Einrichtung zum Kühlen oder zum Erwärmen eines geschlossenen Raumes sowie Verfahren zum Betrieb einer solchen Einrichtung Die vorliegende Erfindung betrifft eine kombinierte Einrichtung zum Kühlen oder zum Erwärmen eines geschlossenen Raumes (auch kurz Kühl-und Heizeinrichtung genannt), insbesondere eines Innenraumes eines Fahr- zeugs. Soweit das Kühlen oder Erwärmen eines Fahrzeuginnenraums be- troffen ist, wird eine solche kombinierte Kühl-und Heizeinrichtung auch als Klimaanlage bezeichnet. Als Einrichtung zum Kühlen eines Fahrzeuginnen- raums ist eine Klimaanlage allgemein bekannt. Bekanntlich wird dabei ein der Funktionalität der Klimaanlage zugrunde liegender Kreisprozess zum Be- trieb der Klimaanlage umgekehrt ausgeführt, so dass die Einrichtung auch als Wärmepumpe fungiert. Jede Kältemaschine, also z. B. eine Klimaanlage, umfasst einen Verdampfer mit dem Kälte durch Verdampfen niedrig sieden- der Flüssigkeiten oder verflüssigter Gase (Kältemittel) erzeugt wird. Jede Wärmepumpe umfasst einen Kondensator oder Gaskühler, mit dem einem komprimierten Medium, z. B. einem Kältemittel, die enthaltene Wärmeener- gie entzogen wird. Dies erfolgt in an sich bekannter Weise mittels eines Drossel-oder Expansionsventils.

Bei einer kombinierten Kühl-und Heizeinrichtung tauschen Verdampfer und Gaskühler je nach Betriebsart ihre Funktion, d. h. ein Element der Kühl-und

Heizeinrichtung, das bei deren Betrieb als Klimaanlage als Verdampfer fun- giert, fungiert bei deren Betrieb als Wärmepumpe als Gaskühler. Entspre- chend fungiert ein Element der Kühl-und Heizeinrichtung, das bei deren Be- trieb als Wärmepumpe als Gaskühler fungiert, bei deren Betrieb als Klima- anlage als Verdampfer. Des Weiteren muss bei einer solchen kombinierten Kühl-und Heizeinrichtung je nach Betriebsart die Anordnung des Drossel- ventils im Prozess angepasst werden. Für solche kombinierten Kühl-und Heizeinrichtungen ist die Verwendung eines Kältemittels erforderlich, das nennenswerte Heizleistungen der Wärmepumpe zulässt.

Von Klimaanlagen oder kombinierten Kühl-und Heizeinrichtungen ist be- kannt, dass sich die gesamte in den geschlossenen Raum eingetragene Feuchtigkeit am Verdampfer sammelt. Bei einer Prozessumkehr, also bei ei- nem Betrieb einer kombinierten Kühl-und Heizeinrichtung zunächst als Kli- maanlage und danach als Wärmepumpe wirkt sich die Feuchtigkeit des dann als Gaskühler fungierenden Verdampfers nachteilig aus. Ein nasser Gasküh- ler bewirkt eine Verteilung der Feuchtigkeit in dem geschlossenen Raum, was im Falle eines Fahrzeuginnenraums zu einem störenden, im Einzelfall sogar gefährlichen, weil sichthindernden Scheibenbeschlag, so genannten "Flash-Fog"führt.

Zur Vermeidung von unerwünschtem Scheibenbeschlag sind unterschiedli- che Ansätze bekannt geworden. Ein erster Ansatz basiert auf einem zusätz- lichem Gaskühler für die Wärmepumpe. Des Weiteren ist auch versucht worden, den Verdampfer zu trocknen. Ein anderer Ansatz versucht den Scheibenbeschlag dadurch zu vermeiden, indem bei drohendem Scheiben- beschlag in einem Kraftfahrzeug die Luftverteilung oder der Luftstrom derart geändert wird, dass die feuchte Luft hauptsächlich in den Fußraum des Fahrzeuginnenraums gelangt.

Diese bekannten Lösungsvorschläge sind insofern noch nicht optimal, als sich für den gemäß dem ersten Ansatz zusätzlich erforderlichen Gaskühler Mehrkosten für das Element an sich und für die damit insgesamt komplexere Schaltung sowie ein erhöhter Platzbedarf der Gesamteinrichtung ergeben.

Ein bekannt gewordener Vorschlag zur Trocknung des Verdampfers basiert auf Zeolithen. Die davon erforderlichen Mengen (mehr als 2,5 kg) müssen im Fahrzeug mitgeführt werden, was in ungünstiger Weise das Gesamtgewicht des Fahrzeugs und damit den Kraftstoffverbrauch erhöht. Zudem ist die Re- generation der Zeolithe ungeklärt. Schließlich ist der Vorschlag zur zeitlich begrenzten Änderung der Richtung des Luftstroms für Wärmepumpen nicht hinreichend.

Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zum Betrieb einer kombinierten Kühl-und Heizeinrichtung sowie eine solche Kühl-und Heizeinrichtung selbst anzugeben, mit dem bzw. mit der unerwünschter Scheibenbeschlag unter Vermeidung der oben erwähnten Nachteile sicher verhindert wird.

Diese Aufgabe wird mit einer kombinierten Kühl-und Heizeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist bei der kombinierten Kühl-und Heizeinrichtung zum Kühlen oder Erwärmen eines geschlossenen Raumes, die einen Verdampfer und einen Gaskühler umfasst und in einer ersten Be- triebsart zum Kühlen des Raumes und einer zweiten Betriebsart zum Erwär- men des Raumes dient, vorgesehen, dass mindestens zwei funktions- variable Elemente bereitgestellt sind, wobei ein in der ersten Betriebsart als Verdampfer fungierendes erstes funktionsvariables Element in der zweiten Betriebsart als Gaskühler fungiert und ein in der ersten Betriebsart als Gaskühler fungierendes zweites funktionsvariables Element in der zweiten Betriebsart als Verdampfer fungiert und wobei ein dem ersten funktionsvaria- blen Element vorgeschalteter Verdichter vom Ausgang eines ersten Regel- kreises für Heizleistung und vom Ausgang eines zweiten Regelkreises für

Flash-Fog-Regelung steuerbar ist. Dabei wird bevorzugt als erster Regelkreis zur Heizleistung eine Temperaturregelung mit Solltemperaturvorgabe und Wärmepumpenregler verwendet. Ein zweiter Regelkreis ist als Flash-Fog- Regler mit der Scheibentemperatur als Führungsgröße ausgebildet.

Die kombinierte Kühl-und Heizeinrichtung wird im folgenden auch als Klima- anlage bezeichnet. Bei dem geschlossenen Raum handelt es sich insbeson- dere um einen Innenraum eines Fahrzeugs.

Gleichfalls wird diese Aufgabe mit einem Verfahren zum Betrieb der kombi- nierten Kühl-und Heizeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 ge- löst. Dabei ist bei dem Verfahren zum Betrieb der zum Kühlen oder Erwär- men eines geschlossenen Raumes, insbesondere eines Innenraumes eines Fahrzeugs, vorgesehenen kombinierten Kühl-und Heizeinrichtung (Klima- anlage), die einen Verdampfer und einen Gaskühler umfasst und in einer ersten Betriebsart zum Kühlen des Raumes und einer zweiten Betriebsart zum Erwärmen des Raumes dient, vorgesehen, dass mindestens zwei funktionsvariable Elemente bereitgestellt sind, wobei ein in der ersten Betriebsart als Verdampfer fungierendes erstes funktionsvariables Element in der zweiten. Betriebsart als Gaskühler fungiert und ein in der ersten Be- triebsart als Gaskühler fungierendes zweites funktionsvariables Element in der zweiten Betriebsart als Verdampfer fungiert sowie wobei ein dem ersten funktionsvariablen Element vorgeschalteter Verdichter vom Ausgang eines ersten Regelkreises für Heizleistung und vom Ausgang eines zweiten Regel- kreises für Flash-Fog-Regelung gesteuert wird.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass der dem Betrieb ei- ner Klimaanlage zugrunde liegende Kreisprozess in eine Wärmepumpe umgekehrt werden kann, wobei dann eine Beeinflussung der dazu erforderlichen Komponenten derart vorgesehen ist, dass diese mittels funktionsvariabler Elemente gleichzeitig durch zwei Regelkreise-einer

Temperaturregelung für Heizleistung und eine Flash-Fog-Regelung- steuerbar sind. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass unerwünschter Scheibenbeschlag (= Flash-Fog) in allen Betriebsphasen sicher vermieden wird.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der jeweils abhängigen Ansprüche.

Zweckmäßigerweise umfasst der erste Regelkreis zur Heizleistung eine Temperaturregelung mit Solltemperaturvorgabe und Wärmepumpenregler.

Der zweite Regelkreis zur Flash-Fog-Regelung umfasst vorzugsweise eine Temperaturregelung mit Scheibensolltemperaturvorgabe und Flash-Fog- Regler. Zur Anpassung der Temperaturregelung des ersten Regelkreises an die tatsächlichen Gegebenheiten der Regelstrecke ist im ersten Regelkreis zweckmäßigerweise zusätzliche eine Kennlinie für Wärmepumpen-Modus (auch kurz Wärmepumpenkennlinie genannt) vorgesehen. Analog dazu umfasst der zweite Regelkreis vorteilhafterweise zur Anpassung der Flash- Fog-Regelung an die Regelstrecke eine Flash-Fog-Kennlinie. Mittels einer Minimalwert-Verknüpfung wird eines der beiden Ausgangssignale der Wärmepumpenkennlinie und der Flash-Fog-Kennlinie der beiden Regelkreise als Steuersignal zur Beeinflussung des Verdichter-Hubvolumen pulsweitenmoduliert dem Kompressor-Ventil zugeführt.

Bevorzugt ist dem Verdichter ein erster Pulsweitenmodulator vorgeschaltet.

Dabei ist der erste Pulsweitenmodulator zwischen dem Verdichter einerseits und der Temperaturregelung und der Flash-Fog-Regelung andererseits angeordnet und steuert damit den Verdichter in Abhängigkeit vom ersten und/oder zweiten Regelkreis.

Aufgrund der Regelkreisanordnung ist immer sichergestellt, dass eine Aufsteuerung eines dem Verdichter zugeordneten Kompressor-Regelventils

durch den Ausgang der Flash-Fog-Regelung über die Minimalwert-Funktion begrenzt ist. Vorteilhaft basiert die Temperaturregelung auf einem Temperatursensor zum Messen einer Temperatur im Bereich des ersten funktionsvariablen Elements, beispielsweise luftseitig nach dem ersten funktionsvariablen Element, wobei eine gemessene Temperatur der Temperaturregelung als Regelgröße zuführbar ist.

Zusätzlich basiert die Flash-Fog-Regelung vorteilhafterweise auf einem Feuchtesensor zum Messen einer Feuchte im Bereich des ersten funktionsvariablen Elements, beispielsweise luftseitig nach dem ersten funktionsvariablen Element, wobei die gemessene Feuchte zusammen mit der gemessenen Temperatur einer Taupunktberechnung und ein Ausgang der Taupunktberechnung der Flash-Fog-Regelung als Regelgröße zuführbar sind.

Ergänzend kann die Kühl-und Heizeinrichtung eine vom Flash-Fog-Regler des zweiten Regelkreises und vom Wärmepumpenregler des ersten Regel- kreises ansteuerbare Kältemittelhochdruckregelung umfassen, die zur Beeinflussung eines dem ersten funktionsvariablen Element nachgeschalteten steuerbaren Expansionsventils vorgesehen ist.

Zweckmäßigerweise ist zur Ansteuerung des Expansionsventils ein zweiter Pulsweitenmodulator, der zwischen Kältemittelhochdruckregelung und Ex- pansionsventil angeordnet ist, vorgesehen. Mit anderen Worten : Das Expansionsventil wird beispielsweise pulsweitenmoduliert durch die Kältemittelhochdruckregeleinrichtung angesteuert.

Der Vorteil der Erfindung und ihrer Ausgestaltungen besteht vor allem darin, dass der Aufwand zur Realisierung der Funktionalität einer Wärmepumpe minimiert wird. Ein zusätzlicher Wärmetauscher, insbesondere ein zusätzlicher Gaskühler kann eingespart werden. Darüber hinaus ist die Anzahl erforderlicher Kältemittelventile und/oder Kältemittelleitungen

reduziert. Der Hard-und Softwareaufwand zur Steuerung und/oder Regelung einer kombinierten Kühl-und Heizeinrichtung wird reduziert. Der zusätzlich erforderliche Feuchte-und Temperatursensor kann auch für weitere Klimatisierungsfunktionen sinnvoll genutzt werden.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeich- nung näher erläutert.

Darin zeigt die einzige Figur ein Blockschaltbild einer kombinierten Kühl-und Heizeinrichtung 1. Nachdem eine solche Kühl-und Heizeinrichtung 1 bevor- zugt zum Kühlen oder Erwärmen von Innenräumen von Fahrzeugen verwen- det wird, wird die Beschreibung für diesen bevorzugten Einsatzzweck fortge- setzt und die Kühl-und Heizeinrichtung 1 kurz als Klimaanlage 1 bezeichnet.

Die Klimaanlage 1 umfasst zwei funktionsvariable Elemente E1 und E2, de- ren Funktionalität-Gaskühler 2 oder Verdampfer 3-durch jeweils eine von zwei möglichen Betriebsarten der Klimaanlage 1-Heizen bzw. Kühlen- festgelegt ist. In einer ersten Betriebsart, die im folgenden auch als Normal- betriebsart oder Kühlbetrieb bezeichnet wird, wird die Klimaanlage 1 als Kühleinrichtung betrieben. In einer zweiten Betriebsart die im folgenden auch als Heizbetrieb bezeichnet wird, wird die Klimaanlage 1 als Wärmepumpe betrieben.

Ein erstes funktionsvariables Element E1 fungiert im Kühlbetrieb (Normalbe- triebsart) als Verdampfer 3 und im Heizbetrieb als Gaskühler 2 (auch"Hei- zer"genannt). Ein zweites funktionsvariables Element E2 fungiert im Kühl- betrieb (Normalbetriebsart) als Gaskühler 2 und im Heizbetrieb als Verdamp- fer 3. Die jeweils als Gaskühler 2 fungierenden funktionsvariablen Elemente E1 und E2 bilden die zentrale Komponente im Wärmepumpenbetrieb. Wei- tere Bestandteile im Wärmepumpenbetrieb sind ein Verdichter 4, der als Käl-

temittelverdichter mit variablem Hubvolumen ausgeführt ist, und ein steuer- bares Expansionsventil 5.

Am ersten funktionsvariablen Element E1, insbesondere am luftseitigen Ausgang wird mittels eines Temperatursensors 6 eine Temperatur T und mittels eines Feuchtesensors 7 eine Luftfeuchtigkeit L gemessen. Die gemessene Temperatur T geht sowohl in einen ersten Regelkreis R1 für Heizleistung als auch in einen zweiten Regelkreis R2 für Flash-Fog- Regelung ein.

Der erste Regelkreis R1 zur Heizleistung umfasst dabei eine Temperaturre- gelung mit einer Solltemperaturvorgabe 8 zum Erzeugen einer temperatur- bezogenen Führungsgröße für die gewünschte Temperatur des Fahrzeug- innenraums, einen Wärmepumpenregler 9, sowie ggf. eine Einrichtung 10 zur Berücksichtigung einer Kennlinie KW der Wärmepumpe (auch kurz Wär- mepumpenkennlinie KW genannt) und ist zur Regelung der Heizleistung der Wärmepumpe vorgesehen. Die Solltemperaturvorgabe 8 bestimmt damit di- rekt oder indirekt die Betriebsart der Klimaanlage 1.

Der zweite Regelkreis R2 für Flash-Fog-Regelung umfasst zum einen eine Taupunktberechnung 11 zur Berechnung eines Taupunkts aus der gemesse- nen Temperatur T und der gemessenen Luftfeuchtigkeit L. Der berechnete Taupunkt geht in eine Regelung zur Verhinderung von Scheibenbeschlag ei- nes Flash-Fog-Reglers 13, im folgenden kurz als Flash-Fog-Regelung be- zeichnet, ein. Zum anderen wird die Flash-Fog-Regelung von einer Scheibentemperatur 12, insbesondere von der Windschutzscheibentemperatur geführt, dem Flash-Fog-Regler 13 kann eine Einrichtung 14 zur Berücksichtigung einer Kennlinie KS (auch Flash-Fog- Kennlinie KS genannt) für eine angepasste Hubvolumensteuerung nachgeschaltet sein. Der zweite Regelkreis R2 ist zur Regelung des Tau- punktes vorgesehen. Die Scheibentemperatur 12 wird nach bekannten

Verfahren berechnet oder auch direkt gemessen. Die Leistung im Wärmepumpenbetrieb wird so eingestellt, dass der im Anschluss an das erste funktionsvariable Element E1-dem Gaskühler ("Heizer")-ermittelte Taupunkt unterhalb der Scheibentemperatur liegt. Um etwaigen "Anlaufschwierigkeiten"im Wärmepumpenbetrieb vorzubeugen, wird für die Scheibentemperatur 12 ein erhöhter Wert, z. B. ein um 1 K erhöhter Wert, zugelassen.

Die Ausgangsgrößen beider Regelkreise R1 und R2 (Stellgröße) werden über eine Minimalwert-Funktion MIN einem ersten Pulsweitenmodulator 15 zugeführt. Der erste Pulsweitenmodulator 15 verarbeitet von den Stellgrößen jeweils den Minimalwert und bildet daraus in an sich bekannter Weise eine Signalfolge, die alternierend zwischen zwei Extremwerten-einem Maximalwert und Null-pendelt. Die Dauer des Anstehens des Maximalwertes zwischen zwei Signalwechseln ist dann proportional zum Minimum beider Stellgrößen unter Berücksichtigung der Kennlinien KS und KW. Die Austrittstemperatur, also die vom ersten funktionsvariablen Element E1-Gaskühler ("Heizer")-abgegebene Temperatur T wird demnach vom Wärmepumpenregler 9 eingestellt. Als Leistungssteller dient der als Kältemittelverdichter, insbesondere als ein Kompressor mit variablem Hubvolumen ausgebildete Verdichter 4. Ein dem Verdichter 4 zugeordnetes Kompressor-Regelventil RV wird dabei nur soweit aufgesteuert, wie von der Stellgröße des Flash-Fog-Reglers 13 zugelassen.

Der Ausgang des Wärmepumpenreglers 9 sowie der Ausgang des Flash- Fog-Reglers 13 kann zusätzlich einer Kältemittelhochdruckregelung 16 zugeführt werden. Deren Ausgang wird über einen zweiten Pulsweitenmodulator 17 dem Expansionsventil 5 zugeführt.

Das Gesamtkonzept zur Steuerung der Klimaanlage 1 ist so ausgelegt, dass die maximal mögliche Heizleistung immer automatisch eingestellt ist und

Scheibenbeschlag unter allen Umständen vermieden wird. Mit anderen Worten : Der Flash-Fog-Regler 13 begrenzt bei drohendem Scheibenbeschlag die vom Wärmepumpenregler 9 vorgegebene Aufsteuerung des Kompressor-Regelventils RV.

Damit lässt sich die vorliegende Erfindung zusammenfassend kurz wie folgt beschreiben : Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Kühlen oder zum Erwärmen eines geschlossenen Raumes sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Ein- richtung, die in einer ersten Betriebsart als Kühleinrichtung und in einer zwei- ten Betriebsart als Wärmepumpe betreibbar ist und zwei funktionsvariable Elemente E1 und E2 umfasst, die in der ersten Betriebsart als Verdampfer bzw. Gaskühler und in der zweiten als Gaskühler bzw. Verdampfer fungieren, wobei ein einem der funktionsvariablen Elemente E1 bzw. E2 vorgeschalteter Verdichter 4 sowohl von einer Temperaturregelung als auch von einer Flash-Fog-Regelung ansteuerbar ist.

Bezugszeichenliste 1 Kühl-und Heizeinrichtung/Klimaanlage 2 Gaskühler 3 Verdampfer 5 Expansionsventil 6 Temperatursensor 7 Feuchtesensor 8 Solltemperaturvorgabe 9 Wärmepumpenregler 10 Einrichtung zur Berücksichtigung der Wärmepumpenkennlinie 11 Taupunktberechnung 12 Scheibentemperatur 13 Flash-Fog-Regler 14 Einrichtung zur Berücksichtigung der Flash-Fog-Kennlinie 15 erster Pulsweitenmodulator 16 Kältemittelhochdruckregelung 17 zweiter Pulsweitenmodulator E1, E2 funktionsvariable Elemente KS Flash-Fog-Kennlinie KW Wärmepumpenkennlinie L Feuchte MIN Minimalwert-Funktion RV Kompressor-Regelventil T Temperatur