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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Luftbehandlung, insbesondere eine Dachklimaanlage in Flachbauweise, aufweisend einen ersten Wärmeübertrager zum Entziehen von Wärme aus einer Umgebung und einen zweiten Wärmeübertrager zum Abgeben von Wärme an einen zu heizenden Raum. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug.
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Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen werden oftmals Wärmepumpen zur Beheizung des Fahrgastraums eingesetzt. Hierbei wird die zum Beheizen des Fahrgastraums benötigte Wärme der Fahrzeugumgebung entzogen und dem Fahrgastraum zugeführt. Bei diesem Prozess kühlt ein mit der Fahrzeugumgebung thermisch gekoppelter Wärmeübertrager derart ab, dass der Taupunkt der Luft der Fahrzeugumgebung unterschritten und Reif auf der Oberfläche des Wärmeübertragers ausgebildet wird.
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Durch die Bildung von Reif vereist die Oberfläche des Wärmeübertragers zunehmend und unterbindet somit einen effizienten Betrieb der Wärmepumpe. Um wieder eine Durchströmung des Wärmeübertragers mit Luft zu ermöglichen, sind Abtauzyklen bzw. Abtauvorgänge notwendig, bei welchen der vereiste Wärmeübertrager aufgeheizt wird. Folglich schmilzt das Eis, und eine Durchströmung des Wärmeübertragers kann wieder erfolgen. Zur Reduzierung der benötigten Zeit für einen Abtauvorgang bzw. für ein schnelles Wiederanfahren der Wärmepumpe in den Heizbetrieb muss das Schmelzwasser möglichst schnell und vollständig aus dem Wärmeübertrager abfließen.
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In Bussen und Schienenfahrzeugen werden zunehmend kompakte Mikrokanalwärmeübertrager auf dem Dach liegend installiert. Durch die liegende Position kann während des Abtauvorgangs lediglich eine geringe Wassermenge vom liegenden Wärmeübertrager ablaufen, wodurch die Effizienz der Wärmepumpe degradiert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Luftbehandlung zu schaffen, die ein schnelles und technisch einfaches Abtauen des Wärmeübertragers bei gleichzeitig minimaler Bauhöhe ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Luftbehandlung, insbesondere eine Dachklimaanlage in Flachbauweise, bereitgestellt. Die Vorrichtung weist einen ersten Wärmeübertrager zum Entziehen von Wärme aus einer Umgebung und einen zweiten Wärmeübertrager zum Abgeben von Wärme an einen zu heizenden Raum auf. Ein Ventilator führt dem ersten Wärmeübertrager Luft aus der Umgebung zu. Der erste Wärmeübertrager und der zweite Wärmeübertrager sind in einem Kältemittelkreislauf fluidführend miteinander verbunden, durch welchen ein Kältemittel zirkuliert. Das Kältemittel kann beispielsweise durch einen Kältemittelverdichter innerhalb des Kältemittelkreislaufs gefördert werden. Erfindungsgemäß ist der erste Wärmeübertrager zum Durchführen eines Abtauvorgangs um einen Neigungswinkel gegenüber einer Horizontalen durch eine Aufstelleinheit aufstellbar oder um den Neigungswinkel gegenüber einer Horizontalen zumindest bereichsweise geneigt aufgestellt.
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Befindet sich die Wärmepumpe im Abtaumodus, bildet sich Wasser auf der Oberfläche des ersten Wärmeübertragers. Um eine möglichst geringe Verblockung für den nachfolgenden Vereisungszyklus zu erzielen, ist es vorteilhaft, möglichst viel Wasser aus dem ersten Wärmeübertrager zu verdrängen. Dadurch kann die Zeit, in der der erste Wärmeübertrager im nächsten Zyklus vereisen würde, erhöht werden.
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Vorzugsweise kann der erste Wärmeübertrager während eines eingeleiteten Abtauvorgangs durch die Aufstelleinheit einseitig aufgerichtet werden, wodurch der erste Wärmeübertrager einen voreingestellten oder einen variabel einstellbaren Neigungswinkel einnimmt. Nach dem durchgeführten Abtauvorgang kann die Aufstelleinheit den ersten Wärmeübertrager erneut in eine horizontale bzw. liegende Position bewegen. Die Aufstelleinheit kann hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch angetrieben sein. Durch diese Maßnahme kann ein Betrieb der Vorrichtung mit einer minimalen Höhe gewährleistet werden. Die Höhe der Vorrichtung wird bei Bedarf kurzzeitig zum Durchführen des Abtauvorgangs vergrößert.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann der erste Wärmeübertrager starr in einem Neigungswinkel gegenüber der Horizontalen montiert sein und somit ein optimales Ablaufen von Tauwasser während des Abtauvorgangs ermöglichen.
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Die Horizontale kann bei einer Dachmontage der Vorrichtung beispielsweise als eine Dachfläche des Fahrzeugs ausgestaltet sein.
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Der erste Wärmeübertrager kann beispielsweise als ein Wärmepumpenverdampfer ausgestaltet sein, welcher die Wirkung der Kapillarkräfte durch die Louver bzw. die Ausrichtung im Neigungswinkel zur Drainage des ersten Wärmeübertragers nutzt. Wird der erste Wärmeübertrager aufgestellt, addieren sich Kapillarkraft und Gravitationskraft des aufgetauten Wasserfilms, und das Wasser kann optimal ablaufen.
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Die Vorrichtung kann auch dazu eingesetzt werden, eine Kondensatbildung vor einer Vereisung zu beseitigen bzw. das gebildete Kondensat abfließen zu lassen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein Neigungswinkel des ersten Wärmeübertragers von 5° bis 70° gegenüber der Horizontalen während einer Dauer des Abtauvorgangs durch die Aufstelleinheit einstellbar, oder der mindestens eine erste Wärmeübertrager ist in einem Neigungswinkel von 5° bis 70° angeordnet. Durch die Wahl des Neigungswinkels im Bereich von 5° bis 70°, einschließlich 5° und 70°, kann eine besonders effiziente Wasserdrainage durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Menge des ablaufenden Wassers um 50 % erhöht werden, wenn ein Neigungswinkel von 15 % temporär oder dauerhaft eingestellt ist. Bevorzugterweise kann der Neigungswinkel im Bereich zwischen 45° und 60° gewählt werden.
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Ein vorteilhafter Neigungswinkel kann bei gleichzeitig niedriger Bauhöhe der Vorrichtung eingestellt werden, wenn der erste Wärmeübertrager gegenüber der Horizontalen V-förmig oder konvex gebogen ist. An einer tiefsten Position oder an zwei tiefsten Positionen des V-förmig oder konvex gebogenen ersten Wärmeübertragers kann eine Ablaufwanne zum Aufnehmen und Ableiten eines Tauwassers angeordnet sein.
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Der erste Wärmeübertrager kann einen Biegebereich aufweisen, welcher mittig bzw. zentriert angeordnet ist. Beispielsweise kann der erste Wärmeübertrager im Biegebereich geknickt oder gebogen sein. Die Wärmeübertragerabschnitte beidseitig des Biegebereichs weisen vorzugsweise jeweils einen Neigungswinkel auf und sind spiegelverkehrt zueinander ausgerichtet.
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Nach einer weiteren Ausführungsform weist der erste Wärmetauscher bzw. Wärmeübertrager Flachrohre zum Führen des Kältemittels und mit den Flachrohren thermisch gekoppelte Lamellen auf, wobei der gebogen ausgestaltete erste Wärmeübertrager thermisch mit den Flachrohren gekoppelte Lamellen außerhalb eines Biegebereichs des ersten Wärmeübertragers aufweist. Der gebogene oder geknickte erste Wärmeübertrager kann hierdurch technisch besonders einfach hergestellt werden. Insbesondere können die Flachrohre im Vorfeld im Biegebereich gebogen bzw. geknickt werden. In einem anschließenden Schritt können die Lamellen auf die Flachrohre aufgebracht werden, wobei die Lamellen an den vom Biegebereich abstehenden Abschnitten der Flachrohre angeordnet werden. Der Biegebereich bleibt frei von Lamellen und ermöglicht ein effektives Abfließen von Kondensat oder Tauwasser.
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Der Abtauvorgang kann zusätzlich optimiert werden, wenn die Lamellen eine Winkelausrichtung aufweisen, welche zwischen einer Richtung einer Schwerkraft und einer Richtung der Horizontalen ausgerichtet ist. Durch diese Maßnahme können die Lamellen derart schräg angestellt sein, dass auch ohne eine Neigung des ersten Wärmeübertragers die Schwerkraft ein Abfließen des Tauwassers begünstigt.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der erste Wärmeübertrager als zwei zueinander benachbart angeordnete Wärmeübertragerabschnitte ausgestaltet, wobei die Wärmeübertrager-abschnitte parallel oder seriell in den Kältemittelkreislauf eingebracht sind. Die Wärmeübertragerabschnitte bilden somit den ersten Wärmeübertrager aus. Hierdurch kann der erste Wärmeübertrager in zwei Teile bzw. Wärmeübertragerabschnitte unterteilt werden, welche nebeneinander angeordnet sind. Die Wärmeübertragerabschnitte sind vorzugsweise entgegengesetzt zueinander geneigt, wobei die Wärmeübertragerabschnitte eine V-Form oder eine Dachform bilden können. Durch diese Maßnahme kann die Höhe der Vorrichtung gegenüber einem einteiligen Wärmeübertrager mit gleichem Neigungswinkel und gleicher Fläche verringert werden.
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Ein symmetrischer Aufbau der Vorrichtung mit einer gleichmäßigen Massenverteilung kann umgesetzt werden, wenn die Wärmeübertragerabschnitte jeweils um den Neigungswinkel gegeneinander, insbesondere zueinander spiegelverkehrt, geneigt sind.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug bereitgestellt, welches eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Luftbehandlung aufweist.
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Das Fahrzeug kann beispielsweise als ein Bus, ein Schienenfahrzeug, ein Shuttle und dergleichen ausgestaltet sein. Die Vorrichtung zur Luftbehandlung kann dazu eingesetzt werden, eine Temperaturregulierung eines Fahrgastraums des Fahrzeugs vorzunehmen.
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Der erste Wärmeübertrager der Vorrichtung kann somit an einer Außenfläche, wie beispielsweise dem Fahrzeugdach, angeordnet sein. Der zweite Wärmeübertrager ist im Fahrgastraum angeordnet oder ist fluidführend mit dem Fahrgastraum verbunden. Durch die Verbindung des ersten Wärmeübertragers mit dem zweiten Wärmeübertrager über den Kältemittelkreislauf kann der Umgebungsluft des Fahrzeugs Wärme entzogen und der Fahrgastraum geheizt oder der Umgebungsluft Wärme zugeführt und der Fahrgastraum gekühlt werden.
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Der Abtauvorgang des ersten Wärmeübertragers ist bei einem Heizbetrieb des zweiten Wärmeübertragers relevant, da durch Entziehen von Wärme aus der Umgebungsluft der erste Wärmeübertrager unterhalb des Taupunktes der Umgebungsluft abkühlen kann.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Seitenansicht eines Fahrzeugs mit einer Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 2 eine schematische Seitenansicht eines Fahrzeugs mit einer Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- 3 eine schematische Seitenansicht eines Fahrzeugs mit einer Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform,
- 4 eine schematische Seitenansicht eines Fahrzeugs mit einer Vorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform,
- 5 eine schematische Seitenansicht eines Fahrzeugs mit einer Vorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform, und
- 6A, 6B einen Vergleich eines ersten Wärmeübertragers mit dem Stand der Technik.
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In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf.
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Die 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Fahrzeugs 100 mit einer Vorrichtung 10 zur Luftbehandlung gemäß einer ersten Ausführungsform. Die Vorrichtung 10 ist als eine Dachklimaanlage in Flachbauweise ausgestaltet, welche auf einem als Bus ausgestalteten Fahrzeug 100 montiert ist.
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Die Vorrichtung 10 weist einen ersten Wärmeübertrager 20 auf, welcher über einen Ventilator 30 mit einer Umgebung U bzw. Umgebungsluft versorgt wird. Hierdurch kann der erste Wärmeübertrager 20 Wärme aus der Umgebung U entziehen.
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Des Weiteren weist die Vorrichtung 10 einen zweiten Wärmeübertrager 40 auf. Der zweite Wärmeübertrager 40 ist in einem Fahrgastraum bzw. Fahrzeuginnenraum 101 angeordnet, um den Fahrgastraum 101 zu beheizen oder zu kühlen.
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Der erste Wärmeübertrager 20 und der zweite Wärmeübertrager 40 sind über einen Kältemittelkreislauf 50 fluidführend miteinander verbunden. Durch den Kältemittelkreislauf 50 kann ein Kältemittel gefördert werden, um ein Entziehen von Wärme aus der Umgebung U und ein Zuführen von Wärme zu dem Fahrgastraum 101 zu ermöglichen.
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Durch das Entziehen von Wärme aus der Umgebung U kann der erste Wärmeübertrager 20 vereisen und somit seine Effizienz einbüßen. Zum Durchführen eines Abtauvorgangs kann im dargestellten Ausführungsbeispiel der erste Wärmeübertrager 20 und der über dem ersten Wärmeübertrager 20 angeordnete Ventilator 30 um einen Neigungswinkel W aufgestellt werden.
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Die Einstellung des Neigungswinkels W erfolgt durch eine Aufstelleinheit 60, welche den ersten Wärmeübertrager 20 und den Ventilator 30 einseitig anhebt bzw. dreht. Die Aufstelleinheit 60 kann beispielsweise als ein oder mehrere hydraulisch betätigbare Zylinder ausgestaltet sein, welche den ersten Wärmeübertrager 20 und den Ventilator 30 an einer beliebigen Position anheben und somit schwenken können.
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Bei einer Neigung des ersten Wärmeübertragers 20 ergibt sich aus einer Kapillarkraft Fkapilar und Gravitationskraft FG eine resultierende Kraft Fres . Durch die zusätzliche Einwirkung der Gravitationskraft FG kann eine größere Wassermenge aus dem ersten Wärmeübertrager 20 während des Abtauvorgangs austreten. Die entsprechenden Kräfte FG , Fkapilar , Fres und Richtungen sind in der 1 schematisch veranschaulicht.
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Nach einem durchgeführten Abtauvorgang kann die Aufstelleinheit 60 den Ventilator 30 und den ersten Wärmeübertrager 20 in eine liegende Position versetzen, bei welcher der liegende Ventilator 30' und der liegende erste Wärmeübertrager 20' eine geringere Höhe H einnehmen.
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In der 2 ist eine schematische Seitenansicht eines Fahrzeugs 100 mit einer Vorrichtung 10 zur Luftbehandlung gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist der erste Wärmeübertrager 20 in Form von zwei zueinander benachbart angeordneten Wärmeübertragerabschnitten 21, 22 ausgestaltet. Hierzu wurde ein großflächiger erster Wärmeübertrager 20 in zwei kleinere Wärmeübertragerabschnitte 21, 22 geteilt, welche entlang einer Horizontalen 70 nebeneinander positioniert und jeweils um den Neigungswinkel W entgegengesetzt gedreht bzw. verschwenkt sind. Die Horizontale 70 ist beispielhaft als ein Fahrzeugdach ausgestaltet.
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Die beiden Wärmeübertragerabschnitte 21, 22 sind V-förmig angeordnet und werden von einem gemeinsamen Ventilator 30 mit Umgebungsluft versorgt.
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In der 3 ist veranschaulicht eine schematische Seitenansicht eines Fahrzeugs 100 mit einer Vorrichtung 10 zur Luftbehandlung gemäß einer dritten Ausführungsform dargestellt, bei welcher die Wärmeübertragerabschnitte 21, 22, ähnlich wie bei 2, aber entgegengesetzt verschwenkt, nämlich dachförmig angeordnet sind.
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Die jeweiligen Wärmeübertragerabschnitte 21, 22 können in Reihe oder parallel zueinander durch den Kältemittelkreislauf 50 verbunden sein.
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In der 4 ist eine schematische Seitenansicht eines Fahrzeugs 100 mit einer Vorrichtung 10 zur Luftbehandlung gemäß einer vierten Ausführungsform veranschaulicht. Der erste Wärmeübertrager 20 ist hier in einem Biegebereich 80 V-förmig gebogen und durch den Biegebereich 80 in zwei Teile 23, 24 unterteilt. Die Teile 23, 24 des ersten Wärmeübertragers 20 sind jeweils in einem Neigungswinkel W angestellt und weisen Lamellen 25 zur thermischen Kopplung von Flachrohren 26 auf. Der Biegebereich 80 ist frei von Lamellen 25 ausgestaltet, sodass die jeweiligen Teile 23, 24 des ersten Wärmeübertragers 20 durch Flachrohre 26 miteinander verbunden sind.
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Die 5 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Fahrzeugs 100 mit einer Vorrichtung 10 zur Luftbehandlung gemäß einer fünften Ausführungsform. Im Unterschied zu den bereits dargestellten Ausführungsbeispielen weist die Vorrichtung 10 einen einteiligen ersten Wärmeübertrager 27 auf, welcher gekrümmt bzw. gebogen ausgestaltet ist. Der gebogene Wärmeübertrager 27 kann somit zumindest bereichsweise einen Neigungswinkel W zum Ermöglichen eines optimalen Abflusses von Tauwasser aufweisen.
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In der 6A und 6B ist ein Vergleich eines erfindungsgemäßen ersten Wärmeübertragers 20 mit einem Wärmeübertrager 20' gemäß dem Stand der Technik veranschaulicht.
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Die 6A zeigt den Wärmeübertrager 20' gemäß dem Stand der Technik, welcher eine Vielzahl von Lamellen 25' aufweist. Die Lamellen 25' sind jeweils zwischen zwei Flachrohren 26' angeordnet. Die Lamellen 25' sind entsprechend einer Winkelausrichtung 90' angeordnet. Die Winkelausrichtung 90' ist parallel zu einem Verlauf der Flachrohre 26' ausgestaltet. Somit weisen die Lamellen 25' eine Winkelausrichtung 90' entsprechend der in 1 gezeigten Kapillarkraft Fkapilar auf.
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Im Unterschied zum Stand der Technik weist der in 6B gezeigte erste Wärmeübertrager 20 jeweils zwischen zwei Flachrohren 26 angeordnete Lamellen 25 mit einer schrägen bzw. diagonalen Winkelausrichtung 90 auf. Durch diese Maßnahme kann die Kapillarkraft Fkapilar von der Horizontalen 70 abweichend in Richtung der Schwerkraft FG eingestellt werden, wodurch der Abtauvorgang des ersten Wärmeübertragers 20 zusätzlich beschleunigt wird.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Fahrzeug
- 101
- Fahrgastraum / zu heizender Raum
- 10
- Vorrichtung
- 20
- aufgestellter erster Wärmeübertrager
- 20'
- liegender erster Wärmeübertrager
- 21
- erster Wärmeübertragerabschnitt
- 22
- zweiter Wärmeübertragerabschnitt
- 23
- erster Teil des ersten Wärmeübertragers
- 24
- zweiter Teil des ersten Wärmeübertragers
- 25
- Lamellen
- 25'
- Lamellen gemäß dem Stand der Technik
- 26
- Flachrohre
- 26'
- Flachrohre gemäß dem Stand der Technik
- 27
- gebogener erster Wärmeübertrager
- 30
- aufgestellter Ventilator
- 30'
- liegender Ventilator
- 40
- zweiter Wärmeübertrager
- 50
- Kältemittelkreislauf
- 60
- Aufstelleinheit
- 70
- Horizontale / Fahrzeugdach
- 80
- Biegebereich
- 90
- Winkelausrichtung der Lamellen
- 90'
- Winkelausrichtung der Lamellen gemäß dem Stand der Technik
- H
- Höhe
- U
- Umgebung/ Umgebungsluft
- Fkapilar
- Kaliparkraft
- FG
- Schwerkraft
- Fres
- resultierende Kraft während des Abtauvorgangs
