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Die Erfindung betrifft eine Aufdach-Klimatisierungseinheit für Fahrzeuge, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Es ist seid langem bekannt, Aufdach-Klimatisierungseinheiten auf Fahrzeugen einzusetzen. Zu diesen derartigen Fahrzeugen gehören insbesondere Busse, aber auch Eisenbahnwaggons oder Kabinenfahrzeuge.
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Aus der
DE 19 745 167 A1 ist eine Sterlingmaschine bekannt, die in einem Kraftfahrzeug, insbesondere einem Elektrofahrzeug, einbaubar ist. Bei dieser Lösung kann die Sterlingmaschine wahlweise als Motor oder als Wärmepumpe betrieben werden.
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Dies erfordert allerdings die Drehrichtungsumkehr. Durch die Drehrichtungsumkehr sinkt der Wirkungsgrad deutlich, beispielsweise um 30 %.
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Diese Lösung hat sich daher nicht durchgesetzt.
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Ferner ist es an sich bekannt, ein Elektrofahrzeug wie einen Bus mit einem Kältemittelkreislauf auszustatten, der sich über den gesamten Innenraum des Busses erstreckt. Auf Wärmeträgermedien wie Wasser oder ein Wasser/Glykol-Gemisch kann so verzichtet werden. Zudem wird der bei der vorstehend genannten Lösung erforderliche Wärmetauscher für die Gewinnung der Wärme oder Kälte aus der Wärmepumpe vermieden. Theoretisch ist insofern ein noch besserer Wirkungsgrad gegeben.
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Allerdings erfordert diese Lösung lange und druckfeste Leitungen, die durch den Innenraum des Busses geführt werden. Dies ist zwar grundsätzlich technisch möglich, bedingt aber, dass auch das zugehörige Kältemittel durch den Innenraum des Omnibus geführt ist.
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Während in der Zeit vor der Veröffentlichung der genannten Offenlegungsschrift Kältemittel noch häufig als ungiftige, aber sehr klimaschädliche Substanz, z.B. in Form von R12, zur Verfügung stand, obwohl bereits 1991 durch die FCKW-Halon-Verbots-Verordnung die Verwendung von Halogen-Kohlenwasserstoffen an sich verboten war, gilt dies nun seit mehr als 2 Jahrzehnten nicht mehr.
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Dies bedingt, dass entweder brennbare oder giftige Kältemittel durch den Innenraum des Fahrgastraumes des Busses geführt werden müssten, was im Falle eines Unfalls hochproblematisch ist.
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Daher wird diese Lösung heutzutage in aller Regel nicht mehr in Betracht gezogen.
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Demgegenüber liegt die Aufgabe zugrunde, eine Aufdach-Klimatisierungseinheit für Fahrzeuge gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 zu schaffen, die zum einem preisgünstig herzustellen ist, einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist und unproblematisch auch bei Unfällen ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, die Klimatisierungseinheit mit Innenluft-Wärmetauschern, Außenluft-Wärmetauschern, Leitungen für ein Wärmeträgermedium wie Wasser, über mittels Umschaltventilen getrennten Kreisläufen um eine zentralen Wärmepumpe aufzubauen.
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In erfindungsgemäß vorteilhafter Ausgestaltung lässt sich der Außenluft-Wärmetauscher und der zugehörige Außen-Wärmeträgerkreislauf (oder Außen-Kreislauf genannt) in Kombination mit der Wärmepumpe zwischen den Funktionen „Heizen“ und „Kühlen“ umschalten.
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Die Wärmepumpe ist erfindungsgemäß in einem Wärmepumpen-Gehäuse untergebracht. Dieses ist - in Fahrtrichtung betrachtet - hinter oder vor dem Gehäuse für die Außenluft-Wärmetauscher angeordnet.
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Das Wärmepumpen-Gehäuse nimmt die beiden Wärmetauscher der Wärmepumpe, also Kondensator und Verdampfer, sowie bevorzugt auch die Drossel und den Kompressor und den Kältemittelkreislauf auf.
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Die beiden Wärmetaucher der Wärmepumpe werden im Gegenstrom von den Wärmeträgermedien - also des Innen-Wärmeträgerkreislaufs, auch Innen-Kreislauf genannt, und des Außen-Wärmeträgerkreislaufs, auch Außen-Kreislauf genannt - durchströmt. Der Wärmeübergangswiderstand in diesen Wärmetauschern ist daher besonders gering, im Vergleich mit Luft-Wärmetauschern.
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Dieses Prinzip - auch „Chiller“ genannt - ermöglicht es, lange Kältemittelleitungen zu vermeiden. Der Kältemittelkreislauf erfordert einen erheblichen Druck im Kreislauf, z.B. bis zu 30 Bar.
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Erfindungsgemäß kann dieser Kreislauf klein und kompakt gehalten werden. Er kann vollständig in dem Wärmepumpengehäuse auf dem Dach des Busses außerhalb des Fahrgastraumes untergebracht werden. Dies bringt gerade bei einem Unfall erhebliche Vorteile mit sich.
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Die Umschaltung der Außen- und Innen-Kreisläufe kann in beliebiger geeigneter Weise erfolgen, beispielsweise über entsprechende Umschaltventile oder über entsprechende Regelventile. Pro Wärmeträgermedium-Kreislauf sind bevorzugt zwei Umschaltventile vorgesehen, insgesamt also 4.
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Mit dieser Verschaltung ist eine vollständige Trennung der Kreisläufe möglich, so dass sie auch separat gewartet und entlüftet werden können. Eingangsseitig des Verdampfers der Wärmepumpe ist ein erstes Umschaltventil vorgesehen, eingangsseitig des Kondensators der Wärmepumpe ein zweites Umschaltventil, ausgangsseitig des Verdampfers ein drittes Umschaltventil und ausgangsseitig des Kondensators ein viertes Umschaltventil.
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Damit liegt - unabhängig von der Schaltstellung - das dritte Umschaltventil auf dem tiefsten Temperaturniveau, gefolgt von dem ersten Umschaltventil, gefolgt von dem zweiten Umschaltventil und gefolgt von dem vierten Umschaltventil. Dies gilt natürlich auch für die zugehörigen Anschlussleitungen, die mit den betreffenden Umschaltventilen in Verbindung stehen.
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Damit lässt sich im Sinne der Effizienz die Wärmedämmung auf die extremen Temperaturniveaus, also im Bereich des dritten und vierten Umschaltventils, beschränken.
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Erfindungsgemäß ist der Außenkreislauf mit geringen Leitungslängen vorgesehen. Die Wärmepumpe ist zusammen mit dem Außenluft-Wärmetauscher und den zugehörigen Leitungen auf dem Dach des Fahrzeugs, also in der Aufdach-Klimatisierungseinheit vorgesehen.
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Bei entsprechend kompakter Auslegung lässt sich die Gesamtleitungslänge des Außen-Kreislaufes, auch bei Schaltung über die je zugehörigen Umschaltventile, auf weniger als 2 m beschränken.
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Demgegenüber kann sich der Innen-Kreislauf mit seinen Leitungen über die ganze Länge des Busses erstrecken. Mit den in vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehenen Abzweigungen dieses Kreislaufs beträgt die Länge der diesbezüglichen Leitungen und einer 10er Potenz mehr, oder beispielsweise zwischen 10 und 60 m.
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Die Leitungen lassen sich jedoch günstig durch den je zu heizenden bzw. zu kühlenden Innenraum des Busses führen. Eine zusätzliche Wärmedämmung ist nicht unbedingt erforderlich, so dass die Leitungen selbst ebenfalls als Wärmetauscher dienen können. Auch dies ist ein Vorteil des sogenannten „Chillprinzip“.
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Mit diesen ist es möglich, zu verhindern, dass die Drehrichtung des Kompressors umgeschaltet werden muss. Damit erhöht sich der Wirkungsgrad der Wärmepumpe beträchtlich, z.B. um 30%, und trägt damit erheblich zur Erhöhung des COP-Werts auf oberhalb 2,0 bei
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Als Wärmetauscher-Medium kann ein beliebiges geeignetes Wärmetauscher-Medium vorgesehen sein, beispielsweise in Deutschland zugelassene Kältemittel gemäß Anspruch 5, oder beispielsweise ein Gemisch aus Wasser und Glykol.
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In erfindungsgemäß bevorzugter Ausgestaltung ist es vorgesehen, zwischen Heizbetrieb und Kühlbetrieb über eine Steuervorrichtung automatisch umzuschalten, basierend auf dem beispielsweise vom Fahrer des Fahrzeugs eingestellten Sollwert für die Temperatur, in Abhängigkeit davon, ob die Außentemperatur des Fahrzeugs höher oder tiefer als die eingestellte Solltemperatur ist.
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Erfindungsgemäß ist es günstig, wenn eine Steuervorrichtung vorgesehen ist, die die Aufdach-Klimatisierungseinheit steuert und mit einer Mehrzahl von Temperatursensoren verbunden ist. Diese können an den üblichen Stellen angebracht sein, also in der Umgebungsluft, im Innenraum des Fahrzeugs, im Kältemittelkreislauf, im Heizkreislauf, im Kühlkreislauf, aber auch an Wärmequellen und Wärmesenken.
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In vorteilhafter Ausgestaltung sollten zusätzliche Wärmequellen und Wärmesenken in den Kreislauf des Wärmeträgermediums mit einbezogen werden. Hierdurch lässt sich der Wirkungsgrad und insbesondere der COP-Wert noch weiter erhöhen.
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Bei Elektrofahrzeugen steht als Wärmequelle beispielsweise der Elektromotor, der Akkumulator, gerne auch Batterie genannt, aber auch die Leistungselektronik für die Ansteuerung des Elektromotors zur Verfügung. Diese Wärmequellen können einzeln oder insgesamt in die genannten Kreisläufe einbezogen werden, beispielsweise indem an diesen eigene Wärmetauscher angebracht sind, die die diesbezügliche Abwärme ausnutzen.
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Derartige Wärmetaucher können beispielsweise dadurch realisiert sein, dass Leitungen, durch die das Wärmeträgermedium strömt, im thermischem Kontakt mit der betreffenden Wärmequelle ist.
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Dies gilt sinngemäß auch für Wärmesenken. Bei Fahrzeugen, insbesondere bei Elektrofahrzeugen stehen als Wärmesenken zum einen die Umgebungsluft zur Verfügung und zum anderen beispielsweise bei tiefen Umgebungslufttemperaturen beim Start des Fahrzeugs der Akkumulator, der beispielsweise von Minusgraden auf die Arbeitstemperatur um 15° gebracht werden muss. Auch solche Wärmesenken lassen sich mit entsprechenden geeigneten Wärmetauschern einbinden und in den Kreislauf der Wärmeträgermedien einbeziehen.
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Bevorzugt ist es zu dem vorgesehen, dass dann auch die Wärmequellen und Wärmesenken, die den Wirkungsgrad der Klimatisierungseinheit erhöhen, mit Sensoren versehen sind, die die Eignung der jeweiligen Wärmequelle bzw. Wärmesenke überprüfen und so feststellen, ob die Wärmequelle und/oder die Wärmesenke in den betreffenden Kreislauf eingebunden werden sollte oder nicht.
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Das Einbinden erfolgt bevorzugt über Umschaltventile, die den Kreislauf durch die Wärmequelle bzw. die Wärmesenke leiten oder dies unterbinden. Hierzu sind bevorzugt sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig der Wärmequelle bzw. der Wärmesenke je ein Umschaltventil als Zusatz-Umschaltventil vorgesehen.
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Überraschend lässt sich so der COP-Wert der Klimatisierungseinheit auf Werte um bis zu 4, also innerhalb der EU-Zielwertmarge, erhöhen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung lässt sich auch mit Passivkühlung arbeiten. Die Passivkühlung wird bevorzugt auch von der Steuervorrichtung gesteuert. Die Passivkühlung wird dann eingeschaltet, wenn dies von der Primär-Wärmesenke möglich ist, was gerade bei der Umgebungsluft als Primär-Wärmesenke häufig realisierbar ist.
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Überraschend verschlechtern die Umschaltventile im Wärmeträgerkreislauf den Wirkungsgrad deutlich weniger als die Richtungsumkehr gemäß der
DE 19 745 167 A1 im Kältemittelkreislauf.
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In einem beispielhaften Versuch mittels Wärmerückgewinnung, also Ausnützung von Wärmequellen und Wärmesenken und Einbindung über die Zusatz-Umschaltventile, war bei einer Leistung von 15 Kilowatt der Klimaanlage eine Wärmerückgewinnung von 5 Kilowatt möglich. Der COP-Wert stieg von 1,6 auf 3,7.
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Bei Versuchen wurde auch die Abwärme des Kompressors als Wärmequelle versuchshalber gewonnen, die Versuche haben jedoch ergeben, dass die Abwärme des Kompressors so gering ist, dass der Zusatzaufwand weder ökonomisch noch lohnend ist.
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Bei insofern bevorzugter Ausgestaltung ist es vorgesehen, das Innenraum-Wärmetauscher-Gehäuse mit mindestens einer Frischluftklappe oder einem Frischluftschieber auszurüsten, der es ermöglicht, bei Bedarf Frischluft dem Innenraum über das dortige Gebläse zuzuführen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist das Gebläse als eine Mehrfach-Anordnung von Doppelradialgebläsen ausgebildet, die mit ihrer Drehachse längs oder quer zur Fahrzeugrichtung angeordnet sind.
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Die vorstehend genannte Frischluftklappe oder der Frischluftschieber deckt dann eine Frischluftöffnung ab, die sich bevorzugt entlang der Fahrtrichtung erstreckt, aber auch an der Stauseite des Innenraum-Wärmetauscher-Gehäuses ausgebildet sein kann.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung kann auch eine Umluftöffnung des Innenraum-Wärmetauscher-Gehäuses verschließbar ausgebildet sein.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung können auch verschiedene Bereiche des Fahrzeugs, beispielsweise der Fahrersitz getrennt vom Fahrgastraum, je separat mit der Druckluft aus dem Innenraum-Wärmetauscher-Gehäuses beaufschlagt werden.
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Das Innenraum-Wärmetauscher-Gehäuse ist bevorzugt ebenfalls auf dem Dach des Fahrzeugs in die Aufdach-Klimatisierungseinheit integriert. Es erstreckt sich unmittelbar angrenzend an die Wärmepumpe. Es nimmt den Innenraum-Wärmetauscher und die Doppelradialgebläse auf und saugt Luft aus dem Innenraum des Fahrzeugs an und gibt Luft an den Innenraum des Fahrzeugs ab und zwar entweder erwärmt oder gekühlt, je nach Betriebsmodus der Aufdach-Klimatisierungeinheit.
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Anstelle der genannten Druckluftbeaufschlagung des Fahrersitzes ist es auch möglich, das Wärmeträgermedium über eine entsprechende Leitung zum Bereich des Fahrersitz zu führen und dort einen weiteren Wärmetauscher mit einem entsprechenden Gebläse anzubringen, die dann wiederum gezielt den Fahrersitz und dem Fahrer mit Kühlluft oder Heizluft versorgen.
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Es versteht sich, dass die entsprechenden Luftauslässe umschaltbar und/oder getrennt regelbar sein können.
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Es versteht sich, dass bei Abschaltung des Kreislaufs des Wärmeträger-Mediums die erfindungsgemäße Aufdach-Klimatisierungseinheit auch als reine Belüftungseinheit betreibbar ist.
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Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung.
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Es zeigen:
- 1 eine Aufdach-Klimatisierungseinheit in einer ersten Form auf einem Dach eines Fahrzeugs montiert in schematischer Darstellung;
- 2 ein Blockschaltbild für die Ausführungsform der Aufdach-Klimatisierungseinheit in schematischer Darstellung in der Ausführungsform gemäß 1;
- 3 das Blockschaltbild gemäß 2, jedoch in einem Modus der Aufdach-Klimatisierungseinheit der Ausführungsform gemäß 2;
- 4 das Blockschaltbild gemäß 2, jedoch in einem anderen Modus der Aufdach-Klimatisierungseinheit der Ausführungsform gemäß 2; und
- 5 eine andere Ausführungsform einer Aufdach-Klimatisierungseinheit unter Darstellung des diesbezüglichen Blockschaltbildes.
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Aus 1 ist ein Teil einer erfindungsgemäßen Aufdach-Klimatisierungseinheit 10 ersichtlich. Die dort dargestellte Klimatisierungseinheit 10 weist ein Außenluft-Gehäuse 12 auf, das auf dem Dach 14 eines Fahrzeugs 16 montiert ist. Das Gehäuse hat eine Oberwand 18. Diese erstreckt sich parallel oder im wesentlichen parallel zum Dach 14.
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Sie ist abgestützt auf Seitenwänden. Die Seitenwände können auch von Außenluft-Wärmetauschern gebildet werden.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind Außenluft-Wärmetauscher 24 leicht schräg stehend montiert. Dadurch wird die Luftströmung aus dem Gehäuse 12 durch die Wärmetauscher 24 hindurch verbessert.
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In dargestellten Ausführungsbeispiel besteht jeder Wärmetauscher 24 aus zwei Einzelwärmetauschern. Die Einzelwärmetauscher sind mit einem Abstand voneinander montiert, der etwas weniger als die Tiefe jedes Einzelwärmetauschers beträgt.
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Beide Wärmetauscher werden parallel zueinander einem Wärmeträger-Medium durchströmt, das hier nicht dargestellt ist.
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Alternativ ist es vorgesehen, dass zunächst der eine Wärmetauscher und dann der andere Wärmetauscher durchströmt wird, um insofern das an sich bekannte Gegenstromprinzip zu realisieren.
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Anschließend an die Wärmetauscher 24 erstreckt sich ein Druckraum 34. Dieser hat eine erhebliche Breite, Höhe und Länge.
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Der Druckraum 34 nimmt zentral ein Außenluft-Gebläse 36 auf. Dieses ist über Streben an der Oberwand aufgehängt.
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Das Gebläse 36 ist als Radialgebläse oder als Axialgebläse ausgebildet und beaufschlagt den Druckraum 34 mit Druckluft.
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Im Ansaugbereich des Gebläses 36 ist eine Ansaugöffnung 42 ausgebildet, deren Durchmesser im wesentlichen den Durchmesser eines Gebläserads 44 des Gebläses entspricht.
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Auch wenn hier lediglich ein Gebläse 36 dargestellt ist, sind tatsächlich mehrere Gebläse in Fahrtrichtung hintereinander angeordnet.
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Das Gebläse weist eine Gebläseachse 46 auf und ist von einem hier nicht dargestellten Gebläsemotor in an sich bekannter Weise angetrieben.
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Die Luftströmung erfolgt zunächst parallel zur Achse 46 durch die Ansaugöffnung 42 hindurch, dann über das Gebläserad 44 in den Druckraum 34.
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Bei dem Druckaufbau der Außenluft im Gebläse 36 erfolgt zugleich die Strömungsumlenkung um zirka 90 Grad.
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Im Druckraum 34 baut sich ein Überdruck auf, der sich etwa um 0,5 bis 2 bar von dem Umgebungsdruck unterscheidet.
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An den Wänden durchströmt die Druckluft die jeweiligen Wärmetauscher 24.
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Je nach Betriebszustand, also Heizbetrieb oder Kühlbetrieb, wird die Außenluft im betreffenden Wärmetauscher dann je gekühlt beziehungsweise erwärmt und zugleich das betreffende Wärmeträger-Medium während der Durchströmung des Wärmetauschers erwärmt beziehungsweise gekühlt.
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Aus 1 ist eine Wärmepumpe 50 schematisch ersichtlich. Die Wärmepumpe weist ein Wärmepumpen-Gehäuse 52 auf. In diesem befindet sich gemäß 2 ein Verdampfer 54. Ferner sind in dem Wärmepumpen-Gehäuse 52 ein Kondensator, eine Drossel 58 und ein Kompressor 60 vorgesehen, die in 2 schematisch dargestellt sind.
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Die Wärmepumpe 50 ist gemäß 1 angrenzend an das Außenluft-Gehäuse 12 auf dem Dach 14 des Fahrzeugs 16 angeordnet und befestigt. Die Wärmepumpe 50 ist bevorzugt in Fahrtrichtung vor dem Gehäuse 12 angeordnet.
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In Fahrtrichtung noch weiter vorne ist ein Innenluft-Gehäuse 48 mit einem Innenluft-Wärmetauscher 26 und einem Gebläse 56 vorgesehen. Der Innenluft-Wärmetauscher 26 liegt in einem Innen-Kreislauf und wird vom Wärmeträger-Medium durchströmt, das auch über eine Leitung 49 einem Wärmetauscher 27 zugeleitet wird, der sich im Bereich des Fahrers des Fahrzeugs 16 befindet.
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Durch das Gebläse 56 wird die Innenluft aus der Innenluft-Ansaugöffnung 64 angesaugt und durchtritt den Innenluft-Wärmetauscher 26, um dann durch die Druckluftöffnung 66 erneut in den Innenraum des Fahrzeugs abgegeben zu werden.
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Sowohl der Verdampfer 54 als auch der Kondensator 55 sind zum einen von Kältemittel im Kältemittelkreislauf 62 als auch von einem Wärmeträgermedium durchströmt.
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Der Kältemittelkreislauf besteht in dem dargestellten Ausführungsbeispiel demnach auf den vier genannten Elementen Verdampfer 54, Kondensator 55, Drossel 58 und Kompressor 60 und gegebenenfalls höchstens noch aus einem an sich bekannten Filter, aber jedenfalls keinem Ventil.
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Das Kältemittel steht in an sich bekannter Weise unter einem erheblichen Druck wie 25 bis 40 Bar oder darüber hinaus. Die Hinzufügung von Strömungswiderständen wie Umschaltventilen würde den Wirkungsgrad der Wärmepumpe 50 deutlich reduzieren.
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Unter Bildung eines sogenannten Kaltwassersatzes sind Wärmeträgerkreisläufe vorgesehen, die an den Verdampfer 54 einerseits und dem Kondensator 55 andererseits angeschlossen sind. Eingangsseitig des Verdampfers 54 ist eine Umwälzpumpe 64 in an sich bekannter Weise angeschlossen. An deren Eingang ist der Mittelanschluss eines ersten Umschaltventils 66 angeschlossen.
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Eingangsseitig des Kondensators 55 ist eine zweite Umwälzpumpe 68 angeschlossen. An deren Eingang ist der Mittelanschluss eines zweiten Umschaltventils 70 angeschlossen.
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Ausgangsseitig des Verdampfers 54 ist der Mittelanschluss eines dritten Umschaltventils 72 angeschlossen, und ausgangsseitig des Kondensators 55 der Mittelanschluss eines vierten Umschaltventils 73.
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In den 2 bis 4 sind die Umschaltventile so dargestellt, dass durch gefüllte Pfeile der blockierte Anschluss dargestellt werden soll, und durch offene Pfeile der offene Weg.
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Die Umschaltventile sind in an sich bekannter Weise elektrisch schaltbar und werden über eine Steuereinrichtung 102 bedient.
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Die Steuereinrichtung 102 ist mit einer Vielzahl von Sensoren und Steuerleitungen verbunden. Sie erfasst eine Solltemperatur, die entweder automatisch eingestellt wird oder vom Fahrer des Fahrzeugs vorgegeben wird. Sie regelt die Isttemperatur basierend auf der Solltemperatur, und zwar in einer energieoptimierten Weise, also unter Berücksichtigung eines möglichst energiegünstigen Betriebs.
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Die Steuervorrichtung 102 weist beispielsweise einen Temperatursensor 104 an dem Innenluft-Wärmetauscher 26 auf, und auch einen eben solchen an dem Außenluft-Wärmetauscher 24 - auch wenn dies nicht dargestellt ist.
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Ferner Temperatursensoren für den Innenraum und den „Maschinenraum“ des Fahrzeugs, also in dem Bereich, in dem zum einen der Akkumulator und zum anderen die Antriebseinheit untergebracht ist.
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Steuerleitungen erstrecken sich von der Steuervorrichtung 102 zu den zu regelnden Umwälzpumpen 64 und 68 sowie zum Kompressor 60. Ferner zu sämtlichen Umschaltventilen, wobei die Steuerleitungen zu den Umschaltventilen 70 und 73 in 2 dargestellt sind.
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Zu Unterscheidung sind hier die elektrischen Leitungen als geschlängelte Linien dargestellt.
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Es versteht sich, dass die Steuervorrichtung 102 für die Energieoptimierung eine Vielzahl von Eingriffen ermöglicht. So wird beispielsweise bei einem Einschaltbefehl an die Klimatisierungseinheit für den Betriebsmodus Kühlen signalisiert: „zunächst Fenster schließen“, wenn dann noch ein Fenster geöffnet ist.
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Ferner werden sämtliche zur Verfügung stehende Wärmesenken eingesetzt, wenn der Kühlbetrieb erforderlich ist und sämtliche Wärmequellen, wenn der Heizbetrieb erforderlich ist.
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In dem Modus der erfindungsgemäßen Klimatisierungseinheit gemäß der Darstellung von 3 ist ein Heizen vorgesehen.
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Wie aus 3 ersichtlich, gehört zu der Aufdach-Klimatisierungseinheit auch ein Außenluft-Wärmetauscher 24. Dieser ist in einen Außen-Kreislauf 75 eingebunden. In Entsprechung hierzu gibt es einen Innen-Kreislauf 74, der durch den Innenluft-Wärmetauscher 26 verläuft. Welcher der Kreisläufe an den Verdampfer 54 und welcher an dem Kondensator 55 angeschlossen ist, ist erfindungsgemäß durch die Umschaltventile 66 bis 73 umschaltbar.
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Gemäß 3 ist der Außen-Kreislauf 75 mit dem Verdampfer 54 verbunden und der Innen-Kreislauf 74 mit dem Kondensator 55. Dies ist erfindungsgemäß - und grundsätzlich in an sich bekannter Weise - ein Heizbetrieb der Klimatisierungseinheit. Hierzu stehen das erste und das dritte Umschaltventil in der Stellung, dass der Anschluss an den Außenkreislauf 75 offen ist, und das zweite und vierte Umschaltventil 70 und 73 in der Position, dass der Anschluss zum Innen-Kreislauf 76 offen ist.
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Die offenen Kreisläufe sind durch durchgezogene Linien dargestellt, während die durch die Umschaltventile im Heizbetrieb blockierten Leitungen durch gestrichelte Linien dargestellt sind. Sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig der Wärmetauscher 24 und 26 sind je Verzweigungen, beispielsweise die Verzweigung 80 realisiert, die eine offene Strömungsverbindung dargestellt und die blockierten Leitungen mit den offenen Leitungen je verbinden.
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In 4 ist nun der Kühlzustand oder Kühlmodus der erfindungsgemäßen Klimatisierungseinheit 10 dargestellt. In diesem Zustand sind die Umschaltventile 66 bis 73 genau in der gegenüber 2 anderen Position. Der Innen-Kreislauf 74 verläuft durch den Innenluft-Wärmetauscher 26 und dass erste Umschaltventil 66 und den Verdampfer 54 und das dritte Umschaltventil 72. Die Umwälzpumpe 64 sorgt für die Umwälzung des dort vorgesehenen Wärmeträger-Mediums.
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Die Wärmeträger-Medien in dem Innen-Kreislauf 74 und in dem Außen-Kreislauf 75 sind gleich, so dass es unkritisch ist, dass die Verzweigungen wie die Verzweigung 80 offen sind.
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In dem Kühlzustand verläuft der Außen-Kreislauf 75 durch den Außenluft-Wärmetauscher 24, das zweite Umschaltventil 70, die Umwälzpumpe 68, den Kondensator 55, das vierte Umschaltventil 73 und wieder zurück über die Verzweigung 80 zum Außenluft-Wärmetauscher 24.
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In der erfindungsgemäßen besonders bevorzugten Ausgestaltung gemäß 5 sind in die Kreisläufe 74 und 75 zusätzlich Wärmequellen und Wärmesenken intregriert, die bei Bedarf zuschaltbar sind.
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Hierzu ist gemäß 5 ein Nebenkreislauf 82 in den Innenkreislauf 74 eingebaut. Der Nebenkreislauf 82 erstreckt sich benachbart dem Rücklauf, also ausgangsseitig, des Innenluft-Wärmetauschers 26. Er umfasst eine erste Wärmequelle 84 und eine zweite Wärmequelle 86. Diese sind seriell angeordnet, werden also nacheinander von dem Wärmeträger-Medium durchströmt.
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Als erste Wärmequelle 84 kommt beispielsweise die Abwärme der Leistungselektronik des Elektrofahrzeugs in Betracht, und als zweite Wärmequelle 86 die Abwärme des Elektromotors dieses Fahrzeugs.
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Der Nebenkreislauf 82 ist mit zwei Abzweigungen an den Rücklauf des Wärmetauchers 26 angeschlossen. Zwischen diesen ist ein Sperrventil 88 realisiert, das bei Bedarf schaltbar ist.
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Bei geöffnetem Sperrventil 88 ist der Nebenkreislauf 82 gleichsam kurzgeschlossen, so dass aufgrund des im Nebenkreislauf 82 höheren Strömungswiderstands keine Durchströmung stattfindet. Wenn das Sperrventil 88 hingegen geschlossen ist, strömt das Wärmeträger-Medium durch den Nebenkreislauf 82 und erhöht dadurch das Temperaturniveau ausgangsseitig des Wärmetauschers 76 und zugleich damit eingangsseitig des Kondensators 55. Dies führt zu einem erhöhten COP-Wert der Klimatisierungseinheit 10.
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Das Wärmeträger-Medium im Nebenkreislauf 82 ist dementsprechend das gleiche wie das Wärmeträger-Medium im Außen-Kreislauf 75 und im Innen-Kreislauf 74.
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Während hier die Umschaltung, also die Einbeziehung des Nebenkreislaufs 82, durch das Sperrventil 88 realisiert ist, können alternativ zwei Zusatz-Umschaltventile an den Verzweigungen realisiert sein, die mit der Rücklaufleitung des Wärmetauchers 26 verbunden sind.
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In der hier dargestellten vereinfachten Ausgestaltung fungiert das Sperrventil 88 gleichsam oder in der Wirkung wie zwei Zusatz-Umschaltventile.
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Entsprechend hierzu passende Merkmale sind für den Außen-Kreislauf 75 vorgesehen. Hier ist ausgangsseitig des Außenluft-Wärmetauschers 24 an einer ersten Verzweigung ein zweiter Nebenkreislauf 92 angeschlossen. Dieser ist so vorgesehen, dass er Wärmesenken 94 und 96 durchströmt, und zwar in der dargestellten Ausführungsform parallel.
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Zu den Wärmesenken 94 und 96 gehört beispielsweise eine Batterie des Elektrofahrzeugs in der Aufwärmphase.
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An einer zweiten Verzweigung 98 ist der zweite Nebenkreislauf 92 wieder mit dem Rücklauf des Außenluft-Wärmetauschers 24 verbunden. Zwischen den Verzweigungen 90 und 98 ist ein weiteres Sperrventil 100 angeordnet, dass den zweiten Nebenkreislauf 92 kurzschließen kann. Bei geöffnetem Sperrventil 100 verläuft der Rücklauf ohne Berücksichtigung des zweiten Nebenkreislaufs 92 direkt zum ersten Umschaltventil 66 hin und damit eingangsseitig des Verdampfers 54.
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Wenn das Sperrventil 100 gesperrt ist, verläuft die Strömung des Wärmeträger-Mediums ausgangsseitig des Wärmetauschers 24 hingegen durch den zweiten Nebenkreislauf 92, so dass die dort vorgesehen Wärmesenken 94 und 96 das Temperaturniveau im Außen-Kreislauf 75 senken.
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Auch dies trägt zur Erhöhung des COP-Wertes bei.
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Es versteht sich, dass die parallele und serielle Anordnung von Wärmequellen und Wärmesenken in weiten Bereichen an die Erfordernisse anpassbar ist.
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Während hier die Nebenkreisläufe 82 und 92 je ausgangsseitig des Wärmetauschers 26 einerseits und des Außen-Wärmetauschers 24 dargestellt sind, versteht es sich, dass auch eine Anordnung an einer beliebigen anderen geeigneten Stelle im Kreislauf 74 bzw. 75 möglich ist.
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Auch ist es möglich, das gleiche Bauteil, wie beispielsweise die Batterie, einerseits als Wärmesenke und andererseits als Wärmequelle anzuschließen. Im Betriebszustand kann die Batterie als Wärmequelle und im Aufwärmzustand als Wärmesenke eingesetzt werden.
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Während in 5 die Verschaltung der Nebenkreisläufe 82 und 92 im Heizbetrieb dargestellt ist, also in dem Heizzustand der Umschaltventile 66 bis 70, versteht es sich, dass gewünschtenfalls mit entsprechender Modifikation auch eine entsprechende Verschaltung für den Kühlbetrieb mit der anderen Stellung der Umschaltventile 66 bis 74 möglich ist.
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In diesem Fall sind die Wärmesenken bevorzugt an den Rücklauf des Innenluft-Wärmetauschers 26 und die Wärmequellen an den Rücklauf des Außenluft-Wärmetauschers 24 angeschlossen, und die beiden Nebenkreisläufe 82 und 92 werden über entsprechende Umschaltventile in umgeschalteter Weise betrieben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19745167 A1 [0003, 0040]
