DE2826430A1

DE2826430A1 - Fahrgastraumheiz- und -klimatisiersystem fuer kraftfahrzeuge mit einem motorkuehlsystem mit niedriger kuehlmitteltemperatur

Info

Publication number: DE2826430A1
Application number: DE19782826430
Authority: DE
Inventors: Thomas C Kreger
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1977-07-05
Filing date: 1978-06-16
Publication date: 1979-01-25
Also published as: SE7807102L; NL7804860A; JPS5418547A; CA1071420A; GB1604325A; US4123916A

Description

(0221)825-5585 Z/DR-2 Sp uk Patentanmeldung

Fahrgastraumheiz- und -klimatisiersystem für Kraftfahrzeuge mit einem Motorkühlsystem mit niedriger Kühlmitteltemperatur

Die Erfindung bezieht sich auf ein Fahrgastraumheiz- und -klimatisiersystem für Kraftfahrzeuge mit einem Motorkühl sy stern mit niederiger Kühlmitteltemperatur von weniger als 21, 1 C bei einer Umgebungstemperatur von 4, 4 C.

Ein Fahrgastraumheiz- und -klimatisiersystem der eingangs Art liegt normalerweise vor, sobald ein Kraftfahrzeug über einen Stirlingmotor angetrieben wird. Stirlingmotoren für den Antrieb von Kraftfahrzeugen arbeiten normalerweise mit einer Kühlmitteltemperatur von etwa 15, 5 C und das ist wesentlich weniger als die normale Kühlmitteltemperatur von 82, 2 C einer herkömmlichen Hubkolbenbrennkraftmaschine.

Dementsprechend ergeben sich bei der Anwendung von Stirlingmotoren für den Antrieb von Kraftfahrzeugen Schwierigkeiten bei der Auslegung des Fahrgastraumheiz- und -klimatisiersystemes. Die Verlustwärme eines Stirlingmotors muß dementsprechend auf eine andere Weise als bisher bekannt benutzt werden, um eine ausreichende Beheizung des Fahrgast-

Sitz der Gesellschaft: Köln · RegistergmctTt tfSln^HflB 8? ■ VorMtzeTidSf des Aufsichtsrates: Hans Schaberger

Vorstand: Peter Weiher, Vorsitzender ■ Horst Bergemann · Waldemar Ebers ■ Wilhelm Inden · Alfred Langer Stellvertretend: Hermann Dederichs · Hans Wilhelm Gab · Paul A. Guckel · Hans-Joachim Lehmann ■ Dieter Ullsperger

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raumee bei niedrigen Umgebungstemperaturen sicherzustellen. Würde ein herkömmliches HeizungSBystem, bei dem das Motorkühlmittel unmittelbar einem Wärmetauscher im Fahrgastraum zugeführt wird, in Verbindung mit einem Stirlingmotor benutzt, so würde die niedrige Kühlmitteltemperatur eine ausreichende Wärmeübertragung auf die dem Fahrgastraum zugeführte Luft unmöglich machen.

Um diese Schwierigkeiten zu lösen, wurde bereits vorgeschlagen, den Abgasen eines Stirlingmotors Wärme zu entziehen und diese über ein geeignetes System der Fahrgastraumheizung zuzuführen. Bei geringer Belastung des Stirlingmotors reicht jedoch auch diese Wärmemenge nicht aus, um den Fahrgastraum bei niedrigen Umgebungstemperaturen auf die gewünschte Komforttemperatur von ca 21 bis 26 C zu bringen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Fahrgastraumheiz- und -klimatisiersystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das nicht nur in der Lage ist, dem Motor kühlmittel jederzeit eine ausreichende Wärmemenge zu entziehen, um eine gewünschte Beheizung des Fahrgastraumes bei niedrigen Umgebungstemperaturen sicherzustellen sondern darüber hinaus in seiner Wirkung umkehrbar ist, um dem Fahrgastraum bei hohen Umgebungstemperaturen eine erforderliche Wärmemenge zu entziehen, um die gewünschte Komforttemperatur zu erreichen. Weiterhin soll das Fahrgastraumheiz- und -klimatisiersystem nicht nur eine erwünschte Beheizung und Kühlung des Fahrgastraumes sondern darüber hinaus auch noch eine erhöhte Entfeuchtung ermöglichen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, indem ein Fahrgastraumheiz- und -klimatisiersystem der eingangs genannten Art die Kombination der im Patentanspruch 1 aufgezeigten Merkmale aufweist.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung eines ersten und eines zweiten jeweils geschlossenen Kältemittelkreiees in Verbindung mit entsprechenden

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Verdampfern und Kondensatoren, einem vom Motor getriebenen Kompressor und einer Steuereinrichtung wird die Möglichkeit geschaffen, nach dem Prinzip der Wärmepumpe einem niedrigeren Temperaturbereich (wie z. B. dem Motorkühl sy stern eines Stirlingmotors) Wärme zu entziehen, um diese einem höheren Temperaturbereich (wie z. B. dem Fahrgastraum) zuzuführen.

Die Unteransprüche 2 bis 6 zeigen weiterhin zweckmäßige Auslegungen der zwei Kältemittelkreise auf.

Die Erfindung wird anhand eines in den beiliegenden Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Anordnung eines Fahrgastraumheiz- und -klimatisiersystem nach der Erfindung mit Erläuterung der Heizung s funktion;

Fig. 2 die schematische Anordnung nach Fig. 1 mit Erläuterung der Kühlung s funktion.

In den Figuren ist von einem Kraftfahrzeug der Motorraum 10 und der Fahrgastraum 11 in Strich-Punkt-Linien angedeutet. Der Motorraum enthält einen Stirlingmotor A und ein Fahrgastraumheiz- und -klimatisier system B, das die Temperatur und die Feuchtigkeit der dem Fahrgastraum 11 über eine Luftverteileinrichtung C zugeführten Luft entsprechend reguliert.

Der Stirlingmotor A besteht in typischer Weise aus einem externen Brennerkreis 12, in dem ein Treibstoff-Luft-Gemisch verbrannt wird, um die erforderlichen Wärmemengen einem geschlossenen Arbeitsmittelkreis 13 zuzuführen. Das Arbeitsmittel im geschlossenen Arbeitsmittelkreis 13 wird zyklisch zwischen heißen und kalten Räumen hin- und herbe-

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wegt, so daß benachbart einem Teil 14 a des geschlossenen Arbeitsmittelkreises ein Motorkühlmittelkreis 14 angeordnet ist, um die kalten Räume auf ihrer niedrigeren Temperatur zu halten. Der Motorkühlmittelkreis ist für die vorliegende Erfindung von Bedeutung, da hier einem niedrigeren Temperaturbereich (14 a) Wärme entzogen und einem höheren Temperaturbereich (16) zugeführt werden soll.

Die Abtriebswelle des Stirlingmotors ist mit 15 bezeichnet.

Der Kühlmittelkreis 14 des Stirlingmotors weist neben seiner wärmeaufnehmenden Zone 14 a und der üblichen wärmeabgebenden Zone 17 in Form enes am Frontende des Kraftfahrzeuges angeordneten und vom Fahrtwind durchströmten Kühlers zusätzlich eine wärmeentziehende Zone 18 auf, die bereits zum erfindungsgemäßen Fahrgastraumheiz- und -klimatisier system B gehört, dessen Aufbau nachfolgend noch näher erläutert wird und das mit der Luftverteilungseinrichtung C zusammenwirkt.

Die Luftverteilungseinrichtung C weist Wandungen 20, die eine Kühl- und Entfeuchtungskammer 21 und Wandungen 22, die eine Heizkammer 23 umschließen, auf. Die dem Fahrgastraumm 11 zuführbareLuft kann hierbei je nach Lage einer Frisch-Umluftklappe 24 der Umgebungsluft oder dem Fahrgastraum entnommen werden und beschleunigt durch ein Gebläse 25 den Kammern 21 und 23 zugeführt werden. Aus der Kammer 23 kann die entsprechend erwärmte oder gekühlte Luft über Klappen 29 und 30 verschiedenen Luftleitkanälen 26, 27 und 28 zugeführt werden.

Das Fahrgastraumheiz- und -klimatisiersystem B besteht aus einem ersten Kältemittelkreis 30, der für eine Wärmeübertragung vom Motorkühlmittelkreis 14 auf die die Heizkammer 23 durchströmende Luft vorgesehen ist. Der erste Kältemittelkreis 30 weist einen Verdampfer 33 auf, der in wärmeaustauschender Anordnung zum Motorkühlmittelkreis 14 im Bereich der Wärmeentnahmezone 18 angeordnet ist. Das im

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Verdampfer 33 verdampfte Kältemittel wird über eine Kältemittelleitung

31 einem Kompressor 34 zugeführt, der das Kältemittel komprimiert und einem Kondensator 32 in wärmeaustauschender Anordnung zu der dem Fahrgastraum zuführbaren Luft zuführt. Ein Expansionsventil 35 und ein Überdrudtventil 36 sind unmittelbar stromauf des Verdampfers 33 angeordnet.

Ein zweiter geschlossener Kältemittelkreis 40 ist angeordnet, um eine Wärmeübertragung von der dem Fahrgastraum zuzuleitenden Luft zur Umgebungsluft zu ermöglichen. Der zweite Kühlmittelkreis weist einen Verdampfer 43 auf, der in der Kühlkammer 21 in wärmeaustauschender Anordnung mit der dem Fahrgastraum zuführbaren Luft angeordnet ist. Das im Verdampfer 43 verdampfte Kältemittel wird über eine Kälte mittelleitung 41 einem Kondensator 42 zugeführt, der z. B. vom Fahrtwind beaufschlagt ist.

Der Kompressor 34 ist beiden Kältemittelkreisen 30 und 40 gemeinsam zugeordnet. Für welchen der beiden Kältemittelkreise 30 und 40 der Kompressor 34 wirksam ist, wird hierbei durch ein Schaltventil 44 bestimmt, das in einem Abschnitt 41 a der Kältemittelleitung 41 angeordnet ist.

In Fig. 1 ist das Schaltventil 44 in der Lage gezeichnet, in der der Kompressor 34 mit dem Kältemittelkreis zur Beheizung des Fahrgastraümes zusammenwirkt. Das Kältemittel unmittelbar vor dem Kompressor 34 weist hierbei etwa eine Temperatur von 1, 6 C und einen Druck von 3, 2 kg/cm auf. Der Kompressor 34 komprimiert das Kältemittel auf

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einen Druck von 24, 6 kg/cm und erwärmt es dadurch gleichzeitig auf

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etwa 82 C. Das komprimierte Kältemittel wird hierauf dem Kondensator

32 zugeführt, der von der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft durchströmt wird. Hierbei findet eine Wärmeübertragung auf die Luftströmung statt und, obwohl die Temperatur des Kältemittels auf etwa 82 C bleibt und ebenso der Druck bei etwa 24, 6 kg /cm , kondensiert das Kältemittel

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zu einer Flüssigkeit und gibt hierdurch Wärme an die Luftströmung 39 als Folge dieser Kondensation ab. Das Kältemittel gelangt hierauf über das überdruckventil 36 und das Expansionsventil 35 in den Verdampfer 33, wo es auf einen Druck von 3, 2 kg/cm entspannt und auf eine Temperatur von 1, 6 C abgesenkt wird. Das Kältemittel gelangt hierauf in wärmeaustauschender Berührung mit der Wärmeentnahmezone 18 des Mo tor kühlmittelkreises 14. Die durchschnittliche Temperatur des Motorkühlmittels beträgt 4, 4 C bis 15, 5 C und führt damit zum Verdampfen des kondensierten Kältemittels unter Wärmeaufnahme ohne wesentliche Veränderung seines Temperatur- oder Druckniveaus.

Das beschriebene Heizungssystem ist somit in der Lage, bei einer auf 15, 5 C gehaltenen Motor kühlmitteltemperatur (bei Umgebung slufttemperaturen von 4, 4 C und weniger) dem dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftstrom 39 die gewünschte Wärmemenge zuzuführen, um eine gewünschte Temperatur von etwa 22, 2 C im Fahrgastraum zu erzielen. Das besschriebene Heizungssystem liefert somit Wärme von einem niedrigeren Temperaturbereich zu einem höheren Temperaturbereich.

Bei diesem Heizsystem kann jedoch auch der ungewöhnliche Fall eintreten, daß die Wärmeübertragung von einem Bereich mit etwas höherer Temperatur zu einem Bereich niedrigerer Temperatur erfolgt, wenn z. B. die Motorkühlmitteltemperatur auf 26, 6 C bei einer Umgebungstemperatur von 15, 5 C ansteigt und die gewünschte Temperatur von 22, 2 C im Fahrgastraum erzielt werden soll. Dieser Fall wird jedoch äußerst selten eintreten, da die mittlere Motorkühlmitteltemperatur 15, 5 C oder weniger sein wird sobald die Umgebungstemperatur bei 4, 4 C oder weniger liegt.

In Fig. 2 ist das Schaltventil 44 in der Lage gezeigt, bei der der Kompressor 34 mit dem zweiten Kältemittelkreis 40 zusammenwirkt. Das

Kältemittel unmittelbar stromauf des Kompressors 34 wird normalerund _ en eine Temperatur

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weise in Dampfform vorliegen eine Temperatur von etwa 0°C und einen

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Druck von 3, 05 kg/cm aufweisen. Der Kompressor 34 komprimiert das Kältemittel auf einen Druck von 15, 4 kg /cm und erwärmt es hierdurch auf etwa 60 C. Das komprimierte Kältemittel wird dem Kondensator 42 zugeführt und gibt hier durch Kondensation Wärme an die Umgebungeluft ab. Das kondensierte Kältemittel wird über ein Druckreduzierventil 50 geführt und entspannt sich auf einen Druck von etwa 3, 05 kg/cm und kühlt sich hierbei auf 0 C ab. Das kondensierte Kältemittel wird hierauf zum Verdampfer 43 geführt, der in wärmeaustauschender Anordnung mit der dem Fahrgastraum zuführbaren Luft steht und entzieht dieser Luftströmung Wärme, indem es verdampft« Das dampfförmige Kältemittel wird wieder zum Kompressor 34 geführt und beginnt einen neuen Kreislauf.

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Claims

P atentan sp rüche

1.1 Fahrgaetraumheiz- und -klimatisiersystem für Kraftfahrzeuge mit einem Motorkühlsystem mit niedriger Kühlmitteltemperatur von weniger als 21, 1 C bei einer Umgebungstemperatur von 4, 4 C, j kennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) ein erster geschlossener Kältemittelkreis (30) weist einen Verdampfer (33) in wärmeaustauschender Anordnung zum Motorkühlmittelkreis (14) und einen Kondensator (32) in wärmeaustauschender Anordnung zu dem dem Fahrgastraum (11) zuführbaren Luftstrom (39) auf;

b) ein zweiter geschlossener Kältemittelkreis (40) weist einen Verdampfer (43) im Luftstrom (39) des Fahrgastraumes (11) und einen Kondensator (42) in der Umgebungsluft auf;

c) ein vom Motor getriebener Kompressor (34) ist beiden Kältemittelkreisen (30 und 40) gemeinsam zugeordnet und

d) ein Schaltventil (44) verbindet den Kompressor (34) wahlweise mit einem der beiden Kältemittelkreise (30 oder 40), von denen der eine Kältemittelkreis (30) als Heizung und der andere Kältemittelkreis (40) als Kühlung für den Fahrgastraum (11) arbeitet, um in diesem eine gewünschte Temperatur von etwa 21 bis 26 C aufrecht zu erhalten.

2. Fahrgastraumheiz- und-klimatisiersystem nach Anspruch 1, dadurch g ek ennzeich.net, daß der erste Kältemi ttelkr ei β (30) bei entspanntem Kältemittel im Verdampfer (33) Wärme aus dem Motor kühlsystem (14) aufnimmt, das verdampfte Kältemittel im Kompressor (34) komprimiert und auf eine Temperatur über 65, 5 C erwärmt wird, so daß der Kondensator (32) Wärme an die zumindest 48, 9 C kältere, dem Fahrgastraum zugeführte Luft abgeben kann.

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3. Fahrgastraumheiz- und -klimatisiersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kältemittelkreis (40) bei entspanntem Kältemittel im Verdampfer (43) Wärme aus dem Luftstrom (39) des Fahrgastraumes (11) entzieht, das verdampfte Kältemittel im Kompressor (34) komprimiert und erwärmt wird, so daß über den Kondensator (42) Wärme an die Umgebungsluft abgeführt werden kann.

4. Fahrgastraumheiz- und klimatisier system nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel im ersten Kältemittelkreis (30) Temperaturniveaus zwischen 1, 6 C und 82, 2 C

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und Druckniveaus zwischen 3, 2 kg/cm und 24, 6kg /cm durchläuft.

5. Fahrgastraumheiz-und-klimatisiersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel im zweiten Kälter mittelkreis (40) Temperaturniveaus zwischen 0 C und 60 C und Druck-

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niveaus zwischen 3, 01 kg/cm und 15, 4 kg/cm durchläuft.

6. Fahrgastraumheiz- und -klimatisiersystem nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftfahrzeug von einem Stirlingmotor angetrieben ist, dessen Motorkühl sy stern auf einer maximalen Motorkühlmitteltemperatur von 26, 6 C bei einer Umgebungstemperatur von 15, 5 C oder weniger und auf einer maximalen Motorkühlmitteltemperatur von bis zu 37, 7 C bei einer Umgebungstemperatur von über 15, 5 C gehalten wird.

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