarotlichtquelle 31 und
dem für
Infrarotlicht empfindlichen Sensor 30 gebildet. Der gesamte
Sensoraufbau besteht typischer Weise aus einem sog. Infrarot-Fotometer
mit einem Infrarotstrahler als Lichtquelle 31, der Messstrecke 36 und
dem Strahlungsdetektor, der im vorliegenden Zusammenhang als Gassensor 30 bezeichnet
ist. Die zwischen Lichtquelle 31 und Gassensor 30 verlaufende
optische Messstrecke 36 verläuft quer durch die Engstelle 32 des
Luftführungskanals 10,
wie dies anhand der 4 verdeutlicht
ist.
-
Das
Signal des Gassensors 30 kann bspw. zur Abschaltung der
Klimaanlage, zur Ansteuerung einer Klappe, mit der der Luftführungskanal 10 vorzugsweise
vollständig
verschlossen wird und/oder zur Ansteuerung eines Signalgebers verwendet
werden, das die Fahrzeuginsassen vor einer zu hohen Konzentration
an Kohlendioxid warnt.
-
5 verdeutlicht eine weitere
alternative Ausgestaltung der Erfindung, bei der der Gassensor 30 in
einem unteren Bereich 38 des umgelenkten Luftführungskanals 10 angeordnet
ist. Der Luftführungskanal 10 verläuft hierbei
zunächst
in einem nach unten gekrümmten
Abschnitt 101, der in eine Oberseite eines kastenförmigen Querkanals 102 mündet. Da
die typischer Weise verwendeten Kältemittel allesamt schwerer
sind als Luft, befindet sich der Gassensor 30 in der gezeigten
Anordnung in einem Bereich sehr hoher Kältemittelkonzentration, falls
dieses aus einer Leckage des Verdampfers/Wärmetauschers 12 austritt.
-
Die
Normdichte von Luft liegt bei 1,293 kg/m3 und
ist damit wesentlich geringer als die Dichte von gebräuchlichen
Kältemitteln
wie bspw. Kohlendioxid (R744) mit einer Normdichte von 1,98 kg/m3, von Propan (R290) mit einer Normdichte
von 2,00 kg/m3 oder von Frigen (R12) mit
einer Normdichte von 5,51 kg/m3. Dieser
Effekt wird verstärkt
durch die im Betrieb der Klimaanlage deutlich geringere Temperatur des
austretenden Kältemittels,
so dass dieses eine nochmals gegenüber Luft erhöhte Dichte
aufweist. Auch andere Kältemittel
wie Difluorethan (R152a) mit einer Dichte von ca. 4,6 kg/m3 und Tetrafluorethan (R134a) mit einer Dichte
von ca. 7,2 kg/m3 weisen eine deutlich höhere Dichte
als Luft auf.
-
6 verdeutlicht eine alternative
Ausgestaltung des Luftführungskanals 10,
bei der die Luftführung
der klimatisierten Luft 34 nach unten sowie deren Verengung
und damit Strömungsgeschwindigkeitserhöhung mittels
versetzt im Lufttührungskanal 10 angeordneter
Luftleitbleche 38 erfolgt. Die Luftleitbleche 38 ermöglichen
eine Umlenkung der klimatisierten Luft 34 nach unten sowie
eine künstliche
Verengung des Luftführungskanals 10 auf
einem gewünschten
Querschnitt, sodass die Strömungsgeschwindigkeit
der geförderten
klimatisierten Luft 34 auf einen gewünschten Wert erhöht werden
kann.
-
Wird
die für
die Belüftung
des Fahrzeuginnenraums bestimmte Luft unmittelbar nach dem Durchtritt
durch den Verdampfer/Wärmetauscher 12 einmal
oder mehrmals umgelenkt, so erhöht
sich die Konzentration des dichteren Kältemittelgases jeweils am äußeren Rand
der Krümmungsstellen.
Dieser Effekt ist mit engeren Krümmungsradien
und mit größerem Umlenkwinkel
stärker
ausgeprägt.
Vorzugsweise erfolgen die Krümmungen
nach unten, in Richtung der Schwerkraft, wie dies in den 5 und 6 gezeigt ist, damit sich auch bei langsamerer
Luftströmung, bei
der ein geringerer Effekt durch die Umlenkung der Luft eintritt,
das dichtere Kältemittel an
den tieferen Stellen des Luftführungskanals 10 sammelt
und dort vom Gassensor 30 erfasst werden kann.
-
Die 7 verdeutlicht in schematischer
Darstellung eine bevorzugte Anordnungsmöglichkeit des Gassensors innerhalb
eines unteren Strömungskanals
beziehungsweise einer tief im Fahrzeuginnenraum angeordneten Austrittsstelle 40 für die klimatisierte
Luft. Diese befinden sich typischer Weise im Fußraum des Fahrzeugs. Auf Grund
der wesentlich höheren
Dichte des typischer Weise verwendeten Kältemittels kann auf diese Weise
eine zuverlässige Erfassung
von Kältemittelleckagen
ermöglicht
werden, da die Konzentration des Kältemittels an der tiefen Austrittsstelle 40 normalerweise
wesentlich größer ist
als an höher
angeordneten Austrittsstellen, beispielweise solchen am oberen Bereich
des Armaturenbretts 42 des Fahrzeuginnenraums.